高溫地區(qū)碾壓混凝土重力壩的施工期溫度裂縫控制

謝祥明，郭 磊

(1. 河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院，南京 210098；2. 華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，鄭州 450011)

我國云南西南部低海拔地區(qū)高氣溫時(shí)間較長，往往每年可達(dá)到8～9 個(gè)月，碾壓混凝土壩面臨高氣溫條件下施工的技術(shù)難題，尤其是大壩溫控防裂的問題，具有它的特殊性．已有的工程實(shí)踐表明，高溫氣候地區(qū)碾壓混凝土壩施工期溫度裂縫普遍存在，這無疑對大壩的正常運(yùn)行和耐久性會產(chǎn)生不同程度的影響，如果無法解決高溫條件下碾壓混凝土連續(xù)快速施工時(shí)的溫控問題，就無法實(shí)現(xiàn)大壩全年連續(xù)快速施工和縮短工期帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益的目的，甚至還可能造成碾壓混凝土壩在該地區(qū)無法適用的問題．因此，在高溫氣候下碾壓混凝土連續(xù)快速施工時(shí)的溫控措施是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一．

筆者依托某一位于我國西南常年高溫氣候地區(qū)的碾壓混凝土重力壩項(xiàng)目，就高溫氣候地區(qū)如何進(jìn)行溫度裂縫控制，實(shí)現(xiàn)壩體混凝土的全年快速連續(xù)施工進(jìn)行了深入分析研究．考慮到高溫條件下，通過控制混凝土澆筑溫度來實(shí)現(xiàn)溫控防裂的目的，需要很高的經(jīng)濟(jì)成本且實(shí)施難度很大，故采用經(jīng)濟(jì)的較高混凝土澆筑溫度(高溫季節(jié)混凝土澆筑溫度放寬至30,℃)進(jìn)行全年連續(xù)快速施工．而由較高澆筑溫度和快速施工所帶來的復(fù)雜的混凝土溫度裂縫問題和防裂力度的缺陷，則依靠優(yōu)化壩體混凝土中水泥的水化放熱過程及選用施工期合適的表面保溫和內(nèi)部水管降溫的工程措施進(jìn)行補(bǔ)償．研究成果在某大壩建設(shè)中得到了成功的應(yīng)用，大壩主體混凝土施工期為20 個(gè)月，施工期溫度裂縫得到有效控制．工程蓄水發(fā)電至今已達(dá)2 年半，沒有發(fā)現(xiàn)溫度裂縫的出現(xiàn)．氣溫很低的話，壩體強(qiáng)約束區(qū)混凝土表面最大拉應(yīng)力可能會超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度，存在開裂可能性．建議在施工期外界氣溫較低的季節(jié)或遭遇寒潮溫度驟降時(shí)，在已澆筑混凝土表面采用合適的保溫措施，防止過大的內(nèi)外溫差造成壩體混凝土表面開裂．

后期裂縫的出現(xiàn)主要是由于內(nèi)部溫降和外在約束，其表現(xiàn)形式往往為“由里及表”型．混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后溫度將緩慢降低，早期的壓應(yīng)力將逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，越到后期溫降幅度越大，溫縮變形也就越大，混凝土內(nèi)部后期的拉應(yīng)力也越大．因此，后期若出現(xiàn)裂縫的話，其啟裂點(diǎn)通常位于混凝土內(nèi)部．

在大壩混凝土工程中，相對其他部位，壩體強(qiáng)約束區(qū)混凝土是防裂難度最大的部位．該部位由于直接澆筑于巖基之上，受到巖基的強(qiáng)約束作用，且無論沿壩軸線方向還是沿上下游方向壩體的約束長度都相當(dāng)長，因此，無論是早期還是后期，都容易出現(xiàn)裂縫．

1 碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)溫度裂縫機(jī)理

混凝土溫度裂縫的發(fā)生發(fā)展，不僅和混凝土澆筑塊的溫度、混凝土的強(qiáng)度、澆筑質(zhì)量、環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)形式和混凝土塊尺寸等有關(guān)，也與混凝土塊在施工過程中所處的位置、拆模時(shí)間等密切相關(guān)．根據(jù)溫度裂縫出現(xiàn)的時(shí)間來分，主要可分為早期裂縫、施工期第1 個(gè)冬季時(shí)裂縫和后期裂縫3 類．

