碾压混凝土坝陡坡坝段施工期温控防裂研究

邢坦 胡文才 王振红

摘 要：与常态混凝土坝相比，碾压混凝土坝温控防裂措施相对简单，但在气候干燥、温差较大和太阳辐射强的西藏高海拔地区建设碾压混凝土坝将面临着较大的温控压力。针对这一问题，把常态混凝土坝温控防裂的思路和方法应用于碾压混凝土坝的温控防裂，经过方案的优化组合和仿真计算，得到适合高海拔地区大坝施工期温控防裂的目的。该方法以西藏地区某陡坡坝段为例，用三维有限单元法研究其温控情况，筛选出实时合理的温控防裂措施，实际应用效果良好。该方法和措施对类似地区同类工程的建设具有重要指导意义。

关键词：重力坝;碾压混凝土;温控防裂;浇筑温度;水管冷却

中图分类号：TV315 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.028

Abstract：Compared to the normal concrete dam， temperature control methods for cracking prevention of roller compacted concrete （RCC） dam are quite simpler， however， great challenges still exist for the dam construction in Tibetan area with high altitude， dry climate， large daily temperature difference and intense solar radiation. Based on the temperature control methods applied for normal concrete dams， an optimized temperature control and cracking prevention for RCC dams at high altitude areas was proposed. A steep slope dam segment in Tibet was taken as an example to verify the optimized method. Three-dimensional finite element method was employed to investigate the cracking sensitivities of dam segment under different temperature control methods and suitable temperature control measures were recommended and applied for actual dam construction. The effectiveness of these methods had been confirmed by the on-site inspection. The method and measures have important guiding significance for the similar projects in similar areas.

Key words： gravity dam; roller compacted concrete; temperature control and crack prevention; casting temperature; water pipe cooling

1 前 言

从美国的胡佛大坝开始，如何防止混凝土坝裂缝的产生已受到工程建设者的重视，并做了大量工作防止裂缝产生，特别是防止温度裂缝的产生[1-2]，取得了不少成就[3-6]，胡佛大坝的水管冷却技术至今仍然被广泛应用。但到目前为止，国内外的混凝土坝依然会或多或少地产生裂缝[7-9]，危害性裂缝影响结构的承载力、防水性、耐久性和使用寿命，而且裂缝的处理将是一件既费时又耗资的事。施工前做好混凝土裂缝的预防对于确保工程质量非常重要[10-11]。

随着科学技术的发展，碾压混凝土坝越来越被广泛采用，因其良好的性能和经济的投资得到了大家的青睐[12-14]。随着工程建设者要求的提高，碾压混凝土中水泥掺量越来越多，掺合料也越来越多，不同部位的混凝土配合比差距比较明显，而简单的施工方法和简化的温控措施是建设者所期望的。在高海拔地区筑坝面临恶劣的自然环境、多样的气候条件和艰苦的施工环境[15]，仿真计算的温度边界条件与内地工程有所不同，其温控措施和标准将不仅局限于“简化温控措施”，需要更加合理、灵活的温控措施来指导施工。鉴于此，笔者以高原地区街需碾压混凝土坝陡坡段为研究对象，研究其施工阶段为避免裂缝产生所需的温控防裂措施和标准，特别是在通水冷卻方面。

2 碾压混凝土坝陡坡段温控方案研究

2.1 工程概况

街需水电站是雅鲁藏布江中游桑日县至加查县峡谷段的第3级电站，工程的开发任务为发电，水库正常蓄水位为3 374 m，相应库容为4 748万m3，调节库容为985万m3。电站装机容量为560 MW，保证出力152 MW，多年平均发电量为27.556亿kW·h。水电站大坝为混凝土重力坝，最大坝高117.0 m，最大底宽99.8 m，坝体混凝土总方量约164万m3。大坝位于高海拔地区，气候干燥，日温差大，太阳辐射强，大坝结构复杂，全年施工，施工条件复杂，温控防裂难度大。根据大坝混凝土配合比，试验得出的混凝土热力学性能参数见表1。

