基于實(shí)測資料的特高拱壩封拱后溫度回升分析

摘 要：低溫封拱的拱壩普遍存在溫度回升現(xiàn)象，而對于特高拱壩，這一問題尤為突出。文章以西南某特高拱壩的實(shí)測溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制典型測點(diǎn)封拱后溫度回升過程線，并進(jìn)行對比分析，挖掘出不同因素對封拱后壩體溫度回升的影響程度大小以及壩體溫度回升的歷時變化規(guī)律；研究結(jié)果為全面研究特高拱壩封拱后壩體的溫度回升問題，以及分析壩體混凝土開裂問題奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：特高拱壩；溫度回升；對比分析

1 概述

我國自上世紀(jì)末建成二灘拱壩以來，已相繼建成了小灣、拉西瓦、構(gòu)皮灘等特高拱壩，壩高達(dá)305m和285m的錦屏一級和溪洛渡也已于近期封頂完建，這些特高拱壩的建成標(biāo)志著我國300m級特高拱壩筑壩技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，但這些工程投入運(yùn)行的時間短，最長的不到20年，有些問題可能尚未充分暴露出來，大壩的長期安全不容忽視，一旦出現(xiàn)事故輕則影響效益的發(fā)揮，重則帶來巨大損失。特高拱壩封拱后的溫度回升就是其中一個值得重點(diǎn)關(guān)注的問題。

低溫封拱的拱壩普遍存在溫度回升現(xiàn)象，對于壩體厚度較小的一般高拱壩和中低拱壩，由于壩身較薄，受邊界溫度影響大，在建成幾年后即進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定溫度狀態(tài)。然而，在分析已建的幾座特高拱壩的溫度監(jiān)測資料后發(fā)現(xiàn)，二期通水冷卻停水和封拱灌漿后，壩體內(nèi)部均出現(xiàn)了不同程度的溫度回升現(xiàn)象，其特點(diǎn)主要有，溫度回升幅度大、持續(xù)時間長，如胡佛拱壩在封拱14年后內(nèi)部混凝土溫度回升值可達(dá)到15℃左右。

特高拱壩均存在明顯的溫度回升，原因包括外部因素和內(nèi)部因素兩種，外部因素主要是外界年均氣溫和地溫高于壩體封拱溫度以及淤沙高程下部實(shí)際水溫高于設(shè)計(jì)庫水溫和壩體封拱溫度，從而存在外部熱量向壩內(nèi)傳導(dǎo)，導(dǎo)致壩體溫度回升；內(nèi)部因素為混凝土材料自身發(fā)熱產(chǎn)生熱量導(dǎo)致壩體溫度回升。兩種因素影響程度大小以及隨時間變化規(guī)律與拱壩尺寸、材料熱學(xué)性能、保溫措施等各種條件密切相關(guān)，各個拱壩工程會存在一定差別，但總體規(guī)律上應(yīng)有比較統(tǒng)一的認(rèn)識。為清楚認(rèn)識兩種因素的影響程度和大小，文章以西南某特高拱壩為例，采集壩體封拱后混凝土溫度監(jiān)測的第一手資料，深入分析導(dǎo)致大壩封拱后溫度回升的影響因素以及壩體溫度回升的歷時變化過程，為全面研究特高拱壩封拱后壩體的溫度回升問題和分析壩體混凝土開裂問題奠定基礎(chǔ)。

2 工程概況及數(shù)據(jù)篩選原則

2.1 工程概況

西南某水電站樞紐由攔河大壩、泄水建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成。攔河大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高285.5m，壩頂高程610.0m，壩頂拱冠厚度14m，壩底拱冠厚度60m，頂拱中心線弧長681.5m，大壩從左至右共分31個壩段；泄洪采取“分散泄洪、分區(qū)消能”的布置原則，在壩身布設(shè)7個表孔、8個深孔與兩岸4條泄洪洞共同泄洪，壩后設(shè)有水墊塘消能；發(fā)電廠房為地下式，分設(shè)在左、右兩岸山體內(nèi)，各裝機(jī)9臺單機(jī)容量為770MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量12600MW。大壩壩體較厚，施工采用通倉澆筑，基礎(chǔ)約束和新老混凝土約束強(qiáng)，溫控防裂難度大。為了較好地進(jìn)行通水冷卻調(diào)控以及獲得大壩混凝土的溫度狀態(tài)，施工過程中在大壩的5#、15#、16#、23#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(shí)時在線監(jiān)測，為大壩混凝土的溫控防裂分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)篩選原則建立

