高摻粉煤灰對特高拱壩封拱后壩體溫度回升的影響

周宜紅，歐陽步云，趙春菊，周華維，饒 明(.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 4400；.湖北能源集團(tuán)溇水水電有限公司，湖北 恩施 44580；.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 4007)

近年來，隨著我國水能開發(fā)的不斷推進(jìn)，水電工程建設(shè)的主戰(zhàn)場正逐漸向西南高山峽谷區(qū)轉(zhuǎn)移，高拱壩因其超載能力強、抗震性能好、壩體混凝土工程較省等特點，成為西南大型水電站的常用壩型。小灣、溪洛渡、錦屏一級等一系列300 m級特高拱壩的相繼建成及運行投產(chǎn)，標(biāo)志著我國特高拱壩的筑壩技術(shù)已達(dá)到了世界頂尖水平。然而，特高拱壩因其建設(shè)規(guī)模和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建設(shè)過程中仍存在一系列技術(shù)難題，特高拱壩的溫控防裂就是其中一個長期困擾著工程建設(shè)人員的世界級難題。

特高拱壩一般采用低溫封拱，封拱溫度通常會較運行期穩(wěn)定溫度低2～3 ℃，以使壩體略有溫度回升，減少拉應(yīng)力。然而，通過分析已建的幾座特高拱壩的溫度監(jiān)測資料發(fā)現(xiàn)，特高拱壩在封拱灌漿后出現(xiàn)了較大的溫度回升，例如小灣拱壩平均溫升約6～8 ℃，最大溫升達(dá)10 ℃，而建成不久的溪洛渡拱壩最大溫升也達(dá)8 ℃，有些部位的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了該時間點上壩址的多年平均氣溫。一般情況下，溫度下降會在壩體混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力，溫度上升會引起壓應(yīng)力，但拱壩作為超靜定結(jié)構(gòu)，溫升荷載下壩體混凝土在大部分部位引起壓應(yīng)力的同時，也會在局部部位引起拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生裂縫。因此，特高拱壩封拱后溫度回升是一個需要重點研究的問題。

特高拱壩施工采用分期澆筑、分期封拱、分期蓄水，封拱灌漿后，受復(fù)雜環(huán)境因素的影響，可能導(dǎo)致壩體溫度回升的因素眾多。黃耀英等[1]基于混凝土天然冷卻對封拱后溫度回升現(xiàn)象進(jìn)行解析，認(rèn)為外界氣溫向壩體倒灌是主要原因。張國新等[2]在分析小灣拱壩的點溫度計測溫數(shù)據(jù)后認(rèn)為，膠凝材料的殘余水化發(fā)熱是引起壩體后期溫度回升的主要原因。楊萍等[3]采用有限元仿真分析方法，定量分析了地溫、上游水溫、氣溫以及殘余水化熱對溪洛渡拱壩后期溫度回升的影響，認(rèn)為溪洛渡拱壩靠近基礎(chǔ)約束區(qū)的溫度回升主要是由地基倒灌和殘余水化熱所引起的，而遠(yuǎn)離基礎(chǔ)約束區(qū)的內(nèi)部混凝土的溫度回升主要由殘余水化熱所致。

粉煤灰作為膠凝材料，水化放熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥，混凝土壩建設(shè)中用量越來越大，小灣、溪洛渡拱壩壩體混凝土的最大粉煤灰摻量達(dá)到35%；而粉煤灰的水化取決于水泥水化的次生物CaO，放熱緩慢，放熱周期長，室內(nèi)試驗難以測到，這就使得粉煤灰的水化放熱在大壩溫控中設(shè)計常常被忽視。因此，定量分析高摻粉煤灰對特高拱壩封拱后壩體溫度回升的影響，反饋到特高拱壩的溫控防裂設(shè)計中，對于指導(dǎo)未來特高拱壩的安全建設(shè)及運行具有重要的工程實際意義。本文結(jié)合溪洛渡特高拱壩分布式光纖測溫系統(tǒng)的溫度監(jiān)測資料，統(tǒng)計分析壩體內(nèi)部典型澆筑倉封拱后的溫度回升過程，定量分析高摻粉煤灰對特高拱壩封拱后壩體溫度回升的影響。