早期出現(xiàn)的混凝土裂縫多數(shù)發(fā)生在澆筑初期10 d 以內(nèi)．一般來講，裂縫的表現(xiàn)形式是 “由表及里” 型，啟裂點(diǎn)往往位于混凝土的表面．開裂的主要原因是內(nèi)外溫差：內(nèi)部溫度溫升幅度大的混凝土膨脹變形受到外部混凝土的約束，在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力．內(nèi)外溫差越大，早期表面拉應(yīng)力越大，表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)也越大．當(dāng)表面裂縫出現(xiàn)后，很可能向縱深發(fā)展，最終形成貫穿性裂縫或深層裂縫．混凝土澆筑后如果沒有采用合適的溫控措施，壩體強(qiáng)約束區(qū)混凝土表面最大拉應(yīng)力可能會超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度，存在開裂的可能性．因此，在施工早期應(yīng)特別注意混凝土表面的防裂工作．

施工期第1個(gè)冬季出現(xiàn)的混凝土裂縫和早期裂縫形式一樣，同樣是 “由表及里”型，啟裂點(diǎn)也往往位于混凝土的表面．在施工期的第1 個(gè)冬季，如果外界

2 施工期溫度裂縫控制方法

2.1 水泥水化放熱特性試驗(yàn)

減水劑的加入，尤其是具有緩凝性能減水劑的加入，能改變水泥水化放熱曲線[1]．緩凝組分及其含量的不同對水泥水化放熱曲線有顯著影響．針對上述特點(diǎn)，配置了一種新緩凝高效減水劑，它能削去水化熱峰值且實(shí)現(xiàn)雙峰型或多峰型水化放熱特性，水化熱半熟齡期可由普通緩凝高效減水劑的1.5,d 延長至5.5,d．該緩凝高效減水劑以萘系磺酸鹽或聚羧酸為減水劑母體，配制予改性木質(zhì)素磺酸鈣、葡萄糖酸鈉、蔗糖復(fù)合緩凝組分，以合理的比例摻入．其中，葡萄糖酸鈉可有效延長混凝土初凝時(shí)間，蔗糖可有效延長混凝土的終凝時(shí)間，改性木質(zhì)素磺酸鈣不僅可延長混凝土初、終凝時(shí)間，可適量引氣，其特有的木質(zhì)素大分子還能改善混凝土和易性．

采用42.5 中熱礦渣水泥和二級普通粉煤灰，進(jìn)行了純水泥、70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下相同)水泥＋30%粉煤灰、70%水泥＋30%粉煤灰＋外摻0.6%普通緩凝高效減水劑(FDN-Ⅱ)和70%水泥＋30%粉煤灰＋外摻0.6%新緩凝高效減水劑4 種條件下水化放熱特性的試驗(yàn)研究．不同外加劑對膠材水化放熱有顯著影響．結(jié)果表明，純水泥水化熱峰值為28,℃，而外摻新緩凝高效減水劑的水化熱峰值為23.2,℃，削峰率達(dá)到17%，且出現(xiàn)了雙峰值放熱．在表1 中，摻普通緩凝高效減水劑 FDN- Ⅱ7,d 齡期的水化熱為222.50,kJ/kg，水化熱半熟齡期為1.24,d，而外摻新緩凝高效減水劑7,d 齡期的水化熱為130.74,kJ/kg，水化熱半熟齡期為5.39,d，比前者延長了4.15,d．

表1 不同外加劑對水化放熱的影響Tab.1 Effect of admixtures on hydration heat

按表2 配合比配置混凝土(采用3 級配天然骨料)，混凝土起始溫度為20,℃，混凝土絕熱溫升見表3，混凝土絕熱溫升θ的擬合表達(dá)式如下：編號A 為θ(τ)＝24τ/(1.12＋τ)；編號B 為θ(τ)＝24τ/(5.39＋τ)；編號C 為θ(τ)＝24τ/(1.24＋τ)；τ為混凝土齡期，d．外摻新緩凝高效減水劑混凝土7,d 齡期絕熱溫升為13.45,℃，外摻普通緩凝高效減水劑(FDN-Ⅱ)混凝土7,d 齡期絕熱溫升為20.75,℃，比前者高7.30,℃；28,d齡期兩者的絕熱溫升基本相同，說明前者絕熱溫升具有延遲性，后者水化放熱集中在早期．

表3 不同外加劑對混凝土絕熱溫升的影響Tab.3 Effect of admixtures on adiabatic temperature rise of concrete

