綠塘堆石混凝土拱壩施工期溫度分析

金 峰，張國新，張全意

（1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；2.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所 北京 100038；3.遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義 563002）

1 工程概況

堆石混凝土壩在堆石體表面澆注高自密實性能混凝土（HSCC）形成大體積混凝土的方式筑壩，水泥用量少，水化溫升低［1-8］，取消了振搗/碾壓和通水冷卻措施，施工簡便，近年來應(yīng)用推廣迅速，已建成70 余座堆石混凝土大壩，在建30 余座。其中，2016年建成蓄水的佰佳堆石混凝土拱壩，設(shè)置橫縫，壩高69 m，是已建成最高的堆石混凝土拱壩。正在設(shè)計的寶源堆石混凝土拱壩，壩高89.5 m，是正在設(shè)計最高的堆石混凝土拱壩。

綠塘水庫工程位于貴州省遵義市，工程所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量豐沛，光水熱同季。據(jù)鄰近的綏陽縣氣象站系列資料統(tǒng)計： 多年平均氣溫15.7 ℃，多年平均降水量1134.7 mm，多年平均無霜期287 d，多年平均日照1115 h，平均相對濕度80%。壩址區(qū)河谷為基本對稱的“V”型河谷。水庫設(shè)計年供水量為4271 萬m3/a，正常蓄水位826.00 m，相應(yīng)庫容1660 萬m3，水庫總庫容2040 萬m3。工程等別為Ⅲ等，規(guī)模屬中型。大壩為堆石混凝土定圓心單曲拱壩，頂拱中心角90.36°，頂拱外半徑115.0 m，壩頂高程829.5 m，壩頂寬6.0 m，壩軸線長181.36 m，壩基置于弱風(fēng)化基巖中部，建基面高程776.0 m，最大壩高53.5 m，最大壩底厚16.0 m，厚高比0.299。壩頂中部設(shè)3 孔溢流表孔，堰頂高程820.0 m，孔寬8 m。

綠塘拱壩取消溫控，不設(shè)橫縫，采用整體澆筑方式，采用預(yù)制混凝土塊作為永久模板，并在上游模板與堆石混凝土壩體間設(shè)置自密實混凝土防滲層。大壩堆石混凝土于2017年12月16日開始澆筑，2018年11月29日完成澆筑。堆石混凝土施工層厚1.28 m，堆石粒徑300 ～900 mm，實際量測的堆石率53%。堆石完成后，從右岸向左岸逐步澆筑HSCC，直至澆筑完成整個拱圈。堆石混凝土設(shè)計強度為C9015，HSCC 水泥用量130 kg/m3，即堆石混凝土水泥用量為61 kg/m3。施工過程中，施工單位對氣溫、拌合站水溫、HSCC 出機口溫度及入倉溫度都進(jìn)行了測量與記錄。根據(jù)大壩安全監(jiān)測設(shè)計，在高程790.0 m 拱圈的3 個監(jiān)測斷面分別設(shè)置了T10—T12、T13—T15、T16—T18 等3 組9 支溫度計（每組溫度計的編號沿靠近上游面防滲層、壩體中部、下游面遞增編號），類似的布置方式，在高程805.0 m 和高程820.0 m 兩個拱圈還分別設(shè)置了T19—T27 和T28—T39 等溫度計。

