豐滿重建工程碾壓混凝土壩越冬結(jié)合面內(nèi)外溫差研究

陳 波，孟憲磊，李洋波

碾壓混凝土壩已在我國廣泛應用，對于在嚴寒地區(qū)修建的碾壓混凝土重力壩，由于冬季氣溫低，年平均氣溫也較低，氣溫年變化幅度很大，而且冬季往往因氣溫太低而停工，大量混凝土要在夏天澆筑［1］。同時由于越冬長間歇式［2］施工方式，使得混凝土壩越冬結(jié)合面附近容易產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差，從而在上下游表面附近引起較大的拉應力集中，并且在越冬結(jié)合面的頂面中間部位會引起較大的水平拉應力，給混凝土壩的溫度控制帶來了較大困難。在觀音閣水庫大壩［3］施工中雖然采取了相應的溫控措施，但由于越冬長間歇式施工方法，加上冬季寒冷的氣候條件，入冬后越冬表面降溫迅速，形成較大的內(nèi)外溫差，在上下游表面產(chǎn)生了水平裂縫。魏婷婷［4］認為施工期在越冬結(jié)合面上設一條人工溫度應力釋放縫并對越冬層面進行保溫措施，得到嚴寒地區(qū)高碾壓混凝土重力壩由于越冬長間歇引起的混凝土開裂的一條解決途徑，但上述研究大多采用仿真計算來得到嚴寒地區(qū)碾壓混凝土大壩溫度，而仿真計算的熱力學參數(shù)及邊界條件與實際情況存在一定的差異，導致仿真計算的高效性、可靠性與計算參數(shù)的粗糙性存在極大的沖突［5］。而采用光纖測溫測得數(shù)據(jù)更加真實，可以實時監(jiān)測大壩內(nèi)部和越冬層面的最高溫度，對其越冬保溫后、寒潮期間、極大晝夜溫差下三個方面的越冬結(jié)合面內(nèi)外溫差規(guī)律進行研究，了解越冬結(jié)合面保溫措施的效果情況。

1 工程概況

豐滿水電站碾壓混凝土重力壩坐落于吉林省境內(nèi)的第二松花江干流上，水力資源豐富，處于嚴寒地區(qū)，氣溫變化較大，且寒潮頻繁，每年10月份氣溫開始轉(zhuǎn)入零度以下，來年4月份氣溫開始回升到零度以上，封凍期長達6～7個月。壩區(qū)多年平均氣溫4．9℃，極端最高氣溫 36．6℃，極端最低 氣 溫－ 40．2℃［6］。

該工程主體部分采用碾壓混凝土施工，不分縱縫、通倉澆筑，冬季采用越冬長間歇式，故豐滿大壩溫度應力時空分布規(guī)律與普通混凝土大壩不同，很難保證其不開裂。為了了解豐滿新建碾壓混凝土重力壩澆筑期和養(yǎng)護期的溫度場和應力場的分布規(guī)律，為實際工程施工制定有效的溫控措施，采用分布式光纖［7］對其溫度場進行實時在線監(jiān)測。

2 基本資料

2．1 澆筑情況

本次測溫選擇在豐滿碾壓混凝土重力壩工程［8］33＃擋水壩段，大壩壩高90 m，2016年共澆筑十倉混凝土，每倉3 m高，其中，2016年澆筑的第1倉位于基礎強約束區(qū)，第2到第5倉位于基礎弱約束區(qū)，第6倉到10倉為自由區(qū)，第10倉是為越冬期之前澆筑的最后一倉。本次只研究越冬結(jié)合面的越冬期內(nèi)外溫差規(guī)律。

2．2 光纖布置

在2016年澆筑完成越冬之前最后一倉（第十倉）后，將光纖沿33＃擋水壩段越冬面布置，布置完成后用越冬保溫被覆蓋。根據(jù)施工現(xiàn)場情況和施工進度安排等因素，以及最大限度測量到關鍵位置溫度，第十倉光纖在立面上，布置在中間位置，且避開冷卻水管，見圖1；在平面上，光纖在廊道處繞道，預留足夠距離，避免因定位不準確導致光纖因鉆孔破壞，見圖2。光纖布置完成后需對其進行越冬期保護，埋入混凝土部分，由于倉面已有保溫措施，故無需其他措施；而對于光纖盤至出倉口段無法埋入路基底下，仍然暴露在空氣中，故采用外包保溫被的方法，維持外露光纖處于正常工作溫度范圍。由于嚴寒地區(qū)外界氣溫達到－30℃，目前尚沒有在這種溫度下大規(guī)模埋設光纖進行測溫的情況，故對于嚴寒地區(qū)分布式光纖第一次大規(guī)模埋設在－30℃條件下進行測溫是個極大的挑戰(zhàn)。這也是文章的一點創(chuàng)新之處。