2.2 水泥水化放熱過程優(yōu)化及對通水冷卻降溫的影響

混凝土壩等水工大體積混凝土利用埋設(shè)在混凝土內(nèi)部的水管通水冷卻散熱都需要一個(gè)時(shí)間過程，若混凝土水化反應(yīng)速度太快，半熟齡期[2]太短，混凝土絕熱溫升和彈性模量上升太快，在表面散熱和水管冷卻充分發(fā)揮作用之前，混凝土內(nèi)部溫度已經(jīng)很高，形成了較大水化熱溫升，冷卻之后，溫度應(yīng)力較大；反之，如果混凝土水化反應(yīng)速度慢，半熟齡期長，混凝土絕熱溫升和彈性模量發(fā)展較慢，有充分時(shí)間讓表面散熱和水管冷卻發(fā)揮作用，混凝土內(nèi)部的最高溫度和冷卻過程中的拉應(yīng)力都比較小，對于混凝土防裂比較有利．筆者采用的緩凝高效減水劑具有的水化放熱延遲性、多峰性能，可使混凝土通水冷卻溫控措施發(fā)揮更佳的效果，對大體積混凝土的溫控防裂具有重要的作用．

圖1為10,m×10,m×10,m 混凝土澆筑塊中心點(diǎn)溫度變化過程，澆筑溫度20,℃，混凝土澆筑后進(jìn)行水管通水冷卻，歷時(shí)20,d．由圖1 可知，兩種不同配合比的混凝土在絕熱溫升終值相同的情況下，由于半熟齡期不同，出現(xiàn)的最高溫度分別為28.8,℃和33.1,℃，相差了4.3,℃，而后期的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度基本相同，這對混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的控制十分有利．可見，通過優(yōu)化混凝土的水化放熱過程曲線，能充分發(fā)揮水管通水冷卻的削減溫度峰值的作用，有效地控制混凝土結(jié)構(gòu)溫升幅度，達(dá)到降低混凝土最高溫度的目的．

圖1 澆筑塊中心點(diǎn)溫度的變化過程Fig.1 Temperature change at central point of pouring block

2.3 表面適度保溫

圖2和圖3 為寒潮期間不同厚度草墊保溫時(shí)混凝土內(nèi)外溫差和表面拉應(yīng)力情況．由圖可知，草墊厚度增加，混凝土內(nèi)外溫差減小，致使表面拉應(yīng)力也隨之減小，可見表面保溫對減少表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生是很有效的，保溫效果與保溫材料的厚度有關(guān)．

圖2 表面保溫與混凝土內(nèi)外溫差的關(guān)系Fig.2 Temperature differences of internal and external in Fig.2 terms of concrete surface insulation

圖3 表面保溫與混凝土表面拉應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Tensile stress of concrete surface in terms of concrete Fig.3 surface insulation

2.4 內(nèi)部水管通水冷卻

圖4為不同冷卻方式下尺寸為30,m×12,m×6,m混凝土塊中心點(diǎn)(也是距水管最遠(yuǎn)點(diǎn))溫度變化過程，澆筑溫度為20.0,℃，絕熱溫升為32.0τ/(0.996＋τ)℃．從圖上來看，自然冷卻條件下，典型點(diǎn)的最高溫度達(dá)到45.0,℃，混凝土塊的冷卻速度十分緩慢；水管冷卻作用下，典型點(diǎn)的最高溫度僅為37.0,℃，混凝土塊冷卻速度比較快，在14 d 通水結(jié)束時(shí)該點(diǎn)溫度就降為27.0,℃，而自然冷卻條件下其溫度卻保持在44.0,℃左右，可見水管冷卻效果十分顯著．

圖4 不同冷卻方式下典型點(diǎn)溫度變化過程Fig.4 Temperature curves of feature points with different cooling methods

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某碾壓混凝土壩最大壩高87,m，壩頂寬15.4,m，共分9 個(gè)壩段，溢流壩段布置于河床中部．以6#溢流壩段作為研究對象，計(jì)算域壩基范圍為：在壩踵上游和壩趾下游各約取1.5 倍最大壩寬90,m，地基深度也取90,m．具體的材料分區(qū)如圖5 所示．采用六面體八節(jié)點(diǎn)等參單元，考慮壩體內(nèi)溫度變化的梯度情況，在靠近壩體上下游區(qū)域設(shè)置相對較薄的單元，然后向內(nèi)網(wǎng)格逐漸加大；同時(shí)為了模擬分層澆筑過程，澆筑面附近壩體單元在高度方向厚為0.3,m，沿壩軸線方向單元厚約為1.0,m；壩體混凝土214,m 高程以下分成2 塊澆筑的，在施工分縫處設(shè)置特定施工縱縫單元來模擬這種實(shí)際施工過程．有限元模型如圖6 所示．表4 為該壩段混凝土的澆筑過程．