2.2 计算模型

建立模型时，为了反映环境气温的影响，混凝土结构表面单元划分相对密些，在高度方向，单元厚度设置考虑浇筑层厚。温度场计算时，地基底面、四周和坝体侧面设置为绝热边界，坝体顶面、上下游面和浇筑层面为第三类边界条件，考虑太阳辐射的影响。应力场计算时，地基底面视为固定，四周侧面设置为连杆支撑，其他边界面均为自由变形面。网格剖分时采用空间六面体等参单元模型。计算模型和特征点布置如图1所示。

2.3 计算方案

碾压混凝土大坝的施工措施和常态混凝土大坝有所不同，温控防裂措施也略有差别。为了防止混凝土温度裂缝产生，更好地保证工程质量，结合工程实际情况，优选合理的温控防裂措施。控制浇筑温度、进行通水冷却是大体积混凝土常用的温控防裂方法，具有很好的温控效果，但是过犹不及，措施过度也会产生负面影响。鉴于此，结合大坝的基本特征，从浇筑温度、冷却方式、水管布置形式、冷却水温、目标温度等方面进行组合，筛选最优方案。在初拟方案的基础上，这里又列出了4个方案进行对比分析，见表2。

2.3.1 增加中期冷却和加密水管

增设中期冷却和加密基础约束区冷却水管对坝体混凝土温度和应力有重要影响。方案1和方案2比较发现，两个方案的差异在于有无中冷和基础强约束区水管间距不同。从表3和图2～图5可知：

（1）只进行初期通水可以削减温度峰值，但是通水过后混凝土会有较大的温度反弹，基础约束区温升达到0.5 ℃;初期冷却结束后，混凝土内部温度自然降低，降温缓慢;碾压混凝土重力坝施工期通水冷却时间短，在施工期不会达到稳定温度，在给定准确温度边界条件下，仿真计算最后一步结果达到稳定温度场。

（2）温度和应力的中面包络图显示，夏季强约束区浇筑混凝土，温控措施严格，最高温度基本在控制范围内，温控措施相对宽松的非约束区混凝土最高温度相对较高;由于是陡坡坝段，斜坡上的约束强、范围较大，因此其应力值和范围也偏大。

（3）早期降温幅度小，应力较小，安全系数较大;后期降低到稳定温度场时，混凝土的应力超过运行拉应力，最大应力达到2.09 MPa，安全系数只有1.34，存在较大开裂可能。

（4）减小水管间距，对最高温度影响较大，水管间距由1.5 m×1.5 m变为1.5 m×1.0 m后，基础约束区最高温度由27.19 ℃变为25.98 ℃，降低了1.21 ℃。

（5）增加中期冷却，降低了后期的温降幅度，减小了后期应力。不设中冷时，强约束区最大应力为2.09 MPa，安全系数只有1.34，增加中期冷却后，强约束区最大应力降低为1.54 MPa，安全系数增大到1.82。虽然早期应力有所增大，但依然在允许应力范围内，安全系数大于2。

可见，对碾压混凝土而言，降低最高温度、缩小基础温差、尽早冷却能达到较好的温控效果。

2.3.2 降低浇筑温度

不同浇筑温度对陡坡坝体温度应力有重要影响。从表4和图6、图7可知：

（1）当强约束区浇筑层厚1.5 m，夏季浇筑的强约束区混凝土浇筑温度分别为15、13 ℃时，浇筑温度每降低2 ℃，坝体混凝土最高温度降低约1.13 ℃，最大应力相应降低0.06～0.07 MPa，抗裂安全系数分别为1.82和1.89。

（2）在相同的温控措施下，浇筑温度降低引起最高温度降低，使得混凝土整体应力降低，安全系数升高。

2.3.3 控制降温速率

考虑到早期降温过快会导致早期应力增大，对早期温降过程进行控制，研究其对温度和应力的影响效果。1#特征点在3 284 m高程处，下同。从表5和图8、图9可知：

（1）将中冷水温由12 ℃升高到15 ℃，目标温度由15 ℃调整为16 ℃时，浇筑仓内最高温度不受影响，强约束区最高温度基本为24.85 ℃

（2）早期最大顺河向应力由0.73 MPa降低到0.56 MPa，安全系数由2.56增大到3.33;后期最大顺河向应力由1.48 MPa增大到1.56 MPa，安全系数由1.89降低到1.79。