2 施工期溫度監(jiān)測

溫度荷載是拱壩特別是整體澆筑拱壩需要特別關(guān)注的重要荷載［9］，已有很多學(xué)者開展了堆石混凝土現(xiàn)場溫度監(jiān)測試驗［10-11］和仿真分析研究［12-13］，得到了多個堆石混凝土工程澆筑過程的溫升規(guī)律，但這些監(jiān)測大都通過將傳感器放在堆石體空隙，以HSCC 溫度變化代替堆石混凝土的溫升變化。為深入研究堆石混凝土澆筑過程中HSCC 和堆石的溫度變化規(guī)律及二者之間的聯(lián)系，2018年10月25日開始，在高程823.8 m 開始的連續(xù)3 層堆石混凝土開展了施工期臨時溫度監(jiān)測。本文監(jiān)測在堆石體空隙中（監(jiān)測HSCC 溫度）和堆石內(nèi)部不同深度位置（監(jiān)測堆石溫度）埋入熱電阻溫度傳感器，測溫范圍-50 ～200 ℃，精度為0.1 ℃，采用自動監(jiān)測，每小時讀數(shù)1 次。在倉面上已完成堆放的堆石中挑選合適位置的堆石鉆孔到規(guī)定深度，然后將溫度傳感器放入孔內(nèi)，用鉆孔產(chǎn)生的石粉填充孔內(nèi)剩余空間，使傳感器探頭被石粉包裹且固定，然后封孔。所選傳感器埋設(shè)堆石粒徑一般在300 mm 左右，為對比，在第2 倉上游側(cè)選擇了一塊粒徑在700 mm 左右的大堆石，分別在50、100 和150 mm 埋設(shè)溫度計（測點M9、M10、M11）。

本文試驗在監(jiān)測斷面的上游側(cè)、壩體中部與下游側(cè)分別布置測點，所有測點均布置在離右岸壩肩約15 m 的斷面上，共27 個測點，測點布置見圖1。圖中，實心圓代表堆石內(nèi)部測點，空心圓代表HSCC 測點。第1 倉各測點距離倉面頂部約200 mm；第2 倉各測點位于倉面不同高度；第3 倉各測點距離倉面底部約200 mm。第2 倉為重點監(jiān)測倉面，布置了較多傳感器，其中，堆石內(nèi)部測點除M9、M10、M11 以外，M14、M15 鉆孔深度為50 mm，M16、M17 鉆孔深度為100 mm，其余各堆石內(nèi)部測點鉆孔深度均為150 mm，近似在堆石內(nèi)部中心位置。需要說明的是，M18、M19 兩個測點由于澆注過程中受到損壞，11月6日18∶00 以后無數(shù)據(jù)。為了監(jiān)測氣溫，采用同傳感器在壩頭拌合樓一層監(jiān)測室外布置了氣溫傳感器，傳感器在露天，與倉面條件相近，但由于遮蔽條件不同，受日光直射時間不同，監(jiān)測的氣溫與倉面不同位置的氣溫有一定差異。試驗的3 倉澆筑時間分別為2018年10月27日、2018年11月5日 和2018年11月12日。

圖1 測點布置

3 HSCC 澆筑后的堆石混凝土溫度變化過程

圖2 給出了施工期臨時溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)。第1 倉、第2 倉、第3 倉數(shù)據(jù)分別以藍(lán)色，棕色和綠色表示，氣溫用紅色表示。第1 倉入倉時，氣溫約20 ℃，隨后幾日的氣溫日變幅較大，最大氣溫日變幅接近20 ℃，第1 倉測點接近堆石混凝土上表面，澆筑以后，前3 d 測點溫度與氣溫密切相關(guān)，且有一定滯后。隨后測點溫度變幅日趨減少，與后倉開始堆石，改變了上表面邊界條件有關(guān)。堆石入倉時，各測點溫度與氣溫相近，HSCC 入倉后，溫度急劇上升，說明HSCC 入倉溫度明顯高于氣溫和堆石溫度，溫度差別在第2 倉時達(dá)到5 ℃左右。另外，還可以觀察到后倉堆石混凝土澆筑時，前倉測點明顯溫度上升，特別是散熱較快，埋設(shè)深度較淺的測點，受后倉影響大，溫度上升幅度大，甚至超過其自身的水化熱溫升幅度。