圖1 自由區(qū)第十倉面光纖立面布置圖

圖2 自由區(qū)第十倉面光纖平面布置圖

經(jīng)過一個越冬期后監(jiān)測出不同區(qū)域越冬期的內(nèi)外溫差和混凝土內(nèi)部的最高溫度，達到混凝土壩的最高溫度和內(nèi)外溫差等溫控指標［9］滿足要求，通過本工程實踐證明，分布式光纖能夠大規(guī)模埋設在－30℃條件下應用于嚴寒地區(qū)測溫，很好的監(jiān)測了嚴寒地區(qū)碾壓混凝土壩的越冬期內(nèi)外溫差，并充分挖掘這些溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究出嚴寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩越冬結(jié)合面內(nèi)外溫差規(guī)律。

2．3 光纖定位及精度

2．3．1 光纖定位

光纖定位方法是基于光纖上標有長度刻度與DTS儀器的顯示刻度之間的關系來確定光纖埋設位置在DTS上的時間刻度位置。由于DTS儀器中預留一定長度的光纖，需要提前校正DTS儀器上刻度與光纖標注刻度之間的關系，故本次工程在埋設光纖前，采取水桶測溫實驗的方法來建立起光纖實際刻度與DTS儀器刻度之間的關系，即：

式中：LD2為實際埋設在混凝土中光纖對應于DTS儀器中刻度的位置；LD1為這次水桶溫度測試得到的DTS儀器中刻度位置；Lg1為水桶溫度測試得到的光纖標有刻度值；Lg2為實際埋設到混凝土中的光纖標有刻度值。

因此，我們只需要記錄光纖埋設時實際刻度在倉面各個角點等關鍵點處光纖的刻度值，倉面其余點采用插值計算方法推算，即可將倉面各點同光纖刻度對應起來。

因為光纖標出刻度值存在的誤差，隨著埋設光纖長度的增多，誤差必然越來越大，因此在每一倉埋設后都要做水桶溫度測試，以確保光纖定位的準確性。

2．3．2 光纖精度

采用水桶測溫實驗不僅能夠進行光纖定位，還可以進行光纖測溫精度的校正，將水桶中溫度計的數(shù)值求取平均值即為光纖10 m范圍的平均值，再與DTS儀器的溫度刻度進行對比，校正DTS儀器的測溫精度。同時水科院采用點式溫度計對典型壩段的典型點進行了單獨測量，通過提取光纖和點式溫度計位置重合的點進行對比，結(jié)果見表1。

表1 測溫數(shù)據(jù)對比表

從表1中可以看出，同一測溫位置，光纖測溫和水科院智能測溫數(shù)據(jù)最大相差0．935℃，“測溫點1”平均相差 0．23℃，“測溫點 2”平均相差 0．32℃。因此，分布式光纖的精確度得到驗證。

2．4 內(nèi)外溫差控制標準的依據(jù)

內(nèi)外溫差是引起混凝土澆筑后初期表面裂縫［10－11］的主要原因。未滿28 d齡期混凝土的暴露表面，應根據(jù)溫度應力計算分析采取保護措施。在遭遇寒潮、低溫季節(jié)澆筑的混凝土表面均需進行表面保護。一般認為，在基巖約束范圍以內(nèi)，內(nèi)外溫差不宜大于20℃～22℃；在其它部位不宜大于23℃～25℃。

2．5 越冬前最后一倉的溫度規(guī)律

2016年澆筑的最后一倉的澆筑時間為9月26日19點30分左右，澆筑溫度采用自然入倉，當時環(huán)境氣溫為15．70℃，由于此倉位于自由區(qū)，同時為越冬期到來的最后一倉，因此提取此倉作為自由區(qū)典型倉面?，F(xiàn)分別提取倉面中心點、距上游5 m點、距上游10 m點、上游點、距下游5 m點、距下游10 m點、下游點的溫度過程線，見圖3。

圖3 自由區(qū)第十倉面典型點溫度過程線

從圖3可以看出，上游點和下游點的混凝土采用變態(tài)混凝土材料，其水化熱溫升遠大于碾壓混凝土材料，同時上游點的溫度大于下游點的溫度，在10月中旬出現(xiàn)上游點溫度低于下游點，這是由于在10月初開始進行越冬期的上下游保溫，上下游保溫不是同時進行，先進行的是下游側(cè)的保溫所導致的。上下游點溫差隨著越冬保溫措施采取后，差距越來越少，到次年2月份只有不到1℃。