圖5 溢流壩段的材料分區(qū)Fig.5 Material partitions for overflow section

圖6 溢流壩段竣工時(shí)刻的有限元網(wǎng)格Fig.6 Finite element mesh for completed overflow section

表4 溢流壩段混凝土澆筑情況Tab.4 Situation of overflow sections concrete pouring

3.2 計(jì)算條件

壩體荷載包括自重和施工期的溫度．溫度場計(jì)算邊界條件為：基巖底面及4 個(gè)側(cè)面為絕熱面，基巖頂面與大氣接觸的部分為第3 類散熱面；壩體上下游面及頂面為第3 類散熱面，2 個(gè)側(cè)面為絕熱面．應(yīng)力場計(jì)算邊界條件為：基巖底面3 向全約束，左右側(cè)面及上下游面為法向單向約束；壩體的4 個(gè)側(cè)面均為自由面．外界氣溫用余弦函數(shù)[1]表示為

式中：t為時(shí)間，月；θa為月平均溫度，℃．壩體混凝土和壩基巖體的熱力學(xué)參數(shù)列于表5．

表5 各種材料的主要熱力學(xué)參數(shù)Tab.5 Thermal parameters of materials

3.3 有限元計(jì)算原理

在混凝土計(jì)算域R內(nèi)任何一點(diǎn)處，不穩(wěn)定溫度場T 必須滿足熱傳導(dǎo)控制方程

式中：ρ為密度；θ為溫度；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；Q 為混凝土熱量釋放率．

溫度場有限元計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)[1]．

水管冷卻溫度場的仿真計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[3-4]，本文僅對水管沿程水溫增量的計(jì)算作簡要敘述．根據(jù)熱傳導(dǎo)定律和熱量平衡條件，可得水管沿程水溫的增量

式中：qw 、cw和ρw分別為冷卻水的流量、比熱容和密度；s為水管沿程面積；n為水管表面外法線方向距離．由于冷卻水的入口溫度已知，利用式(2)，對每一根冷卻水管沿水流方向可以逐段推求沿程管內(nèi)水體的溫度[5]．水管沿程水溫計(jì)算與溫度梯度 nθ? ? 有關(guān)，因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個(gè)邊界非線性問題，須采用迭代解法逐步逼近真解．

混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變增量{Δεn}常常包括彈性應(yīng)變增量 {Δ}、徐變應(yīng)變增量 {Δ}、溫度應(yīng)變增量 {Δ}、干縮應(yīng)變增量{Δ}和自生體積應(yīng)變增量 {Δ}，即

應(yīng)力場的有限元計(jì)算方法具體可見文獻(xiàn)[1,6-11]．

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

針對裂縫成因，采取相應(yīng)的溫控防裂措施：澆筑溫度按照施工方的澆筑溫度；混凝土澆筑過程中通水冷卻，水管采用塑料質(zhì)管，水管按照層距×間距＝1.50,m×1.00,m 布置，通水水溫22.5,℃，通水流量25,L/min，通水時(shí)間20,d；混凝土齡期前5,d 用1～2,cm 厚的泡沫塑料板(導(dǎo)熱系數(shù)0.16,kJ/(m·h·℃))進(jìn)行表面保溫．開始通水時(shí)間選擇原則是：若混凝土澆筑溫度高于管中水溫，則澆筑混凝土的同時(shí)就開始通水；若澆筑溫度低于冷卻水溫，則混凝土澆筑后等到它的溫升達(dá)到水管中的水溫時(shí)才開始通水．通水開始后，每隔1,d 換一次通水方向．