圖2 施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了更清晰表示堆石混凝土澆筑后早齡期溫度變化，圖3（a）給出了第1 倉澆筑后前140 h 的施工期臨時監(jiān)測溫度變化過程，藍(lán)色系代表HSCC 測點，棕色系代表堆石內(nèi)部測點。澆筑開始以后，HSCC 入倉溫度較高，溫度測值迅速上升，能夠看到HSCC 測點上升3 ～4 ℃，堆石內(nèi)部測點上升1 ～2 ℃。因測點埋設(shè)較淺，受外界氣溫影響，進(jìn)入夜間后，溫度測值下降或小幅升溫，測點溫度變化均比氣溫有2 ～3 h 的滯后。澆筑5 d 以后，堆石溫度與HSCC 溫度已趨向均勻，表面溫度測點散熱條件好，水化熱溫升很小。為對比施工期臨時監(jiān)測與永久監(jiān)測結(jié)果，相互驗證測量可靠性，分析了高程820.0 m 拱圈永久監(jiān)測測點T28、T29、T30，它們離第1 倉施工期臨時監(jiān)測測點距離近，澆筑時間也相近。對比圖3（b）中的永久監(jiān)測點數(shù)據(jù)可以看到，永久測點觀測次數(shù)較少，從剛澆筑時的每日2 ～3次到每日1 ～2 次，不能準(zhǔn)確給出施工期溫度快速變化細(xì)節(jié)，但兩組測點總體趨勢相近，澆筑前溫度測值相近，均在18 ～20 ℃左右；澆筑后永久監(jiān)測數(shù)據(jù)有迅速上升，對比施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以判斷這是由于HSCC 入倉溫度較高帶來的。永久監(jiān)測測點的水化溫升為2 ℃左右。

圖3 第1 倉澆筑后監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4（a）給出了第2 倉所有測點的數(shù)據(jù)，藍(lán)色系代表HSCC 測點，棕色系代表堆石內(nèi)部測點。澆筑開始前，堆石溫度與氣溫相近，隨著入倉溫度較高的HSCC 到達(dá)監(jiān)測點，溫度有明顯上升，并且受堆石吸熱影響，HSCC 溫度隨后會略有降低。

圖4（b）給出了第2 倉HSCC 測點數(shù)據(jù)，藍(lán)色系代表埋設(shè)深度大的測點，棕色系代表埋設(shè)深度較淺的測點。澆筑過程中HSCC 有兩次顯著的覆蓋過程，第一次覆蓋時，埋設(shè)深度大的3 個HSCC 溫度監(jiān)測點M8、M12、M21首先被覆蓋，這些測點埋設(shè)深度較深，且M8離上游防滲層較近，與中部M12一樣，散熱條件差，水化熱溫升較大，可達(dá)到6 ℃左右；M21 靠近下游面，散熱條件略好，水化熱溫升不到2 ℃。埋設(shè)深度較淺的M20、M13、M7，受氣溫影響，初始溫度較低，首次覆蓋時有溫度上升，但隨后仍然受氣溫影響，在第二次覆蓋時，才完全覆蓋，溫度快速上升到18 ℃左右，特別是上游側(cè)測點M7明顯在第二次覆蓋時溫度才開始上升，與當(dāng)時倉面寬度較小，從倉面中部開始澆筑的施工記錄吻合。

圖4（c）為第2 倉堆石內(nèi)部監(jiān)測數(shù)據(jù)，同一位置不同深度的堆石溫度有一定差異，但溫度差異一般在1 ～2 ℃，總體差異較小。其中，300 mm 粒徑堆石內(nèi)部不同深度溫度差異小于1 ℃，700 mm 粒徑堆石差異在2 ℃左右，符合一般認(rèn)知。