2.3.4 增大水管间距

在方案3满足温控防裂的基础上，探讨经济合理的温控措施。从放宽冷却水管间距角度出发，研究其对坝体混凝土温度和温度应力场的影响。由表6和图10、图11可知：将水管间距由1.5 m×1.0 m改为1.5 m×1.5 m时，混凝土内最高温度由24.85 ℃升高到26.05 ℃，相差1.2 ℃;最大顺河向应力由1.48 MPa增大到1.61 MPa，安全系数由1.89降低到1.74。

3 陡坡坝段温控措施和标准

施工期的混凝土温度发展，不仅要防止温度过高，也要防止温度过低影响混凝土材料性能，在时间上要控制其发展过程，避免过快的温降速率产生较大的冷缩现象。同时，空间上也要防止较大的温度梯度发生，避免因温度变化不协调而相互约束产生裂缝。根据计算结果，在空间上也根据约束情况进行了相应分区，不同的分区采用不同的温控标准和措施，既满足防裂需求，又经济合理。陡坡坝段溫控措施空间分布模式如图12所示。

3.1 允许浇筑温度

根据大坝碾压混凝土的材料参数性能，混凝土浇筑温度设定为（月平均气温+3） ℃，但冬季不得低于6 ℃，夏季强约束不高于13 ℃，弱约束区不高于14 ℃，自由区不高于16 ℃，运行浇筑温度情况见表7。

3.2 水管冷却模式

（1）水管布置。大坝基础强约束区水管布置为1.5 m×1.5 m（水平×竖直）方式，弱约束区和自由区混凝土水管布置为1.5 m×2.0 m（水平×竖直）。

（2）一期冷却。混凝土下料浇筑即可开始一期通水冷却，冷却时间20 d左右。前10 d水温为10～12 ℃，流量为1.5～2.5 m3/h，11～20 d水温为12 ℃，流量为0.8～1.2 m3/h。每24 d改变一次通水方向，同时要求最高温度峰值过后最大日降温速率≤0.5 ℃/d，通水温度与混凝土温度相差不大于20 ℃。

一期冷却控温的目标是削减混凝土温度峰值，混凝土最高温度应满足要求，一期冷却结束时混凝土温度在20 ℃左右，一冷降温幅度不大于8 ℃。一冷结束后进行控温，控温时间为30～60 d。

（3）中期冷却。为了防止一期冷却结束后混凝土温度回升，减小后期的温降，实现混凝土“小温差、慢冷却、早保护”的温控理念，一冷结束后应进行必要的控温，高温季节浇筑的混凝土入冬前进行必要的大面积中期降温。

中期通水水温为12～15 ℃，通水流量为0.6～1.0 m3/h，最大日降温速率≤0.3 ℃/d，保持混凝土温度缓慢降到15～16 ℃。

通水水温与混凝土内部温度之差不超过15 ℃。中期通水前通过闷温测出坝体温度，复核并保证通水水温满足水温与混凝土的温差要求。

3.3 最高温度控制

考虑碾压混凝土的一般温控措施和有限元三维仿真计算结果，并结合工程实际情况，拟定允许最高温度见表8。

4 结 语

（1）重力坝的陡坡坝段基础约束面大，坝体受地基约束明显，再加上现在的碾压混凝土水泥和掺和料越来越多，混凝土温度越来越高，温升越来越快，温控措施应更为严格。冷却水管、控制浇筑温度是防止裂缝产生的重要手段，通过加密冷却水管和降低浇筑温度可以很好地降低基础温差。

（2）不同于传统的通水冷却降温方式，中期冷却可防止混凝土温度反弹，降低后期温降幅度，减小温降应力，使得“小温差、慢冷却、早保护”的温控理念在碾压混凝土坝中实现。

（3）对高原地区的街需碾压混凝土坝陡坡段进行温控研究，应结合工程实际进行跟踪反馈，以期对类似工程发挥更好的参考价值。

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【责任编辑 张 帅】