混凝土拱壩通水冷卻同倉混凝土溫差對壩體應(yīng)力的影響

趙澤湖，周秋景，牟榮峰，楊 寧，張家豪

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038）

1 研究背景

拱壩混凝土拉應(yīng)力［1］主要源于溫差及溫差變化過程中外在的約束作用，其中溫差［2］主要包括基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差，這三種溫差在拱壩設(shè)計(jì)和施工中受到普遍重視，采取各種措施進(jìn)行控制。除上述三種溫差外，還存在其它溫度差異，如目前在特高拱壩中，300 m級特高拱壩壩體中下部厚度一般在50 m以上，壩段寬度一般在20～25 m，倉塊面積達(dá)1000～1200 m2。在此情況下，每一澆筑倉需要布置多根冷卻水管，混凝土在通水過程中，熱量被冷卻水管帶走，距水管越近溫度下降越快，每一澆筑倉不同區(qū)域平均溫度存在差異是必然的。傳統(tǒng)拱壩測溫是在典型壩段典型高程埋設(shè)少量永久溫度計(jì)，壩體溫度依靠悶溫檢測成果，該溫度能夠反映大壩澆筑倉塊整體溫度，但無法給出內(nèi)部各區(qū)域之間溫度差異。目前大壩施工中，為滿足智能和安全控制，壩體各壩段各倉均埋設(shè)溫度計(jì)，同時(shí)布設(shè)分布式光纖［3］等線式溫度計(jì)，可以對大壩各倉溫度分布和變化規(guī)律有比較全面和準(zhǔn)確的認(rèn)識。西南幾座高拱壩施工期監(jiān)測資料表明，同倉溫度存在差異的現(xiàn)象是普遍的，一般一倉混凝土根據(jù)冷卻水管布置可分為上中下游三個(gè)區(qū)，各區(qū)之間溫度差異最大可達(dá)到6～8℃，一般也有2～3℃，該溫度差異會對大壩應(yīng)力產(chǎn)生影響［4］。針對同倉溫度差異及影響問題，朱伯芳［5］分析了小灣拱壩同倉溫度上中下三區(qū)分批冷卻溫度差異3℃對應(yīng)力的影響，結(jié)果表明上下游溫度梯度會帶來附加拉應(yīng)力，最大約0.35 MPa，遠(yuǎn)小于二冷及高度方向溫差帶來的拉應(yīng)力。除此以外，因監(jiān)測條件等限制，對同倉混凝土溫差分布及量值的認(rèn)識并不十分清楚，對相應(yīng)溫度應(yīng)力的研究也不充分［6］，目前實(shí)際澆筑過程中同倉上下游溫度控制缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)。

本文以我國西南某特高拱壩為例，針對典型倉塊冷卻水管埋設(shè)及溫度監(jiān)測資料進(jìn)行分析，定性判斷大壩混凝土同倉溫差原因，在此基礎(chǔ)上，采用有限元方法定量研究不同溫差形式、不同溫差大小對倉塊應(yīng)力的影響，為拱壩施工過程中的溫控防裂提供技術(shù)支撐。

2 某混凝土拱壩通水冷卻概況

2.1 工程概況西南某水電站位于四川會東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道，電站以發(fā)電為主，水電站裝機(jī)容量1000 MW，總庫容58.63億m3，水電站壩址樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、地下廠房、左岸泄洪洞等組成。混凝土拱壩壩頂高程988 m，最大壩高270 m，拱冠梁頂厚9.95 m，底厚45.45 m，厚高比0.172，壩頂上游面弧長325.67 m，弧高比1.23。壩體設(shè)橫縫不設(shè)縱縫，共分15個(gè)壩段，橫縫設(shè)接縫灌漿，陡坡壩段岸坡設(shè)接觸灌漿，壩身共布置5個(gè)表孔6個(gè)中孔，混凝土總方量約273萬m3。

2.2 水管布置及溫度計(jì)埋設(shè)為滿足拱壩有關(guān)溫控標(biāo)準(zhǔn)和智能通水要求，拱壩各澆筑倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管和數(shù)字式溫度計(jì)。圖1分別為典型澆筑倉平面方向與垂直方向上的冷卻水管與溫度計(jì)布置示意圖，整壩大部分采取該種布置形式，冷卻水管采用高密度乙烯冷卻水管，單根長度不超過250 m，冷卻水管埋設(shè)間距一般為1.5 m×1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，同一高程多根冷卻水管由一根主管供水，冷卻水經(jīng)另一主管引出，由于主管與多根冷卻水管的連接部位均位于澆筑倉內(nèi)部，即形成壩內(nèi)“一拖多”的水管布置形式；大壩混凝土各倉均埋設(shè)施工期溫度計(jì)進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫度測量，溫度計(jì)埋設(shè)于兩層冷卻水管中間的上中下游區(qū)域（約長度方向1/4點(diǎn)），在鋼筋密集區(qū)等特殊部位適當(dāng)增加溫度計(jì)。