圖4 澆筑后監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖4（d）給出了第3 倉監(jiān)測溫度，藍(lán)色系代表HSCC 測點，棕色系代表堆石內(nèi)部測點。堆石內(nèi)部測點溫度仍然與氣溫相近，約11 ℃左右。由于HSCC 到達(dá)監(jiān)測點后才開始測量， HSCC 測點顯示入倉溫度約14 ℃左右，比氣溫高4 ℃左右，入倉后與溫度較低的堆石產(chǎn)生熱交換，溫度略有降低。第3 倉所有測點埋設(shè)較深，其中上游側(cè)M22 點臨近防滲層，水化熱溫升在澆筑2 d 后達(dá)到峰值，溫升約6 ℃。隨后緩慢下降，中部的M24 點溫升也接近5 ℃，但最高溫升發(fā)生時間略延后2 d 左右，下游的M26 點接近下游面，散熱較好，溫升約3 ℃。堆石內(nèi)部的溫度初始溫度較低，但水化溫升的規(guī)律類似，上游M23 點溫升約5 ℃，中部M25 點溫升約3 ℃，但時間延后，下游M27 點溫升僅2 ℃。堆石內(nèi)部的溫度與相鄰的HSCC 測點溫升規(guī)律相同，但溫升幅度略小。經(jīng)過5 d 左右，堆石內(nèi)部溫度與HSCC 溫度仍有5 ℃左右的差別，但有明顯趨于均勻的趨勢。

4 堆石混凝土入倉溫度分析

圖5（a）為施工單位記錄的HSCC 入倉溫度與拌合用水溫度，HSCC 入倉溫度比拌合水溫度高出6 ～8 ℃，說明水泥等原材料溫度較高。其中夏季HSCC 入倉溫度高達(dá)30 ～35 ℃，特別是7—8月，HSCC平均入倉溫度達(dá)33.5 ℃，比多年月平均氣溫26 ℃高7.5 ℃左右；4月、10月HSCC 平均入倉溫度為25.3 ℃，比多年月平均氣溫16.3 ℃高9 ℃左右；3月、11月HSCC 平均入倉溫度為22 ℃，比多年月平均氣溫11.1 ℃高11 ℃左右。

圖5 施工溫度分析

施工單位記錄了施工日早、中、晚三個時刻的溫度資料，但缺失數(shù)據(jù)較多。為準(zhǔn)確估計日平均氣溫，首先對所有澆筑日早、中、晚氣溫監(jiān)測值齊全的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取平均值得到這些澆筑日的日平均氣溫。計算日平均氣溫與早、中、晚氣溫比值的分別為1.156、0.870、1.044，再利用這個比值對早、中、晚氣溫測值缺失的施工日平均氣溫進(jìn)行估算，有兩個測值的，取其平均值作為氣溫估計值。同時，收集施工期間遵義市氣溫歷史數(shù)據(jù)的日最高氣溫、日最低氣溫，對于超過當(dāng)日氣溫歷史數(shù)據(jù)的最高、最低氣溫值的氣溫估計值進(jìn)行適當(dāng)修正，得到的日平均氣溫值為圖5（b）棕色線所示。圖5（b）中紅色連續(xù)曲線為永久溫度監(jiān)測記錄中的氣溫過程線，黃色為當(dāng)?shù)貧鉁貧v史記錄的氣溫中值?？梢钥吹?，不同渠道獲得的氣溫數(shù)據(jù)比較接近，說明本文方法得到的施工日平均氣溫值合理可信。

對比2018年10月27日—11月12日期間進(jìn)行的第3 倉施工期溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，施工單位記錄的HSCC 入倉溫度為27.0、24.0 和20.6 ℃，施工期臨時監(jiān)測推算的HSCC 入倉溫度分別在24、20 和18 ℃左右，大約有3 ℃的差異，可能反映了HSCC 澆筑填充流動過程中，不斷與堆石體發(fā)生溫度交換。可以認(rèn)為，施工單位記錄的HSCC 入倉溫度結(jié)果是可信的。

根據(jù)施工單位記錄推算的日平均氣溫分別是19、13 和11 ℃，相應(yīng)施工期臨時監(jiān)測的堆石溫度在17、15 和13 ℃，差距在2 ℃左右。考慮到日變幅和日光直射等諸多影響因素，澆筑前的堆石入倉溫度可以認(rèn)為與日平均氣溫接近。