仿真計(jì)算結(jié)果如圖7～圖10 所示．從計(jì)算結(jié)果來看，壩體混凝土的高溫區(qū)位于壩體中間偏下，該部位混凝土在全年氣溫最高時(shí)澆筑，外界氣溫高且澆筑溫度也相對最高，同時(shí)位于壩體內(nèi)部，散熱途徑阻塞，熱量集聚形成高溫區(qū)；但是由于在澆筑后前20 d進(jìn)行通水冷卻，削減了很大一部分的混凝土水化反應(yīng)放熱產(chǎn)生的溫度升幅，雖然該部位混凝土澆筑溫度在32,℃左右，最高達(dá)到36,℃，但是混凝土出現(xiàn)的最高溫度也只有42,℃，可以說水管冷卻的削峰作用是十分顯著的．而在采取壩體內(nèi)部水管冷卻和早齡期表面保溫相結(jié)合的溫控措施下，混凝土的早期最大內(nèi)外溫差為11,℃左右，因此壩體混凝土表面拉應(yīng)力不大，為0.4,MPa，小于當(dāng)時(shí)的混凝土允許抗拉強(qiáng)度，壩體混凝土早期不會出現(xiàn)表面開裂的現(xiàn)象；進(jìn)入施工期的第1 個(gè)冬季，由于外界氣溫的降低(最低達(dá)到17,℃)，表面混凝土降溫冷縮受到內(nèi)部混凝土的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大達(dá)到1.6,MPa，但仍小于當(dāng)時(shí)混凝土的允許抗拉強(qiáng)度最大拉應(yīng)力；壩體內(nèi)部混凝土，早期表現(xiàn)為壓應(yīng)力，隨后溫度緩慢下降，拉應(yīng)力逐漸增大，混凝土澆筑后前90 d，應(yīng)力的變幅相對較大，100 d 拉應(yīng)力基本穩(wěn)定于1.4～1.6,MPa 之間，小于混凝土的即時(shí)允許抗拉強(qiáng)度1.76,MPa．因此，壩體強(qiáng)約束區(qū)混凝土無論在壩體內(nèi)部還是外部，施工期早期還是后期，其拉應(yīng)力均在允許抗拉強(qiáng)度以下，壩體混凝土一般不會出現(xiàn)溫度裂縫，這也說明了表面適度保溫和內(nèi)部水管冷卻相結(jié)合的防裂措施是有效、可靠的．

圖7 距巖基1.5 m處的典型點(diǎn)溫度歷時(shí)曲線Fig.7 Temperature curves of feature point 1.5 m from bedrock

圖8 距巖基1.5 m處的典型點(diǎn)應(yīng)力歷時(shí)曲線Fig.8 Stress curves of feature point 1.5 m from bedrock

圖9 壩體混凝土澆筑完成時(shí)溫度等值線(℃)Fig.9 Dam body temperature contour after pouring(℃)

圖10 壩體混凝土澆筑完成時(shí)應(yīng)力等值線(MPa)Fig.10 Dam body stress contour after pouring(MPa)

總之，在優(yōu)化混凝土中水泥的水化放熱過程曲線、表面適度保溫及內(nèi)部水管冷卻相結(jié)合控制溫度裂縫新思路的指導(dǎo)下，大壩實(shí)現(xiàn)了全年快速連續(xù)施工，縮短了工期，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組提前半年發(fā)電，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和地方社會效益；同時(shí)至今壩體未發(fā)現(xiàn)裂縫，提高了工程的耐久性和安全性，為建成優(yōu)質(zhì)大壩工程提供科技保障，對以后同類工程的施工和溫控防裂研究，具有很好的借鑒意義．

4 結(jié) 論

(1)壩體混凝土表面的應(yīng)力受到外界氣溫變化的影響很大：隨著外界氣溫的升高，拉應(yīng)力減??；外界氣溫降低，拉應(yīng)力增大．而采用表面適度保溫措施就可以很好地避免這種由于外界氣溫變化而引起表面拉應(yīng)力過大造成表面開裂的問題．

(2)冷卻水管具有削減溫度峰值和減小內(nèi)外溫差的雙重效果，且該防裂措施投入低、見效快，應(yīng)用前景廣闊，尤其在常年高溫干燥氣候地區(qū)，該方法具有更明顯的優(yōu)勢．由于在這種氣候條件下控制澆筑溫度成本高，且實(shí)現(xiàn)難度很大，而采用水管冷卻的壩體混凝土溫度和溫度應(yīng)力仿真計(jì)算來選用施工期適當(dāng)?shù)谋砻姹睾蛢?nèi)部降溫的工程措施進(jìn)行補(bǔ)償可以很好地解決這一問題．

(3)優(yōu)化混凝土中水泥的水化放熱過程曲線，調(diào)整混凝土的半熟齡期，能夠?yàn)閮?nèi)部水管通水冷卻降溫作用的發(fā)揮提供充足的時(shí)間，過去的研究沒有注意到這一方面，今后應(yīng)重視通過優(yōu)化水泥的水化放熱過程來改善混凝土的抗裂能力．

(4)高溫干燥地區(qū)進(jìn)行碾壓混凝土壩的施工，采用上述3 種施工期控制措施為主的綜合防裂方法，控制危害性溫度裂縫出現(xiàn)是應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)的．當(dāng)然，影響工程建設(shè)的因素眾多，如地質(zhì)條件復(fù)雜、氣候變化莫測、施工人為和隨機(jī)因素等，為了使工程安全可靠，很有必要在施工前對工程進(jìn)行多參數(shù)、多工況的仿真計(jì)算分析，篩選適時(shí)合理的溫控防裂措施．

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