藏木水電站大壩混凝土施工期溫控防裂標(biāo)準(zhǔn)與措施動態(tài)優(yōu)化分析

潘希強(qiáng)劉有志胡 平劉 玉

（1.華能西藏發(fā)電有限公司，西藏拉薩 850000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

藏木水電站大壩混凝土施工期溫控防裂標(biāo)準(zhǔn)與措施動態(tài)優(yōu)化分析

潘希強(qiáng)1，劉有志2，胡 平2，劉 玉2

（1.華能西藏發(fā)電有限公司，西藏拉薩 850000；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

為解決高海拔、大溫差高原地區(qū)混凝土壩的溫控防裂問題，對西藏地區(qū)建設(shè)的首座百米級混凝土重力壩大型水電工程施工期大壩混凝土防裂研究進(jìn)行總結(jié)和梳理?；诓啬舅姽こ檀髩问┕るA段現(xiàn)場監(jiān)測資料，采用全過程動態(tài)跟蹤反饋仿真分析技術(shù)，全過程反映大壩施工期的真實(shí)工作性態(tài)。根據(jù)仿真分析結(jié)果，對后期可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測，并對相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和措施進(jìn)行了動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。

混凝土壩；施工期；溫控防裂；反饋仿真分析；高海拔大溫差地區(qū)；藏木水電站

混凝土壩開裂是非常普遍的現(xiàn)象，有“無壩不裂”的說法。如何解決混凝土開裂問題一直是眾多國內(nèi)外學(xué)者長期關(guān)注的焦點(diǎn)，業(yè)內(nèi)多位學(xué)者的研究已取得一系列成果［1?6］。但是，針對高寒、高海拔大溫差地區(qū)的研究較為分散，進(jìn)行系統(tǒng)性研究的不多，也無相關(guān)規(guī)范與導(dǎo)則供借鑒。厲易生等［1］最早提出嚴(yán)寒地區(qū)拱壩應(yīng)通過加強(qiáng)表面保溫力度來減小溫度荷載，防止裂縫出現(xiàn)；朱伯芳等［4］系統(tǒng)闡述了表面保溫的具體方法，在保溫部位、保溫時(shí)長控制、保溫效果的計(jì)算方法等方面都提出了系統(tǒng)的建議和實(shí)施方案，認(rèn)為做好表面保溫有望實(shí)現(xiàn)結(jié)束“無壩不裂”的歷史；朱伯芳［6］提出在適當(dāng)提高安全系數(shù)、嚴(yán)格控制基礎(chǔ)溫差、做好早期表面保護(hù)的基礎(chǔ)上，再做好長期表面保護(hù)，就有可能防止施工期出現(xiàn)裂縫；侍克斌等［7］朱伯芳等［8］提出了寒冷地區(qū)長間歇越冬時(shí)的溫控防裂措施與方法；胡平等［9］結(jié)合拉西瓦拱壩在關(guān)鍵控制部位、關(guān)鍵控制時(shí)間段、分層厚度優(yōu)化及加快施工進(jìn)度等幾個(gè)方面開展了溫控防裂措施的系統(tǒng)研究，提出了大壩基礎(chǔ)約束區(qū)與非約束區(qū)混凝土的系統(tǒng)溫控措施；李舁等［10］、牛萬吉等［11］和楊晨光等［12］也曾就高寒地區(qū)的碾壓混凝土壩防裂問題開展了針對性研究。

藏木水電站位于西藏加查縣，大壩建基面高程為3198m，最大壩高116 m，是我國在西藏地區(qū)建設(shè)的第一座百米級混凝土重力壩。工程所在地具有氣候干燥、冬寒夏涼、年溫差小而日溫差大、年平均溫度低、低溫季節(jié)長且最低氣溫低、日照豐富而多大風(fēng)的基本特征。藏木水電站大壩這種特殊的氣候條件使得其在施工期需要采取的溫控防裂措施也更為特殊，溫控防裂工作需要更有針對性，如此才能保證大壩施工質(zhì)量。

以藏木水電站施工期監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，采用三維有限元仿真模擬分析與跟蹤反饋分析相結(jié)合的手段，對大壩進(jìn)行動態(tài)跟蹤反饋分析。通過對在高寒、高海拔地區(qū)施工的藏木水電站大壩的幾種典型開裂風(fēng)險(xiǎn)［13?15］進(jìn)行仿真模擬與預(yù)測分析，提出了施工期溫控優(yōu)化措施與建議。