對于碾壓混凝土區(qū)域，澆筑開始到經(jīng)歷第一個越冬期結(jié)束，中心點的溫度是最高的，混凝土溫度在內(nèi)部變化不大，在上下游側(cè)5 m范圍內(nèi)變化劇烈，各特征點在越冬期溫度都呈現(xiàn)降溫趨勢，對于上下游側(cè)降溫幅度較大，在進入越冬期后，上下游側(cè)的降溫幅度達到5℃以上，對于內(nèi)外溫差，在進入越冬期后，可以看出內(nèi)外溫差呈現(xiàn)增大趨勢，自由區(qū)第十倉進入越冬期后各特征點最大溫差的情況，見表2。從表2可以看到最大溫差發(fā)生在中心點與下游點之間，最大溫差為7．00℃，上游側(cè)的溫差小于下游側(cè)的溫差，這是由于上游側(cè)散熱條件較下游側(cè)差所致。

混凝土中心點溫度在2016年10月15日到達最低溫度，溫度為20．96℃。

表2 自由區(qū)進入越冬期后各特征點最大溫差

3 越冬結(jié)合面的越冬期內(nèi)外溫差

3．1 越冬保溫后越冬結(jié)合面的內(nèi)外溫差研究

豐滿大壩在2016年10月初到11月26日對已建大壩的上下游和越冬面進行越冬保溫，光纖鋪設到33＃擋水壩段的越冬面上，再用越冬面保溫被蓋上，用以監(jiān)測保溫措施的優(yōu)劣。豐滿大壩的越冬保溫具體措施如下：大壩的越冬結(jié)合面采用兩層2 cm厚的聚乙烯保溫被加上13層2 cm厚棉被來保溫，首先在越冬結(jié)合面鋪設一層薄膜塑料（厚度為0．6 mm），其次在上面鋪設兩層2 cm厚的聚乙烯保溫被外加2 cm厚棉被共13層，然后在頂部鋪設三防帆布一層；豐滿碾壓混凝土壩的上下游側(cè)面采取8 cm厚XPS板進行保溫，首先在越冬結(jié)合面鋪設一層薄膜塑料（厚度為0．6 mm），其次在其側(cè)面部鋪設8 cm厚XPS板，最后鋪設一層三防帆布，等效放熱系數(shù)不大于 29．79 kJ／（m2·d·℃）；水平面與側(cè)面相接的雙向散熱區(qū)加強越冬防護，首先在越冬面鋪設一層塑料薄膜（厚度0．6 mm），其次其側(cè)面部鋪設16 cm厚XPS板，然后再鋪設三防帆布一層。

本次越冬保溫涵蓋整個壩段，包括越冬面和上下游側(cè)，通過將光纖埋設在保溫棉被下面得以監(jiān)測保溫效果。但是由于現(xiàn)場光纖布置情況復雜，部分倉面無法按照計劃將光纖覆蓋上中下游，會出現(xiàn)光纖布置不到位或是裸露在保溫被上等問題，而33＃擋水壩段沒有出現(xiàn)上述問題，故本次整理的結(jié)果均采用33＃擋水壩段成果。

現(xiàn)提取越冬結(jié)合面上的上游、中間倉面、下游特征點（即距上游側(cè)邊緣1 m的中間點33A，中心點33B，距下游側(cè)邊緣1 m的中間點33C）的溫度進行保溫效果的分析。越冬面特征點和室外氣溫對比圖的情況，見圖4；提取的典型時段的典型點與室外氣溫以及越冬期來臨之前最后一倉混凝土中心點溫度的對比，見表3。

圖4 越冬面典型點與室外氣溫對比圖

表3 典型時刻越冬面典型點、室外溫度、混凝土溫度對比表

從圖4可以看出，保溫棉內(nèi)混凝土表面溫度較平穩(wěn)，室外晝夜溫差幾乎不影響保溫棉內(nèi)倉面表面的溫度，隨著時間的推移，保溫棉內(nèi)倉面表面溫度略有降低，從2016年11月末的18℃ ～21℃左右降為15℃左右，降溫幅度達到3℃～6℃左右。這與混凝土水化熱減緩以及保溫棉在經(jīng)過漫長的冬季，保溫效果下降有關。但截至2017年2月，倉面表面溫度依然超過10℃，普遍在14℃左右。混凝土內(nèi)部最高溫度約21℃，內(nèi)外溫差不超過7℃。

