高寒区混凝土坝温度场和应力场时空演化规律研究

韩小妹，朱 峰，范瑞朋

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 概述

我国高寒区混凝土坝在低温防裂方面取得了巨大成就，很多大坝仅出现细微裂缝，甚至无裂缝，大坝耐久性和安全性大大提高。本文根据已经蓄水的观音阁、ZM、KLSK、丰满、DG等重力坝，石门子、拉西瓦、BEJSK等拱坝[1- 3]温控监测数据和研究分析成果，总结出高寒区混凝土坝温度场和应力场时空演化规律，有助于设定合理的温控标准，制定合理的温控措施，加强温控施工关键环节的执行力度，防止高寒区混凝土坝裂缝发生。

2 温度场分布

2.1 温度监测结果分析

高寒区混凝土重力坝和拱坝都在不同高程、不同部位埋设了温度计，不同工程、不同高程、不同部位的温度计监测数据规律具有良好一致性，能良好反映出混凝土坝从施工期至蓄水后运行的温度状态。 随着智能仪器发展，已建的DG重力坝、在建的叶巴滩拱坝采用了智能温控仪器，能动态监测、分析与控制混凝土坝的温度和温差。通过高寒区混凝土坝的温度监测结果，得出混凝土坝温度场分布及规律。

2.1.1建基面基岩温度变化情况

建基面基岩温度受混凝土浇筑初期水化热和库水温影响大，逐渐趋近于稳定温度。根据KLSK[4]、丰满[5]、三河口[6]等大坝基岩温度计监测成果，在坝体混凝土浇筑后，受混凝土水化热的影响，基岩内温度迅速升高，基岩深处温度变化幅度较平缓，靠近混凝土建基面受外界环境温度变化明显，越接近基岩面处升温越快，之后温度慢慢下降。蓄水后基岩温度主要受库水温、渗透压力、深层基岩地温及该坝段的结构尺寸影响。

2.1.2不同阶段温度场温度变化情况

高寒区坝内混凝土温度场一般分为水化热阶段、2次升温或降温阶段、平稳阶段3个阶段。

混凝土浇筑后，因水化热原因混凝土温度呈现逐步升高现象，基本经历4～7d后，温度快速达到峰值。随着混凝土水化热的减弱、坝体散热等原因，温度缓慢上升。由于受上层新浇混凝土的影响，下层混凝土会发生温度倒灌，出现2次升温的现象。如果混凝土分层浇筑较快，还可能出现3次，甚至4次升温现象。2次升温现象还与混凝土的粉煤灰含量、水分含量、骨料有关。在2次升温阶段，通过采取通水冷却和保温隔热、隔湿等温控措施，混凝土温度达到第2个温升峰值后，进入稳定的下降阶段。混凝土温度场典型过程线如图1所示。

图1 观音阁重力坝施工期碾压混凝土温度过程线[7]

通水冷却和保温隔热有利于降低混凝土最高温度。当高温季节混凝土浇筑之后开始通水冷却，混凝土温度先快速上升，达到第1个温度峰值后，DG、ZM等重力坝加强通水冷却后，混凝土温度不出现2次升温现象，温度缓慢下降，期间趋势有所停滞甚至出现波动状况，但总体仍处于缓慢降温阶段，逐渐趋近稳定温度。高温季节浇筑的混凝土通常进行多期通水，有利于控制混凝土温度，见表1。一期通水控制混凝土最高温度；中期通水防止混凝土出现2次升温，确保混凝土温度缓慢下降；二期通水冷却后，坝体温度逐渐下降，达到稳定温度和接缝灌浆温度。

表1 BEJSK拱坝通水后坝体温度监测成果表

2.1.3坝表面温度易受外界气温影响

如果混凝土大坝表面未进行保温或者保温措施不到位，大坝表面温度将随外界气温变化而变化，三河口大坝512m高程坝面温度典型温度计和月平均气温对比过程线如图2所示。坝体表面温度初期受水化热影响明显，后期受外界气温影响明显，后期温度变幅小于气温变幅。因此高温季节应及时对混凝土进行水管冷却养护，低温季节需要对大坝表面进行表面保温，降低受外界气温的影响。

