高海拔氣候環境下碾壓混凝土重力壩施工期開裂風險分析

陜亮 李星

摘要：

DG水電站位于高寒高海拔地區，氣候環境復雜。為研究施工期碾壓混凝土溫控防裂問題，選取DG水電站廠房壩段為研究對象，采用三維數值仿真模擬技術進行施工期大壩溫度場和溫度應力計算，以及氣溫驟降、晝夜大溫差對壩體影響的敏感性分析。研究結果表明：氣溫驟降、晝夜大溫差在壩體表面分別產生約1.4，0.9 MPa的拉應力，易在壩體表面引起裂縫；為了減小由此引發的混凝土開裂風險，采用混凝土表面保溫防護措施之后，壩體表面溫度應力相應得到顯著改善，拉應力分別減少至約0.3，0.4 MPa。

關鍵詞：

溫控防裂； RCC重力壩； 混凝土； 仿真計算； 高寒高海拔地區

中圖法分類號：TV315

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.012

文章編號：1006-0081（2023）03-0066-06

0 引 言

碾壓混凝土筑壩技術以其良好的工作性和經濟性，成為高寒高海拔地區復雜環境下最有利的壩型之一［1-3］。DG水電站位于西藏自治區桑日縣，采用壩后式廠房布置，壩頂高程3 451 m，最大壩高118 m，正常蓄水位3 447 m，是世界上海拔最高的RCC（碾壓混凝土）重力壩。壩址區氣候惡劣，具有溫差大、氣壓低、風力強、凍土深、輻射強等高寒高海拔地區的不利因素，使得該工程在建設期即面臨較大的混凝土開裂風險［4-5］。氣溫驟降、晝夜溫差大均是導致壩體產生表面裂縫的主要原因，表面裂縫往往會發展成深層甚至貫穿裂縫，造成壩體滲漏，發生凍融破壞，嚴重時將影響壩體整體安全［6-8］。大壩混凝土表面防裂需要個性化、精細化全壩保溫工藝，加強表面保溫是有效防止混凝土表面裂縫的重要措施［9］。因此，進行高寒高海拔嚴苛環境下氣溫驟降、晝夜（日變化）大溫差對DG水電站的影響研究十分必要。

1 模擬計算

1.1 計算模型

廠房壩段結構復雜、材料分組多，作為典型壩段進行研究分析，結構模型見圖1（a），其中2019年完成澆筑的混凝土以彩色分組顯示，2020年澆筑的混凝土以灰色顯示，共計335 414個節點，309 790個單元。材料分區見圖1（b），其中R表示碾壓混凝土，C表示常態混凝土。

1.2 計算條件

依據NB/T 35092-2017 《混凝土壩溫度控制設計規范》以及DG水電站相關建設單位技術報告［10-13］，確定計算條件。

1.2.1 力學與熱學性能

混凝土彈性模量采用E（t）=E0（1－e－AtB）擬合，其中E0為混凝土最終彈性模量，GPa。擬合參數如表1所示。

混凝土絕熱溫升采用θ（t）=θ0tA+t擬合，其中θ（t）為混凝土絕熱溫升，℃；θ0為混凝土最終絕熱溫升，℃；t為混凝土齡期，d。混凝土與基巖熱學性能如表2所示。

1.2.2 環境溫度條件

1.2.2.1 年氣溫變化

根據DG水電站氣象要素月平均氣溫統計結果，采用Tc（t）=10.2+7.9sin2365（t－100）擬合年氣溫變化。

1.2.2.2 氣溫驟降溫度作用

對于一般寬為20 m的壩塊，當遭受日平均氣溫在2～5 d內下降6～8 ℃時，可能出現表面裂縫，隨壩塊的寬度增加，表面裂縫條數將增多。查閱西藏地區拉薩市2018～2019年氣溫驟降資料，擬定2019年4月和10月（對應混凝土齡期分別為10 d和超過28 d），壩體遭遇氣溫驟降襲擊，3 d氣溫降溫幅度12 ℃，按保溫和不保溫兩種情況分析。

1.2.2.3 日變化（晝夜）溫差作用

晝夜溫差作用是日氣溫最高值與最低值之差形成氣溫日變化對混凝土結構的影響，其在相對較短時間內變化較為劇烈，根據DG水電站氣象站氣溫日變幅統計資料，研究日變幅最大月份晝夜溫差對壩體影響，12月份日變幅14.9 ℃，1 d內晝夜溫差變化量見表3，按保溫和不保溫兩種情況分析。