1 基于實(shí)測資料的絕熱溫升參數(shù)反饋分析

大壩混凝土進(jìn)行溫控防裂設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的做法是依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)所獲取的熱力學(xué)參數(shù)和多年統(tǒng)計(jì)氣象資料，采用三維有限元仿真分析方法確定相關(guān)的溫控標(biāo)準(zhǔn)與措施；而在實(shí)際工程中，由于現(xiàn)場混凝土養(yǎng)護(hù)條件與室內(nèi)條件的差異，以及實(shí)際邊界條件的不確定性，施工過程中往往還需要根據(jù)現(xiàn)場的施工情況和監(jiān)測資料的反饋分析來對大壩的溫控標(biāo)準(zhǔn)與措施進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。筆者擬在研究溫度實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，對大壩混凝土絕熱溫升參數(shù)進(jìn)行反演分析，獲取與現(xiàn)場混凝土真實(shí)熱學(xué)性能相吻合的參數(shù)，以提高三維跟蹤仿真分析結(jié)果的可靠性。

1.1 現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果分析

以左岸8號壩段和右岸9號壩段的監(jiān)測資料為例進(jìn)行分析。對照《藏木大壩混凝土溫控技術(shù)要求（2012年3月）》［16］，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度出現(xiàn)了明顯的超標(biāo)現(xiàn)象，由表1可見，最多超標(biāo)達(dá)7.2℃（8號壩段下游第1倉）。

1.2 絕熱溫升參數(shù)反演分析

大壩混凝土基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度超標(biāo)意味著基礎(chǔ)溫差增大，這種最高溫度超標(biāo)的原因并不清楚，混凝土本身水化熱特性變化或者現(xiàn)場施工溫控措施與設(shè)計(jì)要求偏差均可以導(dǎo)致此現(xiàn)象。基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象后，原有的溫控措施能否還滿足后期的防裂安全控制需要進(jìn)一步分析。

選擇8號典型溢流壩段（含底孔）為計(jì)算模型，以現(xiàn)場混凝土材料試驗(yàn)資料、實(shí)際的澆筑時(shí)間和澆筑層厚、間歇時(shí)間等施工資料和實(shí)測氣象資料為計(jì)算參數(shù)，仿真計(jì)算壩體基礎(chǔ)約束區(qū)及非約束區(qū)混凝土的溫度變化，并以壩內(nèi)埋設(shè)的溫度計(jì)實(shí)測資料為依據(jù)，反演復(fù)核壩體混凝土的絕熱溫升參數(shù)。

針對藏木水電站大壩混凝土的絕熱溫升參數(shù)，利用遺傳算法［17］進(jìn)行了動態(tài)反演分析，結(jié)果表明大壩混凝土的實(shí)際絕熱溫升值為24.2℃，比室內(nèi)試驗(yàn)值21.5℃高出2.7℃。仿真計(jì)算得出的8號壩段4個(gè)典型倉混凝土的溫度過程線與實(shí)測溫度過程線基本一致（圖1），說明反演所得的混凝土絕熱溫升參數(shù)可以較真實(shí)地反映大壩混凝土的真實(shí)放熱特性。而溫度出現(xiàn)超標(biāo)的原因除了部分倉澆筑溫度超標(biāo)外，混凝土實(shí)際絕熱溫升特性與室內(nèi)試驗(yàn)值出現(xiàn)較大偏差也是另一個(gè)重要因素。

2 基于現(xiàn)場資料的溫度應(yīng)力仿真與措施優(yōu)化分析

按照實(shí)際澆筑進(jìn)度和施工狀況，基于現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測資料和反演參數(shù)，對大壩多個(gè)典型壩段的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行多次跟蹤仿真反饋分析［13?15］，進(jìn)而對施工期溫控措施進(jìn)行校核和優(yōu)化，提出了相關(guān)的建議與措施，并為工程施工所采納。為節(jié)省篇幅，這里僅選取幾個(gè)具有代表意義的問題進(jìn)行論述。

2.1 基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)二期冷卻同冷區(qū)高度優(yōu)化分析

本工程基礎(chǔ)約束區(qū)最高溫度超出了設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)，為保證二期冷卻時(shí)的工程安全，需要對設(shè)計(jì)溫控措施進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過方案比選，認(rèn)為適當(dāng)增加基礎(chǔ)約束區(qū)同冷區(qū)高度是較為合適且方便實(shí)施的方案。反饋仿真計(jì)算結(jié)果表明，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)第一批次同冷區(qū)高度如果仍然按12 m控制，溢流壩段上游段二期冷卻末期應(yīng)力將達(dá)到1.84MPa（圖2（a）），安全系數(shù)僅為1.4；而如果同冷區(qū)高度達(dá)到24m，最大應(yīng)力可控制在1.6 MPa以下（圖2（b）），安全系數(shù)提高至1.71，大幅度降低了二期冷卻末期的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)水管冷卻方式優(yōu)化分析

