高溫季節(jié)碾壓混凝土壩強約束區(qū)溫控防裂方案研究

強 晟 張勇強 鐘谷良 練松濤 苗孝哲

（1.河海大學 水利水電學院，南京 210098；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610000；3.中國水利水電第四工程局有限公司，西寧 810000；4.中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州 450000）

1 碾壓混凝土壩開裂機理

同普通混凝土相比，碾壓混亂凝土含有大量的粉煤灰且水泥用量少，因此絕熱溫升相對較低，有利于溫控防裂.但大量工程實踐表明，碾壓混凝土壩仍不時有溫度裂縫的出現(xiàn)，給大壩的安全運行留下了隱患.

碾壓混凝土壩產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因是在受約束的條件下，溫度拉應力超過了混凝土允許抗拉強度.大多數(shù)溫度裂縫都是表面裂縫，其產(chǎn)生的原因多為內(nèi)外溫差、基礎溫差或上下層溫差過大［1］.一方面，碾壓混凝土壩通常采取薄層鋪筑、薄層碾壓、快速上升的澆筑方式，澆筑層面散熱很少；另一方面，碾壓混凝土由于摻入了大量的粉煤灰，有延遲發(fā)熱的特性，后期水化熱溫升比較高.高溫季節(jié)施工時，若不能采取降低澆筑溫度、埋設冷卻水管等溫控措施，壩體內(nèi)部將在澆筑后較長一段時間里處于高溫狀態(tài)［2］，而壩體表面受外界氣溫變化影響從而產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，容易導致裂縫的產(chǎn)生.

碾壓混凝土常見的防裂方法主要有:表面保溫、內(nèi)部通冷卻水管、降低澆筑溫度、合理分縫、選擇低熱水泥、設置后澆帶等.考慮到結(jié)構(gòu)整體性要求、施工難度及費用，壩體混凝土防裂的主要方法是在一定澆筑溫度及分縫分塊數(shù)量的情況下，采取表面保溫和內(nèi)部通水冷卻措施［3－7］.各種溫控措施都有自己的局限性，如使用不合理，不僅達不到防裂效果，甚至會促成壩體裂縫產(chǎn)生.針對此問題，采用含冷卻水管的非穩(wěn)定溫度場和應力場的有限元方法對我國西部某碾壓混凝土壩12號壩段強約束區(qū)夏季施工進行了仿真計算，在分析裂縫機理的基礎上提出了相應的防裂方法.

2 工程實例資料

某碾壓混凝土壩最大壩高168.0m，最大壩底寬153.2m，壩頂軸線長516.0m.共包括24個壩段，從左至右分別布置左岸擋水壩段（1號～9號壩段）、左側(cè)中孔10號壩段、河床溢流壩段（11號～14號）、右側(cè)中孔15號壩段、右岸擋水壩段（16號～24號壩段）組成.其中碾壓混凝土的導熱系數(shù)為8.31［kJ／（m·h·℃）］，導溫系數(shù)為0.0031［m2／h］，比熱為1.00［kJ／（kg·℃）］，熱脹系數(shù)為7.14［10－6／℃］，絕熱溫升終值為23℃.28d抗拉強度為1.46MPa，28d彈性模量為28.4GPa.

壩址氣溫多年月平均氣溫變化計算擬合公式

式中，t為月份.本文以12號壩段基礎強約束區(qū)作為仿真計算對象，該壩段起始施工時間為6月1日，澆筑層厚為3m.

3 計算模型及結(jié)果分析

3.1 計算模型及仿真工況

圖1為12號壩段的計算網(wǎng)格，壩段寬度21.5m，壩底沿上下游方向長度153.0m.含冷卻水管的網(wǎng)格單元總數(shù)為71588個，節(jié)點總數(shù)為81836個.熱交換系數(shù)在混凝土表面未覆蓋保溫被時取35.0kJ／（m2·h·℃），覆蓋一層保溫被時取12.5kJ／（m2·h·℃）.澆筑溫度取為17℃.采用內(nèi)徑28mm、外徑32mm的HDPE冷卻水管，水管層距×間距:1.5m×1.5m.

本次計算選取3個特征斷面和6個特征點，位置如圖2、3所示.其中，特征斷面A與特征倉面相距1.5m，特征點T6是與T2點相對應的與13號壩段相鄰的側(cè)表面點.

工況1:氣溫變化按多年平均并結(jié)合壩區(qū)近年氣溫擬合，計算中晝夜溫差取已有實測資料最大值18.0℃；澆筑結(jié)束30d內(nèi)考慮晝夜溫差的影響，風速取當?shù)囟嗄暝缕骄L速.鋪筑層厚0.3m，鋪筑時間6 h，每一升程3.0m，間歇10.0d，倉面間歇期前7d覆蓋一層大壩保溫被，上下游面和左右岸側(cè)面均未保溫.水管冷卻過程:每一升程澆筑完成后1d開始通水，通水28d；起始通水流速0.6m／s，流量1.33m3／h，水管進口水溫12.0℃；通水過程一天換向一次，保持流速和流量不變.