圖1 水管及溫度計(jì)埋設(shè)

3 典型倉塊溫度監(jiān)測分析

表1 澆筑倉上下游溫度計(jì)讀數(shù)（上游/中游/下游，單位：℃）

表1為大壩不同壩段不同倉塊四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上中下游區(qū)域溫度統(tǒng)計(jì)情況，各倉塊在9月10日左右溫度普遍在22～25℃之間，基本達(dá)到初冷目標(biāo)溫度，同一倉混凝土不同區(qū)域最大差異約3℃，為7#-0009倉；隨著中期冷卻和二期冷卻的進(jìn)行，各倉塊不同區(qū)域溫度普遍下降，但下降幅度存在差異，至11月20日，最大溫差約5.5℃，出現(xiàn)在5#-0004倉。在空間分布上，上游區(qū)溫度一般偏高，下游和中游溫度相對較低，但也有上游區(qū)溫度偏低情況存在?？傮w來看，上游溫度高中下溫度低、中部溫度高上下游溫度低、下游溫度高中上溫度低等幾種形式均有存在。

圖2為典型倉塊溫度監(jiān)測曲線，可知：（1）同倉混凝土溫度變化總體趨勢相同，升溫和降溫階段基本一致；（2）相同時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域混凝土溫度變化幅度存在一定差異，造成同倉混凝土溫度差異；（3）個(gè)別溫度計(jì)測值波動(dòng)較大，與其它溫度計(jì)差別明顯。

圖2 典型溫度計(jì)測值過程線

圖3 通水流量與溫度計(jì)讀數(shù)過程曲線

基于以上監(jiān)測溫度分布和變化規(guī)律，結(jié)合冷卻水管和溫度計(jì)埋設(shè)情況，可知：（1）溫度計(jì)埋設(shè)位置距冷卻水管距離不一致會使得溫度測值存在偏差。溫度計(jì)均要求埋設(shè)于兩層冷卻水管中間位置，即垂直方向和平面方向均位于冷卻水管中間位置，以該位置溫度代表倉塊該區(qū)域溫度。但實(shí)際施工過程中，埋設(shè)位置存在偏差難以避免。在溫度計(jì)距冷卻水管較近時(shí)，溫度測值會受到冷卻通水過程影響，導(dǎo)致溫度偏低且波動(dòng)性較大，不能反映該區(qū)域混凝土溫度，使得同倉溫度出現(xiàn)較大差異。圖3為某倉通水流量曲線與溫度過程曲線圖，在通水階段，溫度曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，存在0.5℃左右的波幅，可以推測該溫度計(jì)埋設(shè)位置過于靠近冷卻水管，受通水影響明顯。（2）倉塊上游側(cè)較中下游寬，等長水管形成的彎形水管數(shù)量不同，各支管的水流阻力也會有所差別，一拖三的水管布置形式造成在上中下游側(cè)流量不均勻。其次，冷卻水管的擠壓變形甚至破壞也會導(dǎo)致流量在各支管分配不均勻，從而造成同倉溫差的出現(xiàn)。表1中各時(shí)間點(diǎn)上中下游溫度計(jì)讀數(shù)表明最低溫度往往出現(xiàn)在中下游區(qū)域，上游區(qū)域未出現(xiàn)最低溫度，這與冷卻水管的進(jìn)出水口均布置在下游有一定關(guān)系。（3）在陡坡壩段基礎(chǔ)約束區(qū)，澆筑倉側(cè)面與基巖接觸，溫度計(jì)一般埋設(shè)于倉塊中軸線位置，上下游溫度計(jì)與基巖的距離不一致，基巖溫度普遍偏高，在22～24℃之間，溫度計(jì)受到基礎(chǔ)溫度影響也會有所差別，如圖4所示。

圖4 陡坡壩段澆筑倉溫度計(jì)平面位置

4 溫度差異對應(yīng)力影響分析

4.1 計(jì)算模型和參數(shù)以該拱壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑倉為例，分析同倉溫差對應(yīng)力影響程度，計(jì)算混凝土和基巖主要熱力學(xué)參數(shù)見表2。倉塊有限元模型見圖5，倉塊中不同顏色部分表示澆筑倉上中下游區(qū)域，對不同區(qū)域調(diào)整通水流量以模擬溫差對壩體的應(yīng)力影響。基面底面三向固定，側(cè)面軸向約束共計(jì)62 060個(gè)節(jié)點(diǎn)，56 032個(gè)單元。

表2 主要熱力學(xué)參數(shù)