大壩施工過程中由于最高溫度超標(biāo)，基礎(chǔ)約束區(qū)同冷區(qū)高度由12 m改為24 m，這種冷卻方案的改變將導(dǎo)致工期延遲接近2個(gè)月，接縫灌漿進(jìn)度難以滿足按期蓄水要求，為此研究了將設(shè)計(jì)要求的混凝土開始二期冷卻最小齡期由120d提前至75d的可行性。

圖3中g(shù)k8?1為設(shè)計(jì)冷卻方案，同冷區(qū)高度為12m；gk8?7同冷區(qū)高度為24m的方案；gk8?8在工況gk8?7的基礎(chǔ)上總冷時(shí)間提前45 d；gk8?9則研究下部灌區(qū)二期冷卻與上部相鄰灌區(qū)中期冷卻同步的可行性。

如圖3（a）所示（特征點(diǎn)為上游段第3澆筑層距建基面4.0m處的中心點(diǎn)），同冷區(qū)高度為24m方案的應(yīng)力遠(yuǎn)小于12m方案的，但前者的不足之處是冷卻時(shí)間延長；gk8?8將中期冷卻開始齡期提前至45 d，二期冷卻開始齡期提前至75d，整個(gè)冷卻時(shí)間縮短45d。圖3（b）表明雖然二期冷卻末期最大應(yīng)力稍有增大，但仍小于允許拉應(yīng)力，可滿足設(shè)計(jì)抗裂要求。gk8?9的仿真結(jié)果表明，下部灌區(qū)二期冷卻與上部相鄰灌區(qū)中期冷卻同步進(jìn)行對大壩二期冷卻末期應(yīng)力和冷卻工期控制均無明顯益處。

由此可見，中期冷卻和二期冷卻開始時(shí)間分別可提前至齡期為45d和75d，這一結(jié)論與朱伯芳院士提出的“小溫差、慢冷卻、早冷卻”［6］的冷卻理念一致。采用這種冷卻方式，在保障工程安全的同時(shí)，還可以達(dá)到加快接縫灌漿進(jìn)度的目的，這一指導(dǎo)思想在藏木水電站工程中得到很好的應(yīng)用。

2.3 局部區(qū)域的表面保溫力度與措施優(yōu)化分析

藏木水電工程地處高海拔、大溫差地區(qū)，常年平均晝夜溫差達(dá)20℃以上，因此大壩混凝土表面防裂難度很大。如果不考慮短周期溫度應(yīng)力的影響，反饋仿真計(jì)算表面散熱系數(shù)β按照設(shè)計(jì)要求不大于6.3 kJ／（m2·h·℃）進(jìn)行控制，強(qiáng)約束區(qū)大部分的表面軸向長周期應(yīng)力可控制在0.5～1.2 MPa之間，局部可達(dá)到1.5 MPa，基本可以滿足設(shè)計(jì)抗裂要求。但是如果考慮短周期應(yīng)力影響，表面應(yīng)力增幅在0.3～0.6 MPa，表面總應(yīng)力水平達(dá)到1.5～1.8 MPa，安全系數(shù)為1.2～1.7，存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，從偏安全的角度出發(fā)，應(yīng)該在入冬前對大壩壩踵、導(dǎo)流底孔、棱角、拐角以及高溫季節(jié)澆筑的混凝土區(qū)域適當(dāng)加大保溫力度，β最好按照不大于2.67 kJ／（m2·h·℃）進(jìn)行控制。如此，大壩施工期上游表面的防裂安全將得到有效保障，相關(guān)計(jì)算對比結(jié)果如圖4所示，圖中曲線反映的是大壩上游表面距離建基面約1m處的變化規(guī)律。

2.4 底孔部位防裂風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施優(yōu)化分析

仿真結(jié)果表明，左沖和臨時(shí)導(dǎo)流底孔部位入冬或過水時(shí)，應(yīng)力水平相對較高，如圖5所示，已接近混凝土的允許拉應(yīng)力（1.6MPa），主要是因?yàn)槿攵瓦^水時(shí)內(nèi)外溫差較大所致。反饋結(jié)果表明，適當(dāng)加快導(dǎo)流底孔區(qū)域的二期冷卻進(jìn)度，或進(jìn)行大面積中期冷卻，可有效降低底孔入冬和過水時(shí)的內(nèi)外溫差，從而降低底孔內(nèi)表孔的表面應(yīng)力，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。圖5是加快冷卻進(jìn)度后底孔區(qū)表面應(yīng)力，可以看出與設(shè)計(jì)進(jìn)度相比，底孔區(qū)的應(yīng)力將減小0.3MPa，應(yīng)力狀態(tài)得到明顯改善。