1.2.3 溫度場與應力場計算

1.2.3.1 混凝土澆筑溫度

廠房壩段建基面呈多層臺階式，混凝土相應允許澆筑溫度見表4。混凝土澆筑分層及間歇期控制原則：壩體常態混凝土強約束區澆筑層厚不宜超過1.5 m，間歇5～7 d；弱約束區和自由區澆筑層厚不宜超過3.0 m，間歇7～10 d。碾壓混凝土強約束區澆筑層厚不宜超過1.5 m，間歇10 d；弱約束區和自由區澆筑層厚不宜超過3.0 m，間歇12 d。廠房基礎約束區澆筑層厚度不超過2.0 m，基礎約束區以外最大澆筑厚度控制在2～3 m以內，上、下層澆筑間歇時間為5～10 d。

1.2.3.2 通水冷卻

一期通水冷卻水溫12 ℃，通水時長30 d，混凝土下料時即開始；中期通水冷卻水溫12 ℃，通水時長60 d，冷卻目標溫度16 ℃，從當年9月初開始進行高溫季節澆筑混凝土至入冬前必要的冷卻降溫。

設定基巖初溫為10.2 ℃，以氣溫邊界條件下計算時長20 a至混凝土開始澆筑時所得的溫度場作為基巖的初始溫度場；入倉溫度作為混凝土的初始溫度。溫度場計算時，壩段對稱面、基礎底面、各側面按絕熱邊界處理；壩體與氣溫接觸的邊界，按第三類邊界條件處理，放熱系數β取10.73 W/（m2·℃）；孔洞內與大氣接觸的表面，考慮到空氣流通不暢，β取5.0 W/（m2·℃）。應力計算中，基礎底面取三向約束，基礎上游面自由，基礎下游面、基礎左右兩側面取法向約束；壩體側面與相鄰壩段之間有橫縫，取為自由面。

1.2.4 混凝土表面保溫防護

參考高寒地區碾壓混凝土壩表面多種保溫方案 ［14］，設計DG水電站廠房壩段混凝土保溫防護措施，保溫效果如表5所示；計算分析分為表面保溫、不保溫兩種情況。

2 結果與分析

2.1 氣溫驟降影響

2.1.1 溫度場

遭遇氣溫驟降壩體降溫見表6，壩體混凝土外表面溫度以及氣溫變化曲線見圖2。計算結果表明：混凝土表面不保溫條件下，混凝土外表面降溫7.51 ℃（4月份）、7.96 ℃（10月份）；混凝土表面保溫條件下，混凝土外表面降溫1.24 ℃（4月份）、1.53 ℃（10月份）。距外表面不同距離處混凝土溫度變化曲線見圖3，距離混凝土表面0.6 m處，降溫幅度迅速減小到1.0 ℃以內，越深入內部影響越小；在溫度歷程上，壩體內部混凝土相對于表面混凝土存在滯后現象。

4月份處于年氣溫變化的氣溫上升期，10月份處于年氣溫變化的氣溫下降期，所以10月份混凝土表面降溫略大于4月份；混凝土外表面保溫措施，有效避免了混凝土內外大溫差情況的出現；距離混凝土表面越遠，深于1.2 m的內部混凝土溫度，基本不受氣溫驟降的影響。

2.1.2 應力場

由表1可知，碾壓混凝土強度在各齡期均小于常態混凝土強度，開裂風險更高，因此以碾壓混凝土為對象分析氣溫驟降對混凝土應力影響。遭遇氣溫驟降壩體碾壓混凝土應力變化見表7。結果表明，氣溫驟降僅在混凝土表面產生較大的拉應力，沿深度方向拉應力急劇下降。氣溫驟降的幅度為3 d降溫12 ℃，對于4月份降溫，混凝土齡期10 d，表面橫河向產生拉應力0.08 MPa（保溫）、0.56 MPa（不保溫），表面豎直向產生拉應力0.16 MPa（保溫）、0.59 MPa（不保溫）；距表面深度0.6 m處，氣溫驟降對混凝土應力基本無影響；對于10月份降溫，混凝土齡期28 d以上，表面橫河向產生拉應力0.23 MPa（保溫）、1.22 MPa（不保溫），表面豎直向產生拉應力0.31 MPa（保溫）、1.40 MPa（不保溫）；距表面深度0.6 m處，氣溫驟降對混凝土應力影響較小。