HSCC 比熱高于堆石，且堆石率為53%，可以給出堆石混凝土入倉溫度TRFC的簡易計算公式：

式中：TRock為堆石入倉溫度，可以認(rèn)為是平均氣溫；THSCC為HSCC 入倉溫度。

按照式（1）計算了堆石混凝土入倉溫度的變化過程，見圖6。從圖6 可以看到，采用本文分析方法得到的日平均氣溫與實際測量的HSCC 入倉溫度高度相關(guān)，夏季HSCC 入倉溫度30 ～35 ℃，相應(yīng)堆石混凝土入倉溫度在27 ～32 ℃之間，大約低3 ～4 ℃。冬季HSCC 入倉溫度會降低到20 ℃以下，相應(yīng)堆石混凝土入倉溫度會降到10 ～15 ℃，大約低6 ～8 ℃左右。

圖6 堆石混凝土入倉溫度與HSCC 實測入倉溫度的關(guān)系

表1—表3 為永久監(jiān)測測點的施工期溫度數(shù)據(jù)，其中覆蓋后溫度體現(xiàn)了HSCC 與堆石的溫度交換，可以近似認(rèn)為代表了堆石混凝土的入倉溫度。表1 中，高程790.0 m 拱圈施工時的HSCC 入倉溫度為28.0 ℃，相應(yīng)日平均氣溫20.6 ℃，堆石混凝土入倉溫度為24.2 ℃，混凝土覆蓋后溫度為24.8 ℃，僅相差0.6 ℃，吻合較好。表2 中，2018年6月24日，高程805.0 m 右拱圈施工的日平均氣溫為24.9 ℃，堆石混凝土入倉溫度為28.2 ℃，覆蓋后溫度28.5 ℃，非常吻合，僅相差0.3 ℃；2018年7月10日，處于盛夏，高程805.0 m 左拱圈施工的當(dāng)日最高氣溫32 ℃，日平均氣溫26.1 ℃，堆石混凝土入倉溫度為29.0 ℃，永久溫度監(jiān)測的氣溫31 ℃，應(yīng)該是接近中午時刻的氣溫，覆蓋后溫度29.0 ℃，相差0 ℃，吻合很好。表3 中，2018年10月5日和6日，高程820.0 m 右拱圈施工的日平均氣溫分別為18.5 ℃和18.2 ℃，相應(yīng)堆石混凝土入倉溫度為21.8 ℃和21.5 ℃，永久監(jiān)測氣溫為17 ℃和18 ℃，覆蓋后溫度為20.3 ℃和19.4 ℃，分別相差1.5 ℃和2.1 ℃，吻合較好。2018年10月17日，高程820.0 m 左拱圈施工的日平均氣溫15.4 ℃，堆石混凝土入倉溫度18.6 ℃，與覆蓋后溫度18.4 ℃吻合非常好，僅差0.2 ℃。進(jìn)一步分析各月的堆石混凝土入倉溫度，4月、6月、7月、10月的堆石混凝土入倉溫度平均值分別為21.8、27.0、29.7 和19.8 ℃，與永久監(jiān)測的施工期溫度也具有較好的相關(guān)性。這些數(shù)據(jù)的相互對比驗證了本文建議的堆石混凝土入倉溫度估計方法基本反映了堆石混凝土實際澆筑情況。

將所有根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)推算的月平均氣溫、HSCC 入倉溫度和堆石混凝土入倉溫度匯總于表4。

表1 高程790.0 m 拱圈永久溫度計監(jiān)測的溫度值 （單位：℃）

表2 高程805.0 m 拱圈永久溫度計監(jiān)測的溫度值 （單位：℃）

表3 高程820.0 m 拱圈永久溫度計監(jiān)測的溫度值 （單位：℃）

表4月平均氣溫、HSCC 入倉溫度和堆石混凝土入倉溫度與水化熱溫升 （單位：℃）

分析表1 可以看到，高程790.0 m 高程上游側(cè)的T10、T13、T16 因為靠近自密實混凝土防滲層，防滲層無堆石，水化熱溫升較高，因此，T10、T13、T16 測點的溫升較高。T11、T14、T17 位于壩體中部，散熱條件較差，所以溫升比T10、T13、T16 測點略低。T12 和T18 靠近下游面，散熱條件好，所以，水化熱溫升較低。T15 也靠近下游面，水化熱溫升較高，比較異常，可能與該測點附近堆石少，埋設(shè)位置離下游面較遠(yuǎn)有關(guān)，尚需進(jìn)一步分析。