為了更清楚地認(rèn)識不同因素對封拱后壩體溫度回升的影響程度大小以及溫度隨時間變化規(guī)律，得到更為精確的對比分析結(jié)果，挖掘出壩體溫度回升的真實(shí)原因，文章建議采用以下幾個原則對已灌區(qū)的溫度回升數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

原則1：根據(jù)大壩的靜動應(yīng)力大小范圍及分布規(guī)律、壩體變形特征，將壩體混凝土分區(qū)細(xì)化為A、B、C三種強(qiáng)度等級的混凝土區(qū)（A區(qū)C18040、B區(qū)C18035、C區(qū)C18030）。

原則2：由于廊道內(nèi)氣溫受外界環(huán)境氣溫影響，而廊道內(nèi)氣溫對廊道所在及周圍灌區(qū)混凝土溫度存在不同程度的影響，因此，測點(diǎn)選取過程中將避開廊道附近的測點(diǎn)。

原則3：根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)型式、孔洞布置以及混凝土材料分區(qū)，選取變化規(guī)律良好的測點(diǎn)實(shí)測溫度回升值，剔除受現(xiàn)場復(fù)雜施工條件影響而存在較大波動的測點(diǎn)。

原則4：根據(jù)上下游面測點(diǎn)的型式，每個澆筑倉中測點(diǎn)號最大的測點(diǎn)（如DT1660-10）最為接近壩體斷面中心，可以認(rèn)為其監(jiān)測溫度值最為接近該高程上壩體斷面中心的溫度值。

原則5：在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理過程中，對于數(shù)據(jù)量較少的測點(diǎn)采用取平均值的方法計(jì)算日溫度，對于數(shù)據(jù)量較大的測點(diǎn)則去掉最大值和最小值，剩下數(shù)據(jù)取平均值最為這一天實(shí)測溫度，從而減少測量誤差。

3 特高拱壩混凝土澆筑塊實(shí)測溫度回升統(tǒng)計(jì)對比分析

為清楚認(rèn)識不同因素對封拱后壩體溫度回升的影響程度大小以及壩體溫度回升的歷時變化規(guī)律，以大壩封拱后典型壩段的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以典型測點(diǎn)的封拱日期和封拱溫度為起點(diǎn)，以某個單因素（如高程、混凝土材料分區(qū)等）為研究對象，控制其他相關(guān)因素，建立壩體溫度回升分析的單測點(diǎn)模型，根據(jù)實(shí)測溫度值繪制其封拱后溫度回升過程線——測點(diǎn)溫度回升值變化的歷時曲線，并進(jìn)行對比分析。

3.1 壩體沿河向典型測點(diǎn)溫度回升情況對比分析

大壩封拱灌漿完成后，壩體上游面先是暴露在空氣中，主要受到氣溫影響；大壩蓄水達(dá)到相應(yīng)高程后，壩體上游面被水淹沒，主要受到庫水溫度的影響；而壩體下游面暴露在空氣中，主要受到氣溫以及太陽輻射的影響。為了了解特高拱壩封拱后壩體沿河向的溫度分布情況以及環(huán)境氣溫、庫水溫度和太陽輻射等因素對混凝土溫度回升的影響，文章設(shè)定一組沿河向分布的典型測點(diǎn)DT1551-01、DT1551-05、DT1551-10、DT1552-10、DT1552-05、DT1552-01，各測點(diǎn)在混凝土澆筑塊中的布置情況如圖1所示。然后，根據(jù)測溫儀器所采集各測點(diǎn)的實(shí)測溫度回升數(shù)據(jù)，繪制其溫度回升過程線如圖2所示。