圖5 仿真分析模型

4.2 計(jì)算工況和軟件上下游溫差的存在帶來了附加拉應(yīng)力，為了準(zhǔn)確計(jì)算此溫度荷載，本文考慮了上下游溫差的不同分布形式以及溫差大小，計(jì)算工況見表3，仿真計(jì)算利用中國水利水電科學(xué)研究院獨(dú)立自主開發(fā)的結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性軟件Saptis［7-8］，SAPTIS歷經(jīng)30年的“開發(fā)—應(yīng)用—再開發(fā)—再應(yīng)用”過程，是一款成熟的大型混凝土全過程、全要素仿真分析平臺，已應(yīng)用于錦屏［9］、小灣［10］、溪洛渡、大崗山等多個(gè)大型工程。

仿真分析過程中，混凝土澆筑溫度為16℃，初期冷卻目標(biāo)溫度均控制為24℃左右，中后期通水冷卻開啟及結(jié)束時(shí)間均保持一致，通過控制倉塊上中下游流量來調(diào)節(jié)不同的二冷結(jié)束溫度，以滿足各工況計(jì)算需求。

表3 計(jì)算工況 （單位：℃）

4.3 不同溫差形式對應(yīng)力影響溫差為5℃的6種溫差形式下的應(yīng)力情況見表4，各工況均在順河向方向出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，圖6～圖12為順河向應(yīng)力最大時(shí)工況1～工況7順河向應(yīng)力等值線圖。

表4 各工況最大拉應(yīng)力

圖6 工況1順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖7 工況2順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖8 工況3順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖9 工況4順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖10 工況5順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖11 工況6順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖12 工況7順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

從表中可以看出：（1）順河向應(yīng)力，無溫差工況下順河向應(yīng)力量值居于各工況中間水平，上下波幅0.1 MPa左右，中間區(qū)域溫度最低產(chǎn)生的應(yīng)力最大，下游平均拉應(yīng)力次之，上游區(qū)域最小。工況4上中下游的溫差形式15/13/18℃，拉應(yīng)力最大，為1.295 MPa；工況3上中下游的溫差形式13/18/15℃，拉應(yīng)力最小，為1.078 MPa，兩者相差20%。（2）橫河向應(yīng)力，溫差存在工況下橫河向應(yīng)力均大于無溫差工況橫河向應(yīng)力為0.619 MPa，澆筑倉上游溫度最低的溫差分布形式產(chǎn)生的橫河向應(yīng)力最大，其次是中部和下游，最大0.899 MPa，最小0.643 MPa，兩者相差40%。由于澆筑倉在順河向尺度大于橫河向，無溫差工況順河向應(yīng)力大于橫河向，導(dǎo)致溫差形式不同所產(chǎn)生的附加應(yīng)力對橫河向應(yīng)力的影響程度大于順河向。

以應(yīng)力量值較大的順河向應(yīng)力為例，從各工況順河向應(yīng)力等值線圖可以看到：（1）各種工況下順河向應(yīng)力分布的基本規(guī)律為倉塊中間區(qū)域出現(xiàn)最大順河向應(yīng)力，向上下游兩側(cè)減小。這主要由于上下游面均為臨空面，順河向基本處于零應(yīng)力狀態(tài)，中間區(qū)域混凝土收縮變形收到上下游兩側(cè)混凝土的強(qiáng)約束作用。（2）無溫差工況與其它溫差存在工況的對比可以得出，順河向應(yīng)力分布主要表現(xiàn)為中部應(yīng)力大，上下游兩側(cè)小的基本應(yīng)力規(guī)律，但溫差分布形式對應(yīng)力分布也有一定程度的影響，主要體現(xiàn)在應(yīng)力較大位置會向溫度較低的區(qū)域有一定的偏移，使得上下游應(yīng)力梯度發(fā)生改變。（3）在6種溫差分布形式中，中間區(qū)域溫度最低的溫差分布形式產(chǎn)生的順河向應(yīng)力最大，這是因?yàn)橹虚g溫度最低時(shí)，混凝土變形收到的約束最強(qiáng)，使得中間部位順河向應(yīng)力最大。

4.4 不同溫差大小對應(yīng)力影響溫差大小對拉應(yīng)力影響明顯，不同的溫差大小對同一區(qū)域意味著溫度梯度的不同，溫差越大，所形成的溫度梯度也就越大，最終拉應(yīng)力也就越大。下面分別仿真計(jì)算了倉塊上中下游溫度為13/18/18℃、13/15/18℃、13/13/18℃的3種工況，即中下游形成的溫差分別為0℃、3℃、5℃。

