高海拔大溫差地區(qū)河床壩段施工期溫控防裂研究

李 濤，程 鯤，王振紅

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，311122；2.黃河上中游管理局，陜西西安，710021；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038）

1 概述

裂縫問題一直是工程界所面臨的一大難題，不但影響工程的耐久性和使用壽命，也影響工程的安全性[1]。長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土裂縫問題進(jìn)行了大量的科學(xué)研究，特別是以大壩為代表的大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫控防裂[2-5]，但終因裂縫成因復(fù)雜、周圍環(huán)境影響因素的隨機(jī)性和多樣性、混凝土材料特性參數(shù)表述不準(zhǔn)確、溫控防裂措施較難落實(shí)和設(shè)計(jì)溫控措施安全裕度不夠等問題，施工期難以完全避免裂縫的產(chǎn)生。工程經(jīng)驗(yàn)表明[6]，在目前溫控理論和溫控措施很難有較大突破的前提下，通過對(duì)現(xiàn)有基本溫控措施的靈活運(yùn)用和優(yōu)化組合，可更好地發(fā)揮溫控防裂效果，滿足工程建設(shè)需要。

水管冷卻、表面保溫和設(shè)置誘導(dǎo)縫都是大體積溫控防裂常用的方法[7]，這些方法在低海拔或者平原地區(qū)已得到廣泛應(yīng)用，并且取得了很好的效果。但是在高海拔地區(qū)，特別是世界屋脊的西藏地區(qū)，尚無工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。這類地區(qū)海拔高、溫差大、太陽輻射強(qiáng)、空氣稀薄[8-11]，嚴(yán)重影響混凝土的溫控防裂效果，因此需要開展高海拔大溫差地區(qū)大壩的溫控防裂專項(xiàng)研究，探索在這類地區(qū)筑壩的溫控防裂措施和標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，以西藏某水電站河床壩段為例，采用數(shù)值計(jì)算方法，研究適合西藏高海拔大溫差條件的混凝土溫控措施和標(biāo)準(zhǔn)，為高海拔地區(qū)大壩的施工和建設(shè)提供重要參考。

2 工程概況和氣象條件

2.1 工程概況

某水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日、加查縣境交界處，上游距澤當(dāng)鎮(zhèn)約80 km，下游距加查縣約28 km。該水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，壩址以上集水面積157 407 km2，壩址多年平均流量1 010 m3/s。

水電站水庫正常蓄水位為3 374 m，相應(yīng)庫容0.474 8億m3，調(diào)節(jié)庫容為985萬m3（沖淤平衡后）。電站裝機(jī)4臺(tái)，裝機(jī)容量560 MW，保證出力152 MW，多年平均發(fā)電量為27.556億kW·h。

水電站攔河大壩為混凝土重力壩，從左至右分別為左岸擋水壩段、廠引壩段、底孔壩段、溢流壩段及右岸擋水壩段。壩頂全長(zhǎng)340 m，壩頂高程3 378.00 m，最大壩高117.0 m，最大底寬99.8 m，壩體混凝土總方量約164萬m3。最大壩段寬度32.5 m，共分14壩段。壩身設(shè)5個(gè)泄洪表孔（14 m×21.5 m）、1個(gè)泄洪沖沙底孔（5 m×8 m）、4個(gè)發(fā)電進(jìn)水口，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大壩全年施工，施工周期長(zhǎng)，施工條件復(fù)雜。

2.2 氣象條件

西藏高海拔地區(qū)有特殊的氣候條件，除氣候干燥、空氣稀薄和太陽輻射強(qiáng)的基本特征外，年平均氣溫低和月平均溫差大也是該地區(qū)典型的氣候特征。從表1和表2可以看出，該地區(qū)年平均氣溫9.3℃，遠(yuǎn)低于其他類似工程所在地的年平均氣溫。從圖1可以看出，該地區(qū)的溫度變化幅度較大，最高月平均氣溫和最低月平均氣溫相差16.3℃，最大的月平均溫度變化為9～11月，兩個(gè)月降低將近10℃，遠(yuǎn)大于其他類似工程。研究表明，環(huán)境氣溫高或低對(duì)溫控防裂影響不大，但是環(huán)境氣溫變化大，無疑會(huì)加大混凝土的溫控防裂壓力。

表1 西藏某碾壓混凝土重力壩所在地區(qū)氣象信息（單位：℃）Table 1 Meteorological information at site of the RCC gravity dam(unit:℃)

表2 類似工程所在地的月平均氣溫對(duì)比（單位：℃）Table 2 Comparison of monthly mean temperature in dam site of some similar projects(unit:℃)