1 基于分布式光纖測溫的溪洛渡拱壩封拱后溫度回升監(jiān)測成果

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣交界處的金沙江干流上，是金沙江下游河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第三個梯級電站，水電站樞紐由攔河大壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電建筑物等組成。攔河大壩采用混凝土雙曲拱壩型式，最大壩高285.5 m，壩頂高程610.0 m，壩頂拱冠厚度14 m，壩底拱冠厚度60 m，頂拱中心線弧長681.5 m，大壩從左至右共分31個壩段。根據(jù)拱壩靜動應(yīng)力大小范圍及分布規(guī)律，并結(jié)合壩體附屬建筑物布置和結(jié)構(gòu)要求，對壩體混凝土分區(qū)細(xì)化為A、B、C三種強度等級的混凝土區(qū)(A區(qū)C18040、B區(qū)C18035、C區(qū)C18030)，3種強度等級混凝土的計算參數(shù)[4,5]見表1。

溪洛渡拱壩壩體較厚，施工采用通倉澆筑，基礎(chǔ)約束和新老混凝土約束強，溫控防裂難度大。施工過程中，為了將混凝土溫度降低至封拱溫度，根據(jù)溪洛渡拱壩混凝土溫控防裂特點，采用了一套十分嚴(yán)格的混凝土溫度控制模式——“九三一”溫度控制模式[6]，并通過在每個壩段的垂直向分別設(shè)置已灌區(qū)、灌漿區(qū)、同冷區(qū)、過渡區(qū)、蓋重區(qū)和澆筑區(qū)來減小垂直向溫度梯度以及控制冷卻區(qū)高度等。另外，借助分布式光纖傳感技術(shù)[7-9]的線測點、精度高、實時在線監(jiān)測等優(yōu)勢，分別在溪洛渡大壩的5、15、16、23號壩段埋設(shè)了分布式光纖，對混凝土澆筑塊的溫度變化進(jìn)行實時在線監(jiān)測，為大壩混凝土溫控防裂提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 壩體混凝土計算參數(shù)Tab.1 Calculating parameters of the dam concrete

在對溪洛渡拱壩分布式光纖溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，壩體混凝土在封拱灌漿后仍有較大的溫度回升。以遠(yuǎn)離基礎(chǔ)約束區(qū)的5-021、15-067、16-067、23-062 4個典型澆筑倉為例，借助分布式光纖測溫技術(shù)，自封拱灌漿完成之日起，每兩周對溫度回升監(jiān)測資料進(jìn)行一次統(tǒng)計分析，得到以上4個典型澆筑倉的平均溫度回升過程線如圖1所示。表2為典型澆筑倉光纖埋設(shè)參數(shù)。

圖1 典型澆筑倉的平均溫度回升過程線Fig.1 Average temperature rise process lines of the typical casting warehouse 注：圖例中“-”前數(shù)字代表壩段號，“-”后數(shù)字為澆筑倉號，下同。

由圖1可知，溪洛渡特高拱壩封拱灌漿后，壩體內(nèi)部溫度仍有一個持續(xù)上升的過程，截止到2015年6月，壩體總體溫升達(dá)到4 ℃以上，最大溫升接近7 ℃；各典型澆筑倉的溫度回升過程不完全一樣，并存在一定波動，但總體呈現(xiàn)出繼續(xù)緩慢回升的趨勢；各澆筑倉在封拱灌漿后較短的一段時期內(nèi)，溫度回升呈現(xiàn)類似直線攀升的趨勢。

拱壩采用低溫封拱，封拱后可能引起溫度回升的原因是多方面的。然而，溪洛渡拱壩壩體較厚，在保溫板保溫效果良好的條件下，其斷面中心混凝土受邊界溫度影響小且較慢，因此，封拱后的一段時期內(nèi)，可以認(rèn)為引起壩體混凝土溫度回升主要原因是膠凝材料的殘余水化熱。溪洛渡拱壩壩體混凝土的最大粉煤灰摻量達(dá)35%，粉煤灰的水化又取決于水泥水化的次生物，這就使得粉煤灰的水化放熱對封拱后壩體內(nèi)部溫度回升的影響是不可忽視的一個因素。因此，量化分析高摻粉煤灰水化放熱對特高拱壩封拱后壩體內(nèi)部溫度回升的影響，反思高摻粉煤灰這種溫控防裂方式，對于特高拱壩的建設(shè)具有重要意義。

表2 典型澆筑倉光纖埋設(shè)參數(shù)Tab.2 Optical fiber embedded parameters of the typical casting warehouse

