山口巖碾壓混凝土拱壩溫控設(shè)計(jì)與溫控效果分析

胡國平，熊 磊，周清勇

（江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029）

1 工程概況

山口巖水利樞紐工程地處江西省萍鄉(xiāng)市蘆溪縣上埠鎮(zhèn)境內(nèi)，位于贛江支流袁水上游，距蘆溪縣城7.6 km。壩址以上控制集雨面積約230.0 km2，庫容為1.048 1×108m3，是一座以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的大（二）型水利樞紐工程。大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高99.1 m，壩頂軸線長268.23 m，壩底最大寬度30 m，壩頂寬度5.0 m。大壩上游面設(shè)置R90200二級(jí)配碾壓混凝土防滲層，壩體混凝土采用R90200三級(jí)配碾壓混凝土。溢流堰對(duì)稱布置在拱冠梁處，共三孔，每孔凈寬8.0 m，采用WES實(shí)用堰型，弧形閘門控制泄流，出口為挑流消能[1]。大壩自2007年底壩基、壩肩開挖，2008年12月底開始澆筑混凝土墊層，至2012年5月大壩整體澆筑至226.6 m高程。目前該工程已進(jìn)行蓄水鑒定驗(yàn)收并投入使用。

2 溫度仿真計(jì)算

山口巖拱壩采用碾壓混凝土材料，雖然具有水泥用量小、絕熱溫升低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，但工程實(shí)踐表明，碾壓混凝土也存在層面抗剪性能差、早期抗拉強(qiáng)度較弱等不足，尤其是施工期溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂問題較為突出。鑒于此，需對(duì)大壩施工全過程的溫度及應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，為反饋大壩溫控設(shè)計(jì)及需采取的溫控措施提供重要保證。

2.1 壩體溫度場計(jì)算成果

計(jì)算過程中根據(jù)施工進(jìn)度安排，模擬施工條件和環(huán)境條件仿真分析了大壩在施工期和運(yùn)行期的溫度場。中面溫度包絡(luò)圖見圖1，中面溫度過程線見圖2。

2.2 壩體溫度場計(jì)算成果分析

據(jù)仿真結(jié)果可知，位于壩體近基礎(chǔ)部位和壩體兩岸壩肩附近及溢流壩段周邊，最高溫度值分別達(dá)到38℃和45℃，這是因?yàn)榇藭r(shí)季節(jié)澆筑混凝土入倉溫度較高，外界氣溫高，在強(qiáng)約束條件下散熱條件差，導(dǎo)致溫度值偏大，在兩岸壩肩附近處同樣由于約束導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致該處的溫度梯度變化較大，溢流段為常態(tài)混凝土，水化熱溫升高。其他壩體區(qū)域的溫度較為均勻，主要是壩體與外界熱交換，而壩中上部較單薄，散熱相對(duì)快一些，并且此處入倉溫度較低，但仍在32℃左右波動(dòng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水泥水化熱和外界環(huán)境溫度的影響下，混凝土澆筑之后溫度迅速上升，達(dá)到一個(gè)制高點(diǎn)，然后通過表面熱交換，溫度逐漸下降，這樣極容易導(dǎo)致內(nèi)外溫差過大，進(jìn)而出現(xiàn)溫度應(yīng)力。在壩體蓄水運(yùn)行后，溫度變化隨外界環(huán)境呈余弦圖像變化，最終逐漸平緩到穩(wěn)定溫度，略隨外界氣溫和水溫變化。

圖1 溫度包絡(luò)圖（單位：℃）

3 溫控標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述仿真結(jié)果及《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 314-2004）可知，大壩局部溫度超過規(guī)范規(guī)定，各部位最高溫度詳見表1，局部高溫必將產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，結(jié)合工程具體施工技術(shù)條件和仿真結(jié)果，提出了山口巖碾壓混凝土拱壩的溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施，大壩在實(shí)際施工過程中已嚴(yán)格按照該標(biāo)準(zhǔn)及措施進(jìn)行[2-3]。

圖2 中面溫度過程線（單位：℃）

3.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 溫控分區(qū)及允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)

本工程壩體內(nèi)部最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表1：

表1 壩體內(nèi)部最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1.2 基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)溫差，是指基礎(chǔ)約束范圍以內(nèi)，混凝土最高溫度與該部位穩(wěn)定溫度（或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度）之差。本工程規(guī)定的基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)

3.1.3 內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)