分析表2 可以看到，上游側(cè)與自密實混凝土防滲層接近的測點T19 和T25，水化熱溫升分別達(dá)到9 和13 ℃，比壩體中部的T20、T23、T26 水化熱溫升5.6、6.9 和7.5 ℃，靠近下游側(cè)的T21 和T27 水化熱溫升6.2 和5.4 ℃顯著偏高，說明由于上游防滲層沒有堆石，其水化熱較堆石混凝土明顯偏高。上部拱圈變薄，中部與下游側(cè)散熱條件差異的影響要小于防滲層材料水化熱高的影響。

分析表3 可以看到，上游側(cè)與防滲層相近的測點T28、T31、T34 和T37 水化熱溫升分別為2.7、3.5、6.8 和6.6 ℃，靠近下游側(cè)的T30、T33、T36 和T39 水化熱溫升為2.5、3.5、7.8 和4.5 ℃，可以看到上部拱圈較薄，散熱條件好，這兩倉的溫升相對平均，所以，綜合考慮可以用兩倉總體平均值代表整體的水化熱溫升值，為4.5 ℃。將永久監(jiān)測溫度計測到的水化熱溫升值與施工期溫度臨時監(jiān)測結(jié)果對比，除第1 倉測點均在表面，水化熱溫升缺乏代表性以外，第2 倉、第3 倉的內(nèi)部測點水化熱溫升與4.5 ℃的數(shù)值大致等價，可以相互驗證。

5 主要結(jié)論

本文結(jié)合整體澆筑的綠塘堆石混凝土拱壩施工期臨時監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工單位記錄的施工溫度數(shù)據(jù)、永久監(jiān)測溫度計測量數(shù)據(jù)，通過相互驗證，證明了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。分析這些數(shù)據(jù)，加深了堆石混凝土拱壩施工期溫度過程的認(rèn)識，總結(jié)如下：（1）綠塘拱壩堆石混凝土水化熱溫升低，最高水化溫升大都發(fā)生在澆筑后3 ～4 d，春秋季節(jié)澆筑的堆石混凝土水化熱溫升約4.5 ℃，夏季澆筑的堆石混凝土水化熱溫升約為7 ～8 ℃。（2）綠塘拱壩處于氣候溫和地區(qū)，完全不采取溫控措施，堆石入倉溫度接近于日平均氣溫，高自密實性能混凝土（HSCC）入倉溫度顯著高于氣溫，應(yīng)與水泥等原材料溫度較高有關(guān)。（3）堆石混凝土入倉溫度可以根據(jù)HSCC 入倉溫度與氣溫加權(quán)平均得到，因此，夏季施工時，可適當(dāng)采取措施降低水泥等原材料溫度，從而降低堆石混凝土入倉溫度，有助于降低壩體溫度應(yīng)力。

綠塘堆石混凝土拱壩已建成，但受移民影響尚未蓄水。分析永久溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)過2 個冬天，壩體溫度已接近穩(wěn)定溫度場。在驗收時對大壩開展了全面的質(zhì)量檢測，未發(fā)現(xiàn)裂縫，鉆孔取芯的結(jié)果也表明堆石混凝土質(zhì)量良好,綠塘堆石混凝土拱壩采取不分橫縫整體澆筑，是成功的創(chuàng)新實踐，可以在氣溫溫和地區(qū)推廣應(yīng)用。

致謝：本文施工期監(jiān)測資料、永久監(jiān)測溫度資料來自遵義市水利水電工程建設(shè)總公司、貴州省大壩安全監(jiān)測中心和遵義水利水電勘測設(shè)計研究院；施工期現(xiàn)場溫度監(jiān)測由趙云天完成；周虎、黃杜若、何濤洪、婁詩建、曾旭等參加討論，貢獻(xiàn)了有益意見。