表5 各工況最大拉應(yīng)力

圖13 中下部溫差為0℃（MPa）

圖14 中下部溫差為3℃（MPa）

圖13～圖15為3種工況下順河向及橫河向拉應(yīng)力等值線圖。由圖可知：（1）各種工況下順河向應(yīng)力分布的基本規(guī)律為倉塊中間區(qū)域出現(xiàn)最大順河向應(yīng)力，向上下游兩側(cè)減小。（2）溫差大小對中下游區(qū)域順河向應(yīng)力分布規(guī)律也有一定影響，溫差越大，最大順河向應(yīng)力越大，同時(shí)中部與上下游的應(yīng)力梯度也就越大。這與整個(gè)中下游區(qū)域溫度的降幅有關(guān)，溫差越大意味著在下游溫度不變的前提下，中部溫度越低，中部溫度降幅越大，所引起的拉應(yīng)力也就越大，由于上下游面零應(yīng)力狀態(tài)的存在，中間部位順河向應(yīng)力的增大必將導(dǎo)致應(yīng)力梯度的增大。（3）在不同溫差大小情況下，橫河向應(yīng)力變化規(guī)律與順河向類似，橫河向最大應(yīng)力分布于倉塊上游部分中間位置，其原因在于倉塊上游橫河向方向尺度最大且溫度最低。在中下部溫差增大的情況下，溫度最低的中間部位橫河向應(yīng)力逐步增大，由于整體倉塊最大橫河向應(yīng)力位于上游區(qū)域，所以中下游溫差的增大直接體現(xiàn)為從中下游應(yīng)力近似均勻分布到應(yīng)力梯度的逐步增大。

圖15 中下部溫差為5℃（MPa）

圖16 中點(diǎn)順河向應(yīng)力過程線

由表5可以看出，0℃、3℃、5℃所形成的最大順河向拉應(yīng)力分別為0.948 MPa、1.139 MPa、1.345 MPa。取同一點(diǎn)即中軸線中點(diǎn)位置，應(yīng)力分別為0.77 MPa、1.09 MPa、1.28 MPa；溫差每增大2～3℃，順河向應(yīng)力增大0.2～0.3 MPa左右。圖16為倉塊中軸線中點(diǎn)3種工況下的過程線，拉應(yīng)力的增長符合一般規(guī)律，溫差越大，順河向最大拉應(yīng)力越大。從橫河向應(yīng)力來看，只考慮中下游橫河向應(yīng)力變化，中軸線中點(diǎn)位置應(yīng)力分別為0.17 MPa、0.49 MPa、0.68 MPa；溫差每增大2～3℃，橫河向應(yīng)力同樣增大0.2～0.3 MPa左右。

5 結(jié)論

本文研究了拱壩澆筑過程中混凝土同倉溫差問題，利用SPATIS軟件對基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑倉進(jìn)行不同溫差形式及溫差大小等工況的仿真分析，本文得出如下結(jié)論：（1）同倉溫差測值較大原因，一是溫度計(jì)埋設(shè)距冷卻水管距離不同帶來的監(jiān)測數(shù)值上的偏差，二是冷卻水管長度不同、施工過程中擠壓變形不同等導(dǎo)致流速流量差異從而引起的溫度差異。因此，在實(shí)際工程中為避免同倉溫差的出現(xiàn)，建議：對各支管流量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而不僅僅是只對主管流量進(jìn)行控制；溫度計(jì)埋設(shè)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工，確保埋設(shè)位置一致。在一些倉塊出現(xiàn)溫差較大情況下，通過仿真分析可以得到比較準(zhǔn)確的應(yīng)力估計(jì)，采取“小流量、持續(xù)通水”的策略，能夠避免不利情況的產(chǎn)生。（2）溫差分布的形式對整體應(yīng)力分布規(guī)律有一定影響，主要體現(xiàn)在應(yīng)力最大值點(diǎn)會向溫度較低的區(qū)域有一定的偏移，使得上下游應(yīng)力梯度發(fā)生改變。（3）最大溫差為5℃的上中下游不同溫差分布導(dǎo)致的順河向拉應(yīng)力最大和最小分別為1.295、1.078 MPa，相差約20%，橫河向拉應(yīng)力最大和最小分別為0.899、0.643 MPa，相差約40%，溫差對橫河向應(yīng)力的影響大于順河向應(yīng)力。中部溫度最低的15/13/18℃溫差分布形式對順河向最為不利，形成的最大順河向拉應(yīng)力為1.295 MPa；上游溫度最低的13/18/15℃溫差分布形式對橫河向最為不利，形成的最大橫河向應(yīng)力為0.899 MPa。（4）相同溫差形式下，在最小溫度降幅一定時(shí)，溫差增大2～3℃，順河向及橫河向應(yīng)力增大約0.2～0.3 MPa，引起不同溫差大小情況下應(yīng)力梯度不同。