2 特高拱壩壩體內(nèi)部混凝土中粉煤灰水化放熱計算方法

特高拱壩壩體較厚，典型澆筑倉的平均溫度接近澆筑塊的斷面中心溫度，加之混凝土又是熱的不良導(dǎo)體，可以認(rèn)為壩體斷面中心混凝土溫度短期內(nèi)受外界因素的影響小且較慢，處于類似于絕熱狀態(tài)的環(huán)境中，因此在計算粉煤灰水化放熱時，可以近似為絕熱溫升模型進(jìn)行計算。粉煤灰放熱緩慢、周期長，影響其水化反應(yīng)的因素眾多，通過混凝土放熱測定的相關(guān)室內(nèi)試驗難以測量到，因而很難通過直接法計算得到粉煤灰水化熱。根據(jù)熱平衡原理，本文采用間接法計算粉煤灰的水化放熱量，即根據(jù)分布式光纖實測混凝土溫度回升值計算出某時間段內(nèi)單位體積混凝土的放熱量，再根據(jù)朱伯芳院士所提出的水泥水化熱的計算方法，計算出水泥水化放熱量，混凝土的放熱量減去水泥水化熱即可得到粉煤灰的水化放熱量。

2.1 混凝土放熱量

分布式光纖測溫具有測點多、精度高、實時在線監(jiān)測等優(yōu)勢，通過在壩體內(nèi)埋設(shè)分布式光纖，可以準(zhǔn)確測得壩體內(nèi)部的溫度變化，因此，混凝土的放熱量可按下式計算。

Q=Thcρ

(1)

式中：Q是混凝土的放熱量，kJ/m3；Th是分布式光纖實測混凝土的溫度回升值，℃；c是混凝土的比熱，kJ/(kg·℃)；ρ是混凝土塊的(平均)密度，kg/m3。

2.2 水泥水化放熱

水泥的水化放熱的計算可采用朱伯芳院士編著的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》[10]所提出的公式，水泥水化熱依賴于齡期的表達(dá)式為：

Q(τ)=Q0(1-e-aτb)

(2)

式中：Q(τ)為在齡期τ時的累積水化熱，kJ/kg；Q0為τ→∞時的最終水化熱，kJ/kg；τ為齡期，d；a、b為常數(shù)。根據(jù)試驗資料，整理得到(2)式中常數(shù)Q0、a、b的值見表3[5]。

2.3 粉煤灰水化放熱

采用間接法，封拱后粉煤灰的水化放熱量可按下式計算：

Qf=Q-M[Q(τ2)-Q(τ1)]

(3)

式中：Qf為封拱后粉煤灰的水化放熱量，kJ/m3；Q(τ1)、Q(τ2)為水泥分別在齡期τ1、τ2時的累計水化熱，kJ/kg；τ1、τ2為齡期，d，其中τ1為封拱齡期，τ2>τ1；M為每方混凝土水泥的摻量，kg/m3。

表3 水泥水化熱計算常數(shù)Tab.3 Calculation constants of the cement hydration heat

3 溪洛渡特高拱壩封拱后粉煤灰水化放熱計算結(jié)果及分析

3.1 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

溪洛渡拱壩采用分布式光纖監(jiān)測，較常規(guī)溫度計精度大大提高，監(jiān)測過程也更加自動化，但監(jiān)測過程中不可避免地會出現(xiàn)儀器檢修、光纖受損、停電等突發(fā)狀況，從而導(dǎo)致監(jiān)測工作間斷，影響溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)中存在不準(zhǔn)確信息，往往會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析的結(jié)果與實際偏差較大，甚至做出錯誤的判斷，因此在數(shù)據(jù)計算分析之前對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是十分有必要的。張國新等[11]指出組合函數(shù)模型不僅能反映高摻粉煤灰混凝土一冷期間的溫度回升過程，還能很好地模擬二冷停水后的溫度回升，較好地反映后期粉煤灰的放熱。本文采用以下公式對封拱后壩體混凝土的溫度回升過程進(jìn)行擬合。

T(τ)=T1τβ1/(α1+τβ1)+T2τβ2/(α2+τβ2)

(4)

式中：T(τ)是齡期τ時的絕熱溫升；τ為齡期，d；T1、T2、α1、α2、β1、β2為常數(shù)。

采用最小二乘法，結(jié)合Matlab的曲線擬合工具箱，擬合23-062倉封拱后溫度變化過程如圖2所示。表4為采用最小二乘法對典型澆筑倉溫度變化過程進(jìn)行擬合所得絕熱溫升擬合公式(4)的相關(guān)參數(shù)。

由以上4個典型澆筑倉的擬合結(jié)果可知，15-067、16-067澆筑倉封拱時間較早，最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，混凝土溫度受到了外界因素的影響，溫度出現(xiàn)了回落現(xiàn)象，采用絕熱溫升擬合公式(4)擬合所得結(jié)果的偏差較大；5-021、23-062澆筑倉擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.979 3、0.983，擬合精度較高，光纖測溫數(shù)據(jù)能夠較為準(zhǔn)確地反映壩體混凝土的溫度變化過程。