2.5 縱縫開合規(guī)律及可灌性方案優(yōu)化分析

施工期縱縫的可灌性和蓄水進(jìn)度是工程技術(shù)人員最關(guān)心的問題。藏木水電站反饋仿真計(jì)算結(jié)果表明，按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行冷卻降溫，如果不出現(xiàn)提前蓄水壓縫現(xiàn)象，縱縫開度大部分可達(dá)1.5 mm以上，具有較好的可灌性。但是如果出現(xiàn)未完成二期冷卻就蓄水的情況，縫面將呈壓緊狀態(tài)，部分甚至有可能小于0.5 mm，將影響其可灌性。因此，二期冷卻結(jié)束前應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大壩擋水的情況?？v縫開度及縫面應(yīng)力變化過程見圖6。

2.6 初次蓄水及運(yùn)行期大壩溫度和應(yīng)力變化規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)分析

跟蹤反饋仿真計(jì)算表明，大壩2013年11月初次蓄水時(shí)，由于混凝土表面溫度與水溫較接近，溫差較小，因此，初次蓄水冷擊作用導(dǎo)致開裂風(fēng)險(xiǎn)相對較小。大壩上游表面基礎(chǔ)約束區(qū)和非約束區(qū)溫度和應(yīng)力過程見圖7，由圖7可知大壩蓄水成庫后，壩體上游表面應(yīng)力狀態(tài)隨著水溫的變化而逐漸變化，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這就意味著如果大壩上游表面出現(xiàn)裂縫，那么開裂風(fēng)險(xiǎn)最大的時(shí)候不是蓄水后期，而是在未蓄水前或者蓄水之時(shí)，因此防裂的重點(diǎn)在于蓄水之前。

2.7 提高接縫灌漿溫度可行性分析

大壩基礎(chǔ)約束區(qū)施工時(shí)受各種外在客觀因素綜合影響，較多部位出現(xiàn)最高溫度超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（不高于27℃）的情況。反饋分析結(jié)果表明，由于基礎(chǔ)溫差增加，如果仍按照設(shè)計(jì)方案（方案1）進(jìn)行冷卻，二期冷卻末有可能出現(xiàn)超標(biāo)應(yīng)力，存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)。為有效控制這種可能存在的后期風(fēng)險(xiǎn)，除了適當(dāng)提前中期冷卻、二期冷卻開始時(shí)間外（方案2），還可考慮提高接縫灌漿溫度方案（方案3）。該建議被設(shè)計(jì)采納，事實(shí)證明，大壩完成二期冷卻時(shí)基礎(chǔ)約束區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂縫，表明這些組合方案的有效性。典型方案溫度和應(yīng)力對比曲線如圖8所示。

3 結(jié) 語

a.施工期參數(shù)反演工作使得藏木水電站大壩仿真分析使用的參數(shù)能更真實(shí)地反映混凝土的材料特性，為真實(shí)把握大壩施工期工作性態(tài)提供了基礎(chǔ)條件。

b.實(shí)時(shí)反饋分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為大壩提前采取補(bǔ)救溫控措施提供了技術(shù)支持。

c.目前大壩已實(shí)現(xiàn)了正常蓄水運(yùn)行，施工期未出現(xiàn)危害性裂縫，為藏木水電站大壩在高海拔、大溫差地區(qū)保證長期安全運(yùn)行提供了重要保障。

d.藏木水電工程大壩混凝土溫控防裂的成功經(jīng)驗(yàn)為國內(nèi)類似地區(qū)后期修建混凝土大壩提供了重要的參考范例，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Dynamic optimal analysis of concrete temperature control and crack prevention standards and measures during dam construction for Zangmu Hydropower Station

PAN Xiqiang1，LIU Youzhi2，HU Ping2，LIU Yu2
（1.Huaneng Tibet Power Generation Co.Ltd.，Lasa 850000，China；2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

In regard to temperature control and crack prevention for concrete dams in plateau areas with high elevation and large temperature differences，a summary was made of research on concrete crack prevention during the construction of the first large concrete gravity dam，with a height of more than 100 meters，in the Tibet Autonomous Region.Based on on?site monitoring data during the dam construction for the Zangmu Hydropower Station，dynamic feedback simulation analysis technology was used to demonstrate the real working condition throughout the construction period.Then，risks that may occur during the later construction period were predicted according to the simulation results，and the related standards and measures for temperature control and crack prevention were adjusted and optimized.

concrete dam；construction period；temperature control and crack prevention；feedback simulation analysis；area with high altitude and large temperature difference；Zangmu Hydropower Station

TV642；TV544

A

1000-1980（2015）04-0300-07

10.3876／j.issn.1000-1980.2015.04.004

2014-1112

潘希強(qiáng)（1985—），男，山東青島人，工程師，碩士，主要從事水利水電項(xiàng)目規(guī)劃及建設(shè)管理工作。E?mail：panxq＠hntibet.com