圖1 西藏某工程和其他幾個(gè)工程所在地的月平均氣溫對(duì)比Fig.1 Comparison of monthly mean temperature at dam site of researchful project and some similar projects

3 河床引水壩段施工期溫控標(biāo)準(zhǔn)研究

3.1 研究方案

研究方案如表3所示。

3.2 澆筑溫度對(duì)溫度應(yīng)力的影響

表4為不同澆筑溫度時(shí)壩體混凝土溫度應(yīng)力結(jié)果。圖2～3為不同工況特征點(diǎn)溫度及順河向應(yīng)力過程線，可以看出：

（1）當(dāng)強(qiáng)約束區(qū)澆筑層厚1.5 m，夏季澆筑的強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑溫度分別為12℃和14℃時(shí)，澆筑溫度每提高2℃，壩體混凝土最高溫度增加約1.2℃，最大應(yīng)力相應(yīng)增加約0.05 MPa，抗裂安全系數(shù)分別為1.81和1.74；

（2）弱約束區(qū)及自由區(qū)由于水管間距增大、夏季澆筑時(shí)澆筑溫度升高，澆筑層厚為3.0 m，混凝土澆筑溫度每提高2℃時(shí)，壩體混凝土最高溫度增加約1.57℃，自由區(qū)最大應(yīng)力相應(yīng)增加0.01 MPa，但弱約束區(qū)及自由區(qū)應(yīng)力都較小，安全系數(shù)大。

在相同的溫控措施條件下，澆筑溫度提高引起最高溫度增大，使得一期冷卻降溫幅度有所增加，從而一冷結(jié)束時(shí)應(yīng)力相對(duì)較大;將澆筑溫度降至12℃，抗裂安全系數(shù)可大于1.8，因此可以取得較好的溫控效果。

表3 河床引水壩段研究方案表Table 3 Temperature control schemes of diversion section on riverbed

表4 不同澆筑溫度對(duì)溫度應(yīng)力的影響Table 4 Influence of different pouring temperatures on temperature stress

圖2 工況1、工況2特征點(diǎn)溫度過程線比較圖Fig.2 Comparison of temperature of representative points under condition 1 and 2

圖3 工況1、工況2特征點(diǎn)順河向應(yīng)力過程線比較圖Fig.3 Comparison of stress along river of representative points under condition 1 and 2

3.3 同冷區(qū)高度和冷卻方式對(duì)溫度應(yīng)力的影響

對(duì)工況1、工況3和工況4進(jìn)行比較，3個(gè)工況的差異在于同冷區(qū)高度和冷卻方式不同，具體條件見表3。表5為同時(shí)冷卻區(qū)高度和冷卻方式對(duì)溫度應(yīng)力的影響。圖4～5為不同工況特征點(diǎn)溫度及順河向應(yīng)力過程線。由圖表可知：

（1）同冷區(qū)范圍和冷卻方式不同，對(duì)最高溫度影響不大，同冷區(qū)方案最高溫度基本為27.54℃；

（2）對(duì)于同冷區(qū)高度27 m，且從中冷開始同時(shí)冷卻的方案，由于上下灌區(qū)溫差較小和變形同步，基礎(chǔ)混凝土受到的約束相對(duì)較小，強(qiáng)約束區(qū)中部最大應(yīng)力為1.40 MPa，安全系數(shù)1.81；

（3）對(duì)于同冷區(qū)高度27 m，從中冷開始3灌區(qū)同時(shí)冷卻，但從二冷開始，同時(shí)冷卻區(qū)高度變?yōu)?8 m的方案，由于第2和第3灌區(qū)溫差和變形都有所差異，強(qiáng)約束區(qū)中部最大應(yīng)力增大為1.48 MPa，安全系數(shù)降低為1.71；

（4）如果同冷區(qū)高度設(shè)為18 m，且從中冷開始同時(shí)冷卻，強(qiáng)約束區(qū)中部最大應(yīng)力為1.49 MPa，安全系數(shù)1.70，較工況1安全系數(shù)降低明顯，安全儲(chǔ)備減小。

圖4 工況1、工況3、工況4下特征點(diǎn)溫度過程線比較圖Fig.4 Comparison of temperature of representative points under condition 1,3 and 4

圖5 工況1、工況3、工況4特征點(diǎn)順河向應(yīng)力過程線比較圖Fig.5 Comparison of stress along river of representative points under condition 1,3 and 4

表5 同時(shí)冷卻區(qū)高度和冷卻方式對(duì)溫度應(yīng)力的影響Table 5 Influence of simultaneous cooling zone height and cooling mode on temperature stress