由以上實(shí)測溫度回升過程線圖可見：（1）封拱灌漿完成后的一

段時期內(nèi)，各測點(diǎn)的溫度回升幅度較為接近且回升速度較快，分析其原因主要是保溫板的保溫效果良好以及壩體混凝土自身的殘余水化放熱導(dǎo)致溫度急劇回升；（2）封拱灌漿完成約1年后，各測點(diǎn)出混凝土的溫度回升放緩，而這其中接近上游面的測點(diǎn)DT1551-01的溫度回升幅度低于其他測點(diǎn)，分析其原因一方面是由于混凝土殘余水化放熱量的減少，另一方面是大壩封拱蓄水后，靠近上游面的混凝土受庫水溫度影響；（3）封拱灌漿完成后的一段時間后，靠近下游面測點(diǎn)DT1552-01的溫度回升幅度明顯高于其他測點(diǎn)，且表現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)，其次是測點(diǎn)DT1552-05，分析其主要原因是環(huán)境氣溫的熱量倒灌以及太陽輻射的影響。

3.2 壩體同壩段不同材料分區(qū)典型測點(diǎn)溫度回升情況對比分析

不同材料分區(qū)所采用混凝土的配合比不同，水泥及粉煤灰用量不同，從而導(dǎo)致封拱后不同材料分區(qū)混凝土的殘余水化放熱量也不同。為了了解不同材料分區(qū)混凝土封拱后殘余水化放熱對溫度回升的影響，文章分別選取同一壩段、相鄰澆筑倉、不同材料分區(qū)，接近斷面中心的典型測點(diǎn)DT1621-08和DT1622-08、DT2359-10和DT2360-10，根據(jù)測溫儀器所采集各測點(diǎn)的實(shí)測溫度回升數(shù)據(jù)，繪制出測點(diǎn)的溫度回升過程線，分別如圖3、圖4所示。

特高拱壩一般壩體較厚，邊界傳熱對斷面中心的溫度變化影響較小、較慢，壩體內(nèi)部接近斷面中心處的混凝土處于類似絕熱狀態(tài)的環(huán)境中，封拱后導(dǎo)致溫度回升的主要原因是混凝土殘余水化放熱。由圖3、圖4顯示，測點(diǎn)DT1621-08（A區(qū)）的溫度回升幅度高于測點(diǎn)DT1622-08（B區(qū)），測點(diǎn)DT2359-10（B區(qū)）的溫度回升幅度高于測點(diǎn)DT2360-10（C區(qū)），由此可見，封拱后壩體混凝土的殘余水化放熱量A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，這主要與不同材料分區(qū)水泥強(qiáng)度等級以及水泥用量有關(guān)。

3.3 壩體同壩段不同高程典型測點(diǎn)溫度回升情況對比分析

特高拱壩封拱蓄水后，壩體上游面基本上被水淹沒，同時由于庫水溫度分布的不均勻，不同高程澆筑倉處于不同的邊界條件之中，相應(yīng)的溫度回升過程也會有所不同。為了了解不同高程上的測點(diǎn)的溫度回升的過程以及影響因素，文章分別選取同一壩段、不同高程上，接近上游面、接近壩體斷面中心以及接近下游面的典型測點(diǎn)，根據(jù)測溫儀器所采集各測點(diǎn)的實(shí)測溫度回升數(shù)據(jù)，繪制出典型測點(diǎn)的溫度回升過程線，如圖5、圖6和圖7所示。