表4 典型澆筑倉的絕熱溫升擬合公式的相關(guān)參數(shù)Tab.4 Related parameters in the adiabatic temperature rise fitting formula of the typical casting warehouse

圖2 23-062倉封拱后溫度變化過程擬合Fig.2 Fitting of the temperature change process of casting warehouse 23-062 after arch closure

3.2 粉煤灰水化放熱計算

溪洛渡大壩所采用的水泥為425號中熱硅酸鹽水泥，水泥水化熱計算常數(shù)可由表3查得?；炷翆?dǎo)熱性能差，短期內(nèi)受外界因素影響較小，因此，壩體內(nèi)部混凝土在封拱后短期內(nèi)可視為處于絕熱狀態(tài)。根據(jù)以上所提出的粉煤灰水化放熱計算方法，4個典型澆筑倉封拱后30、60 d的粉煤灰水化放熱量如表5所示。

表5 典型澆筑倉封拱后粉煤灰放熱計算Tab.5 Fly ash heat release calculation of the typical casting warehouse after arch closure

計算結(jié)果表明，16-067澆筑倉封拱齡期(156 d)較小，水泥殘余水化熱較多，但這占不到混凝土內(nèi)部殘余水化熱的1/1 000，而混凝土內(nèi)部殘余水化熱絕大部分仍來自于粉煤灰的水化放熱；其他3個典型澆筑倉封拱齡期大，封拱后水泥殘余水化熱很少，混凝土內(nèi)部殘余水化熱基本上都自于粉煤灰的水化放熱。

另外，針對5-021、23-062澆筑倉，數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，溫升過程與絕熱溫升模型比較吻合，運用前面所提出的粉煤灰水化放熱計算方法，結(jié)合分布式光纖對封拱后溫度回升的實測數(shù)據(jù)，計算得到這兩個典型澆筑倉中單位體積混凝土內(nèi)部混凝土與粉煤灰累積放熱隨時間變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 5-021倉封拱后混凝土與粉煤灰累積放熱對比圖Fig.3 Comparison chart of concrete and fly ash accumulation heat release of casting warehouse 5-021 after arch closure

圖4 23-062倉封拱后混凝土與粉煤灰累積放熱對比圖Fig.4 Comparison chart of concrete and fly ash accumulation heat release of casting warehouse 23-062 after arch closure

由圖3、圖4可知，溪洛渡拱壩封拱完成后，粉煤灰累積放熱曲線幾乎與混凝土累積放熱曲線相重合，這也再次說明封拱后壩體內(nèi)部溫度回升基本上都來自于粉煤灰水化放熱；而最新的監(jiān)測溫升顯示，單位體積混凝土內(nèi)部粉煤灰的累積放熱量可達(dá)到13 000 kJ，這相當(dāng)于40 kg的該強度(425號)水泥完全水化所產(chǎn)生的水化熱。

4 結(jié) 語

本文以溪洛渡特高拱壩為例，提出了特高拱壩封拱后壩體內(nèi)部混凝土粉煤灰水化放熱的計算方法，并結(jié)合分布式光纖對壩體混凝土溫度回升的監(jiān)測資料，定量分析了高摻粉煤灰對特高拱壩封拱后壩體溫度回升的影響。研究表明：

(1)特高拱壩封拱灌漿后，水泥水化基本全部完成，導(dǎo)致壩體內(nèi)部混凝土溫度回升的熱量幾乎全部來自于粉煤灰的水化放熱。

(2)高摻粉煤灰本是為了降低水泥用量，從而減少膠凝材料水化放熱及其帶來的不利影響，但粉煤灰水化反應(yīng)在前期被抑制，封拱后粉煤灰水化放出大量熱量(40 kg/m3甚至更多水泥完全水化的放熱量)，導(dǎo)致壩體內(nèi)部溫度回升，給特高拱壩溫控防裂帶來了新的問題。

(3)特高拱壩封拱后，粉煤灰水化放熱導(dǎo)致壩體混凝土有一個較大的溫度回升，但這種膠凝材料水化放熱導(dǎo)致的壩體溫度回升會逐步回落，最終消失；特高拱壩在封拱后的2～3 a甚至更長時期內(nèi)，會處于一種與設(shè)計狀態(tài)不一致的狀態(tài)，同時由于混凝土材料存在徐變效應(yīng)，封拱后的溫度上升和回落會在壩體內(nèi)部留下殘余應(yīng)力，且會增大拱座推力，帶來不利荷載增量。因此，要有效減小封拱后溫度回升對壩體帶來的不利影響，其關(guān)鍵是通過對混凝土中粉煤灰摻量的優(yōu)化調(diào)整來控制封拱后的水化放熱量。

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