綜上，同時(shí)同冷區(qū)高度對(duì)混凝土應(yīng)力的影響較明顯，尤其對(duì)強(qiáng)約束區(qū)第一、第二灌區(qū)的混凝土影響較大。為減小強(qiáng)約束區(qū)灌漿前二期冷卻末期的應(yīng)力，應(yīng)盡可能增大同時(shí)冷卻區(qū)的高度，以減小由于上下層溫度梯度導(dǎo)致的溫度應(yīng)力。河床壩段由于有24 m高的斜坡（3 261～3 285 m高程），建議基礎(chǔ)約束區(qū)同冷區(qū)高度設(shè)為27 m。

3.4 表面保溫對(duì)上下游面溫度應(yīng)力的影響

表6為不同保溫措施對(duì)溫度應(yīng)力的影響，圖6～7分別代表上游面3 276 m、3 282 m及3 284 m高程不同表面保護(hù)情況下溫度過程線和軸向應(yīng)力過程線，可以看出：

（1）采取表面保溫與無表面保溫措施，對(duì)表面軸向應(yīng)力影響較大。表面點(diǎn)的溫度隨外界氣溫周期性變化，冬季溫度低，夏季溫度高；應(yīng)力變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，冬季軸向應(yīng)力大，夏季軸向應(yīng)力?。槐睾笥捎谙麥p了溫度的變化幅度，其應(yīng)力也相應(yīng)減小，保溫效果明顯。

（2）上游面最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在高溫季節(jié)澆筑的混凝土進(jìn)入第一個(gè)冬季時(shí)，此時(shí)混凝土內(nèi)外溫差最大，表面應(yīng)力也最大。在相同內(nèi)外溫差條件下，受基礎(chǔ)約束的影響，約束區(qū)表面的應(yīng)力較自由區(qū)大。

（3）夏季澆筑壩體混凝土?xí)r，若入冬前強(qiáng)約束區(qū)已處二冷降溫階段，且基本接近目標(biāo)溫度，這種情況下的內(nèi)外溫差較小，表面壩軸向應(yīng)力水平相對(duì)較低。當(dāng)采取表面保護(hù)措施時(shí)（5 cm厚保溫板），應(yīng)力有所改善。上部混凝土多為低溫季節(jié)澆筑，且脫離基礎(chǔ)約束區(qū)，壩軸向應(yīng)力較小。

（4）在不考慮晝夜溫差時(shí)，無保溫措施下3 276 m高程最大應(yīng)力就達(dá)到1.23 MPa，采取表面保護(hù)（5 cm厚保溫板）時(shí)，應(yīng)力能改善為1.1 MPa；無保溫措施時(shí)3 282 m高程最大應(yīng)力就達(dá)到1.15 MPa，采取表面保護(hù)（5cm厚保溫板）時(shí)，應(yīng)力能改善為0.98MPa。

表6 不同保溫措施對(duì)溫度應(yīng)力的影響Table 6 Influence of insulation measures on temperature stress

圖6 不同表面保護(hù)工況溫度過程線比較Fig.6 Comparison of temperature of representative points under condition 1 and 5

結(jié)合工程實(shí)際情況，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，建議該大壩施工時(shí)采用5 cm厚聚苯乙烯保溫板進(jìn)行保溫，防止施工期產(chǎn)生表面裂縫。

圖7 不同表面保護(hù)工況軸向應(yīng)力過程線比較Fig.7 Comparison of axial stress of representative points under condition 1 and 5

4 結(jié)語

（1）在西藏地區(qū)修建大壩的工程經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，且這類地區(qū)存在海拔高、溫差大、太陽輻射強(qiáng)和空氣稀薄等氣候條件，對(duì)混凝土的溫控防裂十分不利，施工前應(yīng)開展高海拔大溫差地區(qū)大壩的溫控防裂專項(xiàng)研究，探索適合在這類地區(qū)筑壩的溫控防裂措施和標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在滿足工程實(shí)際的前提下，降低澆筑溫度至12℃可有效降低混凝土最高溫度和減小基礎(chǔ)溫差；增大同冷區(qū)高度至27 m可以提高壩體混凝土變形協(xié)調(diào)，降低相互約束，從而降低混凝土各部位間溫度梯度導(dǎo)致的溫度應(yīng)力；采取5 cm厚的聚苯乙烯保溫板進(jìn)行表面保溫，可以明顯降低表面應(yīng)力，特別是在溫差大的高海拔地區(qū)。 ■