在初溫均勻分布的條件下，內(nèi)外兩點(diǎn)的溫降之差即等于內(nèi)外兩點(diǎn)的溫度之差。以單個(gè)壩塊（或壩段）為對(duì)象，壩塊的內(nèi)外溫差又可認(rèn)為是中心點(diǎn)與邊界點(diǎn)的溫度之差。本工程規(guī)定的允許內(nèi)外溫差為23.5℃。

3.1.4 上下層溫差標(biāo)準(zhǔn)

上、下層溫差，指在老混凝土（齡期28 d以上）面，上下各0.25 L范圍內(nèi)，上層新澆混凝土最高平均溫度，與新澆混凝土開始澆筑時(shí)下層老混凝土實(shí)際平均溫度之差。本工程規(guī)定的上下層混凝土容許溫差為20℃。

3.1.5 封拱溫度

本工程碾壓混凝土拱壩的封拱溫度為17.3℃。

3.2 碾壓混凝土溫控措施

針對(duì)山口巖碾壓混凝土拱壩施工時(shí)主要采用的溫控措施有：優(yōu)化混凝土配合比；合理的澆筑分層和層間間歇；控制澆筑溫度；減少混凝土溫升；預(yù)埋冷卻水管通水冷卻。

4 溫度監(jiān)測布設(shè)

為了監(jiān)測碾壓混凝土在施工期和運(yùn)行期的溫度變化情況，施工過程中在大壩各部位布設(shè)了大量的溫度計(jì)。為了解基巖內(nèi)部的散熱情況及地溫分布狀況，在大壩拱冠梁0+141.323基礎(chǔ)基巖內(nèi)，沿不同深度鉛直布置了4支基巖溫度計(jì)；為監(jiān)測壩體溫度，在0+141.323、0+212.724、0+070.494監(jiān)測斷面上，在布有應(yīng)變計(jì)組各高程處，布置2～3支溫度計(jì)，共布設(shè)溫度計(jì)27支。水平監(jiān)測截面在154.5 m、199.5 m、214.5 m水平監(jiān)測截面上，于兩端拱座部位的應(yīng)變計(jì)組之間各設(shè)1支溫度計(jì)，共布6個(gè)測點(diǎn)。在誘導(dǎo)縫、橫縫處每間隔一灌區(qū)布置一支溫度計(jì)，共布置16支。

5 溫度監(jiān)測成果及分析

截至目前，已收集大量大壩各部位溫度實(shí)測值，這里僅羅列了各部位實(shí)測典型值及部分實(shí)測溫度過程線圖，詳見表3。

表3 壩體混凝土溫度監(jiān)測成果一覽表

實(shí)測資料表明，在混凝土澆筑期間，受混凝土水化熱影響，壩基基巖溫度變幅較大，實(shí)測最高溫度為22.54℃（TA4 2009-12-20 08:00測）。待上部混凝土澆筑完成并穩(wěn)定后，壩基基巖內(nèi)部溫度約為20.21℃。

壩體混凝土的溫度變化與混凝土的澆筑日期、入倉溫度有著密切的關(guān)系。大壩154.5 m、160.5 m高程混凝土澆筑日期為2009年4～5月，大壩163.45 m高程混凝土澆筑日期為2009年11月，大壩174.5 m高程混凝土澆筑日期為2010年5月，大壩78.5 m高程混凝土澆筑日期為2010年7月，大壩199.5 m高程混凝土澆筑日期為2011年3月，大壩214.5 m高程混凝土澆筑日期為2011年12月，其混凝土溫度與環(huán)境溫度相對(duì)應(yīng)，環(huán)境溫度越高，壩體混凝土溫度也高，反之亦然。目前壩體混凝土的溫度一般在20.0℃以下，隨著水化熱的逐漸消散，其溫度將趨于穩(wěn)定。

對(duì)比大壩在施工期和運(yùn)行期溫度場仿真分析結(jié)果及澆筑混凝土過程中實(shí)測數(shù)據(jù)，可知大壩最高溫度分布范圍及變化趨勢(shì)基本一致，但施工過程中因采取切實(shí)有效的溫控措施，壩體部分區(qū)域溫度最大值較仿真計(jì)算值略小。

6 結(jié)論及建議

鑒于工程形象面貌及施工情況和特點(diǎn)，施工期間的溫度監(jiān)測為參建各方提供了大量監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，可了解各個(gè)施工環(huán)節(jié)對(duì)主體建筑物的影響程度，尤其是在高低溫季節(jié)混凝土澆筑及溫度變化情況，為大壩混凝土的溫度控制提供一定的經(jīng)驗(yàn)。建議后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)大壩汛期監(jiān)測，并對(duì)監(jiān)測資料進(jìn)行整編分析，為大壩后續(xù)運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。