图2 三河口大坝512m高程坝面温度典型温度计和月平均气温对比过程线图

高寒区混凝土越冬层面覆盖保温层后，外界气温的最低温度和混凝土表面最低温度温差大，如BEJSK混凝土坝可达到33.5℃，见表2。

表2 BEJSK混凝土坝越冬保温实测温度汇总表

因此需要重视高寒区混凝土大坝来年开春保温被的揭开时间，当寒潮来临时，需要及时覆盖保温被。KLSK混凝土坝越冬层表面保温被揭开的时间一般在4月上旬，外界环境气温在6℃以上，越冬层表面温度在12.5℃以上，与越冬层面表面温差控制在10℃以内，揭开保温被1d之后，越冬层表面温度降低到5.6℃，相关数据见表3。

表3 KLSK大坝4个坝段保温前后越冬层表面温度统计

2.1.4坝体内外温差容易大

由KLSK、丰满重力坝典型坝段实测温度曲线得出，坝体表面温度受外界气温影响敏感，而坝体腹心内部温度受水泥水化热作用高于上下游坝面，最大内外温差达到10～15℃。由于腹心部位的坝体温度较高，整个坝体温度场以坝体腹心为中心，向坝体四周辐射状分布。

KLSK大坝越冬层表面温差汇总见表4。由表4可以看出，2007年和2008年越冬层内外温差和上下层温差基本满足温控标准；2008年越冬层因受各种因素的影响，导致29#坝段坝体内部腹心温度较高，与越冬层面的温差略微超过了内外温差的控制标准，但超出的量值不大。在新混凝土开浇前，揭开保温被，用高压水枪清洗，越冬层面未发现表面裂缝。

表4 KLSK大坝典型坝段越冬层表面温差统计表

2.1.5施工期高温季节未保温的坝体和坝面温度随高程增长而增加

大坝处于河谷内，两岸山体遮挡光线，大坝各处光照时间不同，一般靠近坝顶处坝体和坝面受日照时间相对较长，因此高温季节靠坝顶处混凝土温度相对较高，靠近坝基的坝体温度较低。2020年9月2日，三河口拱坝未覆盖保温层的坝体和上下游表面平均温度沿高程呈现正相关分布关系，如图3所示，各高程平均温度在14～26℃。

图3 三河口拱坝未覆盖保温层的坝体和坝面蓄水前沿高程分布平均温度分布图

2.1.6蓄水后坝体上游面和坝体温度受库水温度影响明显

由观音阁重力坝、KLSK重力坝、拉西瓦拱坝温度监测数据得出，坝体表面温度计在蓄水以前主要受外界气温影响，随着蓄水位上升，上游坝面温度主要受坝前库水温度影响，水越深，坝体温度变幅越小；下游坝面温度由外界气温控制，冬、春季节，坝体下游表层温度低于内部温度，夏秋季节则高于内部温度；坝体内部温度介于上游坝面温度和下游坝面温度之间，坝体内部温度变化的时间比坝体渗压计水位变化滞后。截止2014年12月，拉西瓦拱坝坝体中部温度随部位高程呈现反相关关系，高程越低，温度越高；2260m高程以下坝体内部温度基本在15～10℃之间，2260～2417m高程坝体内部温度基本在10～8℃之间，2417～2430m高程坝体内部温度基本在8～6℃之间，2430～2440m高程坝体内部温度基本在11～12℃之间。

2.2 稳定温度场分布

尽管年内各月气温及上游水温不同，高寒区拱坝在做好保温措施下各月的准稳定温度基本相同。根据拉西瓦拱坝7#、11#、16#坝段[8]埋设的温度计的温度测值，进行温度场的绘制，分别选取蓄水前2008年7月中旬及12月中旬为典型时刻；温度场如图4所示。从温度场可以看出，在7月份2320m高程以下温度场整体已经降至6～12℃，达到准稳定温度场；2320m高程以上混凝土由于浇筑较晚，混凝土在人工冷却及自身水化热的作用下，局部最高温度24～26℃；到达12月份，2350m以下温度场温度已经降至6～12℃，达到准稳定温度场。对比7月份与12月份的温度场可以看出，2320m以下坝体混凝土温度内部变化不大，浅表部混凝土(5m范围)变化受外界气温影响较大，表部混凝土温度分布在8～12℃。