2.2 日變化（晝夜）溫差影響

2.2.1 溫度場

晝夜溫差引起大壩混凝土溫度變化見表8。結果表明：混凝土澆筑層內部區域受晝夜溫差日變化的影響較小，混疑土外表面溫度受晝夜溫差日變化的影響較大，在混凝土結構中形成一定的溫度梯度。大壩混凝土表面不保溫條件下，考慮晝夜溫差影響的外表面混凝土最大溫度變幅約 4.3 ℃，深度達0.6 m后變幅較小，最大溫度變幅約1.1 ℃；保溫條件下，考慮晝夜溫差影響的外表面混凝土最高溫度變幅約0.4 ℃，深度達0.5 m后則基本無影響。

2.2.2 應力場

大壩碾壓混凝土下游面晝夜溫差引起橫河向應力見表9，表面不保溫碾壓混凝土晝夜溫差引起橫河向應力變化見圖4；大壩排沙廊道常態混凝土表面晝夜溫差引起順流向應力見表10，表面不保溫常態混凝土晝夜溫差引起順流向應力變化見圖5。結果表明：混凝土澆筑層內部區域受晝夜溫差日變化的影響較小，混疑土外表面應力受晝夜溫差日變化的影響相對較大。大壩混凝土表面不保溫條件下，晝夜溫差影響的外表面混凝土產生拉應力分別為0.91 MPa（碾壓混凝土）、0.51 MPa（常態混凝土）；保溫條件下，晝夜溫差影響的外表面混凝土產生拉應力分別為0.38 MPa（碾壓混凝土）、0.03 MPa（常態混凝土）。距表面深度1.0 m以內，晝夜溫差對混凝土應力影響較小，晝夜溫差碾壓混凝土沿深度方向橫河向應力變化見圖6。

由上述分析可知，高寒高海拔氣候環境下筑壩，強冷空氣侵襲時常引起環境氣溫驟降；日照強熱輻射放大了晝夜大溫差作用，白天地表面吸收了太陽輻射能而逐漸增熱，通過輻射、分子運動、對流等方式將熱量傳遞給邊界層大氣，大氣溫度隨之升高，夜間地表面因放射長波輻射而冷卻，邊界層大氣溫度隨之降低。兩種因素均可導致壩體混凝土表面溫度變化迅速，而其結構內部溫度仍處于原來狀態，從而形成較大溫度梯度，產生溫度變形，這樣的變形在受到結構內、外約束阻礙時，會產生相當大的溫度應力，造成混凝土表面開裂風險增大。混凝土表面保溫防護設計可顯著改善壩體表面溫度應力，是有效防止混凝土表面裂縫的重要措施。

3 結 語

（1） 氣溫驟降作用時間較短，壩體表面溫降較大，在混凝土外表面產生1.4 MPa的拉應力，在深度方向影響有限、早齡期混凝土遭遇氣溫驟降時，很容易使混凝土表面發生裂隙，進而發展成裂縫。

（2） 晝夜大溫差的日變化在混凝土外表面產生0.9 MPa的拉應力，增加了混凝土表面開裂風險，其影響深度在1.0 m以內。

（3） 設計混凝土表面保溫防護措施，壩體表面溫度應力得到顯著改善，拉應力分別減少至約0.3，0.4 MPa。

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（編輯：李 晗）

Cracking risk analysis of RCC gravity dam during construction in high altitude climate

SHAN Liang1，2，LI Xing2，3

（1.Material and Engineering Structure Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China

）Abstract：

DG Hydropower Station is located in high altitude and cold area，and the climate environment is complex.To study the problem of concrete temperature control and crack prevention during construction，taking powerhouse section as the research object，the temperature field and thermal stress during the construction period of the dam were numerically simulated by the three-dimensional finite element method，and the sensitivity analysis of the impact of sudden temperature drop and temperature difference between day and night on the dam body.The research results showed that the sudden drop of temperature and large temperature difference between day and night produce tensile stress of approximately 1.40，0.9 MPa respectively on the dam surface，which was easy to cause cracks on the dam surface.In order to reduce the risk of concrete cracking caused by reasons above，the concrete surface thermal insulation protection measures were designed，the temperature stress on the dam surface was significantly improved，and the tensile stress was reduced to approximately 0.3，0.4 MPa respectively.

Key words：

temperature control and crack prevention； RCC gravity dam； concrete； simulation calculation； high altitude and cold regions

收稿日期：

2022-05-11

基金項目：

國家重點研發計劃課題（2021YFC3090104）；

國家自然科學基金（51779019，51979011）；

長江設計集團有限公司自主創新項目（CX2021841）；

長江科學院中央級公益性科研院所基本科研業務費項目（CKSF2019407/CL，CKSF2019434/CL）

作者簡介：

陜 亮，男，正高級工程師，博士，主要從事水工結構研究工作。E-mail：robert_shanl@163.com