工況2:晝夜溫差取近年已有實測資料平均值11.0℃.其余同工況1.

工況3:倉面在全間歇期間覆蓋一層2.0cm厚大壩保溫被，上下游表面和側(cè)表面在模板外貼3.5cm厚聚乙稀苯板，拆模后齡期10d內(nèi)覆蓋一層大壩保溫被.其余同工況1.

工況4:側(cè)表面保溫至齡期27d（假設13號壩段施工倉面準備需要3d）.水管冷卻過程:通水14d后進口水溫改為19.0℃.其余同工況3.

3.2 計算結(jié)果分析

現(xiàn)場實際的晝夜溫差一般在11.0℃左右.晝夜溫差對壩體的影響只限于壩體表層，對內(nèi)部溫度基本沒有影響，因此這里只針對工況2表面點的溫度和應力與工況1進行對比分析.在工況2時倉面T1點在保溫和不保溫時的溫度波動幅度分別為1.6℃和3.1℃左右（如圖4所示），明顯小于工況1；與此對應的澆筑早期應力及波動幅度也有所減小，拉應力均小于允許抗拉強度.

從工況3的計算結(jié)果可知，延長保溫時間后，倉面T1點應力得到了有效控制（如圖5所示）.T1點齡期前7d的溫度與應力值基本相同；從齡期7d到齡期10d，工況3的波動幅度要明顯變小，應力值小于允許抗拉強度.

表面保溫對減小早期表面拉應力十分有效，盡管氣溫波動幅度的取值是可能的最大值，上游表面T4點和側(cè)表面T6點的應力值在保溫期間（齡期前10d）基本小于允許抗拉強度（如圖6所示）.

在齡期10.5d，T4和T6點均出現(xiàn)應力值突增，這是因為保溫被拆除時混凝土表面溫度與外界氣溫差值較大.保溫被拆除后，T6點日間拉應力仍大于或接近允許抗拉強度，因此應盡可能的延長保溫時間，建議在施工期不拆除保溫被.工況3中各特征點應力值均得到了有效地控制，說明在采取工況3的溫控措施的情況下，產(chǎn)生裂縫的風險較小.

由工況4計算結(jié)果可知，通水14.0d后將進口水溫從初始的12.0℃提高到19.0℃，內(nèi)部T2和T3點的溫度下降速度明顯減緩，通水結(jié)束后的溫度分別由工況1的22.40℃和22.80℃增加到工況4的24.96℃和25.39℃（如圖7～8所示）.與溫度的增加相對應，內(nèi)部點早期應力峰值分別由0.75MPa和0.56 MPa減小到0.33MPa和0.39MPa.工況4后期溫度穩(wěn)定值偏高（25.0℃左右），因可以將通12℃冷卻水的時間延長至齡期20d.

工況4側(cè)表面T6點應力值在表面保溫期間完全控制在允許值以下，最小安全系數(shù)從1.05增加到2.08（如圖9所示），開裂風險較??；在齡期27d到30 d（13號壩段倉面準備期間），應力值波動幅度增大，拉應力略有超過允許值，因此在這個階段還需要嚴格注意加強側(cè)表面的保溫.

4 結(jié) 論

1）現(xiàn)場近年實測氣溫表明，夏季一般晝夜溫差是11.0℃左右，而有時候會達到18.0℃，表面保溫應考慮較危險的情況.且由于澆筑溫度低，夏季熱量倒灌現(xiàn)象比較明顯，保溫工作比較重要.

2）由施工期長期保溫工況和短期保溫工況（保溫7d以下）的計算結(jié)果對比，夏季施工長期保溫工況的倉面和上下游面表面應力均控制較好，小于允許抗拉強度，特別是側(cè)表面應力值的最小安全系數(shù)從短期保溫拆模后的1.05增加到長期保溫工況的2.08，大大減小開裂風險.

3）隨著大量混凝土開始澆筑，現(xiàn)場低溫水供應量可能出現(xiàn)短缺，經(jīng)過對比始終采用12℃水與通水后期采用19℃水進行冷卻得出，在通水后期可以將進口水溫提高到19℃.這樣操作后混凝土內(nèi)部兩個特征點早期應力峰值分別由0.75MPa和0.56MPa減小到0.33MPa和0.39MPa，內(nèi)部防裂安全度進一步增加，一舉兩得.

4）壩體上游碾壓混凝土和下游變態(tài)混凝土的絕熱溫升較高，并易受到外界高氣溫影響，建議加密這兩個部位的水管布置.比如靠近上下游臨空面5.0m范圍內(nèi)的水管平距從1.5m改成1.0m，進一步降低溫度峰值，并將水管到臨空面的距離減小為0.8m.

［1］張國新，劉有志，劉 毅，等.特高拱壩施工期裂縫成因分析與溫控防裂措施討論［J］.水力發(fā)電學報，2010，29（5）:45－51.

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