對于表3，2016年11月23日為越冬面保溫鋪設保溫措施的第一天，2016年12月27日為越冬期平均氣溫最冷的一天。從表3可以看出，保溫措施可以很好的降低內(nèi)外溫差，對于12月27日來說，外界和混凝土中心溫度的溫差達到45．94℃，由于保溫措施使得越冬結(jié)合面和混凝土中心溫度的內(nèi)外溫差為5．4℃，大大減少了內(nèi)外溫差，可見保溫效果較好。

從越冬結(jié)合面上的上游面、中間倉面、下游面的溫度可以看出，倉面上游點的光纖溫度是最高的，其次是中間倉面，最后是下游面。對于越冬結(jié)合面的各特征點的溫度隨著越冬期的時間延續(xù)，溫度逐漸降低，截止到2017年2月15日，越冬結(jié)合面上平均溫度和混凝土中心溫度內(nèi)外溫差為7．31℃。

3．2 寒潮期間的越冬結(jié)合面內(nèi)外溫差研究

氣溫驟降稱為寒潮，其指日平均氣溫在幾天內(nèi)（2 d～ 6 d）下降劇烈（降幅大于 5℃）［10－12］?；炷链髩卧谑┕r，肯定要遇到寒潮引起的氣溫驟降，從而形成較大的溫度應力，氣溫驟降所產(chǎn)生的拉壓力超過混凝土的抗拉強度，從而形成各種裂縫［13－15］。同時，豐滿大壩在東北地區(qū)，冬季不施工，每年有5個月要停歇施工，長間歇期間遭遇寒潮氣溫驟降，這時在越冬結(jié)合面上出現(xiàn)裂縫的可能性很大。因此，研究越冬期期間寒潮對越冬結(jié)合面的影響就至關重要。

根據(jù)實測資料，可以得到越冬期的外界每天的平均氣溫變化曲線，見圖5，從圖5中可以看出，2016年12月20到12月24日外界每天平均氣溫驟降，下降幅度很大，很明顯這是遭遇了寒潮?，F(xiàn)提取這段時間的溫度實測數(shù)據(jù)，得出2016年12月20到12月24日外界氣溫變化曲線，見圖6。

圖5 越冬期外界氣溫變化曲線

從圖6可以看出，在2016年12月20日到12月24日期間，溫度下降最大幅度為33℃，溫度下降劇烈，特提取越冬結(jié)合面上各特征點和混凝土中心溫度進行比較，見表4。

圖6 寒潮期間外界氣溫變化曲線

表4 寒潮期間的內(nèi)外溫差

由表4可以看出，寒潮期間越冬結(jié)合面上的上游面、中間、下游面的溫度都有下降，平均下降0．61℃，溫度下降趨勢較慢，從側(cè)面可以看出越冬結(jié)合面的保溫效果較好。在寒潮期間，混凝土中心點溫度與越冬結(jié)合面溫度內(nèi)外溫差由3．41℃增大到4．57℃，增大 1．16℃，增幅不大。

3．3 極大晝夜溫差下越冬結(jié)合面內(nèi)外溫差研究

由氣溫數(shù)據(jù)可知，2017年2月14日這一天的晝夜溫差達到最大，為31℃，故選取這一天作為典型天，研究在這么大的晝夜溫差下越冬結(jié)合面上混凝土，內(nèi)部混凝土與氣溫之間的溫度效應?，F(xiàn)提取2017年2月14日這一天的光纖測溫數(shù)據(jù)，得出外界氣溫，越冬結(jié)合面上中下游點和混凝土內(nèi)部中心點溫度變化曲線，見圖7。

圖7 極大晝夜溫差下的混凝土溫度響應

由圖7中可以看出，在如此大的晝夜溫差下，越冬結(jié)合面上的混凝土表面溫度變化幅度較小，整體變幅不到2℃，混凝土內(nèi)部中心點溫度變化幅度也不到2℃，內(nèi)外溫差從5．83℃增大到7．15℃，增幅不大，從側(cè)面可以看出越冬面表面保溫效果較好。

4 結(jié) 論

（1）分布式光纖可以大規(guī)模的埋設在－30℃條件下進行測溫，豐滿大壩重建工程實踐結(jié)果表明測溫效果很好，這為處于嚴寒地區(qū)的大壩混凝土大規(guī)模的埋設分布式光纖測溫提供了實踐依據(jù)。

（2）越冬期期間，越冬結(jié)合面表面溫度變化較為穩(wěn)定且緩慢下降，經(jīng)越冬保溫后越冬結(jié)合面的內(nèi)外溫差大大減少，而寒潮期間和極大晝夜溫差下的內(nèi)外溫差均增幅不大，由此可見越冬面保溫效果較好。

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