由圖可見：（1）圖中同時畫出了各高程斷面中心附近位置典型測點(diǎn)的溫度回升曲線，圖中顯示，邊界傳熱對斷面中心位置溫度的影響較小、較慢；（2）封拱一段時間之后，斷面中心溫度才會出現(xiàn)溫度回升現(xiàn)象，分析其主要原因是壩體封拱后，冷卻通水并未立即停止；（3）測點(diǎn)DT1690-10溫度回升速率較其他測點(diǎn)都要快，主要是由于該測點(diǎn)高程大，靠近壩頂，此處的壩體厚度較小，斷面中心溫度受到了外界環(huán)境溫度的影響。

3.4 靠近壩頂測點(diǎn)溫度變化過程對比分析

特高拱壩一般底寬大，壩體較厚，但并不是壩身的所有部位都很厚，研究特高拱壩的壩體結(jié)構(gòu)型式可以發(fā)現(xiàn)，達(dá)到一定高程后，壩身厚度與一般的中低拱壩接近。那么，大壩封拱完成后，這些部位壩體混凝土的溫度又有怎樣的變化規(guī)律呢？文章選取16#097封拱后的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及壩址實(shí)測氣溫?cái)?shù)據(jù)，繪制溫度變化過程圖如圖8所示。

由圖8進(jìn)行對比分析可知，封拱完成后，靠近壩頂部位混凝土的溫度很快就受到了外界氣溫的影響，隨氣溫作周期性變化；靠近壩頂部位混凝土的溫度受氣溫影響，作周期性變化，其變化過程較氣溫存在一定的滯后性，且該壩塊斷面中心混凝土溫度的周期性變化滯后于靠近表面部位混凝土的溫度的周期性變化。

4 結(jié)束語

文章通過對西南某特高拱壩的溫度監(jiān)測資料進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，特高拱壩封拱灌漿完成后，其壩體溫度回升表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：（1）壩體同壩段同一高程沿河向方向上，上游面混凝土受蓄水的影響，溫度回升一段時間后就回落了，壩體斷面中心處混凝土受殘余水化放熱影響，仍處于緩慢上升狀態(tài)，壩體下游面受氣溫及太陽輻射影響，回升幅度最大；（2）不同材料分區(qū)混凝土的強(qiáng)度等級不一樣，所采用的混凝土的配合比不同，水泥及粉煤灰的用量也不相同，封拱完成后，不同材料分區(qū)混凝土的溫度回升速率及幅度表現(xiàn)為A區(qū)>B區(qū)>C區(qū)，這正好與水泥及粉煤灰的用量大小是相符的；（3）同一壩段，不同高程，相同配合比的混凝土材料，壩體斷面中心處溫度回升的幅度表現(xiàn)為，高程較大部位的溫度回升幅度小于高程較小部位的溫度回升幅度，這主要是由于壩體下部壩身較厚不利于散熱；（4）壩體接近壩頂部位壩身較薄，該部位混凝土溫度經(jīng)過短暫的回升過程后，就進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定溫度狀態(tài)，隨氣溫作周期性變化，類似于一般的中低拱壩；（5）根據(jù)以上關(guān)于特高拱壩封拱后溫度回升過程的分析，特高拱壩封拱后溫度回升的問題可沿高程上分解為三個部分進(jìn)行研究，壩體上部厚度小于30m部分，壩體中部基礎(chǔ)約束區(qū)以上部分，壩體下部靠近基礎(chǔ)（基礎(chǔ)約束區(qū)）部分。

參考文獻(xiàn)

[1]黃耀英，周紹武，周宜紅，等.施工期混凝土高拱壩已灌區(qū)溫度回升解析[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013（4）：36-39.

[2]張國新，商峰，陳培培.特高拱壩封拱后溫度回升及其原因分析[J].水力發(fā)電，2014（3）：26-30.

[3]楊萍，劉玉，李金桃，等.溪洛渡拱壩后期溫度回升影響因子及權(quán)重分析[A].高壩建設(shè)與運(yùn)行管理的技術(shù)進(jìn)展——中國大壩協(xié)會2014學(xué)術(shù)年會[C].2014.

[4]張國新，周秋景.特高拱壩封拱后溫度回升及影響研究[J].水利學(xué)報(bào)，2015（9）：1009-1018.