图4 拉西瓦拱坝11#坝段2008年温度场

蓄水后，拉西瓦大坝2400m高程以下混凝土内部实测温度随外界气温变化不大，2400m 高程以上混凝土温度随外界气温变化的而变化。基础约束区混凝土平均稳定温度为9℃，脱离约束区混凝土实测温度在5～10℃范围内变化。截止2015年3月，拉西瓦坝体基础实测温度变化较平稳，基本在9.2～12.95℃，整体受上部水位变化影响较小。

3 应力场监测结果分析

目前很多混凝土大坝应力应变监测主要采用多向应变计组和无应力计仪器，通过应变计监测数据，采用叠加法，计算出坝体混凝土实际应力。根据丰满、DG等重力坝、拉西瓦、三河口等拱坝的应力应变监测数据，各工程应力应变数据一致性相对较差，同一应变计的过程线数据起伏较大，异常数据比较多，三河口拱坝和拉西瓦拱坝的应力应变场分布及规律明显不同。应力应变分布和规律不仅与混凝土温度有关，还与施加的自重荷载、水荷载等有关，本文根据丰满、DG等重力坝、拉西瓦、三河口等拱坝的应力应变监测数据，结合温度监测数据，剔除异常数据，总结分析应力应变场主要分布及规律趋势。

3.1 混凝土温度应力应变过程线与温度过程线规律相同

由DG(图5)、丰满等重力坝典型应力应变变化过程线得出，混凝土温度应力应变与温度值明显线性正相关，规律相似，应变初期变化较大，后期逐渐下降，直至收敛，蓄水前基本为压应变。

图5 DG重力坝11#坝段3348m高程五向应变计组和无应力计测值过程线[9]

3.2 蓄水后应力应变基本处于受压状态，局部处于受拉状态

水库蓄水初期，坝体有较明显压应力增大趋势；后期库水位抬升阶段，坝体低高程亦有较小的压应力增大趋势，高程部位坝体应力变化不明显；库水位稳定后，坝体应力变化不大。上游侧和中部测点应力受温度影响较小，下游侧测点应力受拱坝整体稳定影响较大。截至2014年12月28日，拉西瓦拱坝各测点应力基本趋于稳定或呈较稳定的周期性变化，仅有个别测点有较小的压应力增大趋势，坝体混凝土主要以压应力为主，局部出现拉应力，拉应力值都小于设计混凝土允许抗裂应力2.1MPa。

4 应力应变反演结果与实测数据对比分析

根据温度监测数据，三河口拱坝和拉西瓦拱坝均进行了应力应变演算分析，其应力计算结果与通过应变实测数据计算的应力结果均有明显差异。拉西瓦拱坝应力实测结果与反演分析计算结果分别见表5和表6。由表5—6得出，实测的变形拉应力最大为1.9MPa，明显大于计算值0.33MPa，但小于设计混凝土抗裂强度2.1MPa，实测的最大压应力10.1MPa，略大于计算值8.17MPa。由于应力实测值和计算值的外界工况存在一定的差异，此外应变计组的埋设位置存在局限性，再加上应变计组初值的选取、资料的复杂性和混凝土徐变试验资料的复杂性和局限性；应力实测值与计算值均存在一定的差异。

表5 拉西瓦拱坝典型坝段应力实测结果特征值表

表6 拉西瓦拱坝反演应力计算结果表

5 结语

由于高寒区低温历时长，日温差大，寒潮频繁，混凝土表面蒸发大，因此高寒区混凝土坝表面有无保温防护、高温季节浇筑有无通水冷却，浇筑混凝土季节等因素，均影响混凝土温度场和应力场时空分布及变化趋势。目前各混凝土坝温度监测数据相对稳定和有规律性，容易直接总结温度场时空分布及变化规律；而很多混凝土坝的应力应变监测数据起伏较大，异常数据多，混凝土坝的应力还受混凝土坝体型和承受荷载有关，需要结合温度监测数据和大坝受力特点，才能综合分析应力应变场主要分布及规律趋势。