高寒區(qū)混凝土壩溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和防裂措施優(yōu)化研究

楊春寶，韓小妹，溫 州，邵劍南

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

我國地域遼闊，高寒地區(qū)分布范圍較大。其普遍氣候特點(diǎn)表現(xiàn)為：夏季炎熱、冬季嚴(yán)寒且持續(xù)時(shí)間長；晝夜溫差大且寒潮頻繁。惡劣的氣候條件使得在高寒地區(qū)修建混凝土大壩的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)與防裂難度極大?；炷链髩问┕ね鶅H適合在每年4—10月進(jìn)行。針對高寒區(qū)氣候特點(diǎn)，關(guān)注相應(yīng)的混凝土壩溫控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和混凝土防裂措施建議，是高寒地區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 高寒區(qū)氣侯特點(diǎn)

1.1 東北地區(qū)

東北地區(qū)以黑龍江省為例，位于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，屬于半濕潤地帶，夏季高溫多雨，冬季寒冷而漫長。根據(jù)鶴崗氣象站資料統(tǒng)計(jì)，最高氣溫出現(xiàn)在7月份，極端最高氣溫為37.7℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，極端最低氣溫為-38.8℃。多年平均封凍天數(shù)147d左右，最大凍土深度為2.0m。

1.2 西北地區(qū)

西北地區(qū)以新疆北部為例，多年平均氣溫2.7℃，極端最高氣溫40.1℃，極端最低氣溫-49.8℃，多年平均年降水量183.9mm，多年平均年蒸發(fā)量1915.1mm，多年平均風(fēng)速1.8m/s，最大凍土深1.75m。

2 混凝土壩溫控設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高寒地區(qū)的年平均氣溫普遍在5℃以下，低氣溫導(dǎo)致壩體穩(wěn)定溫度基本在10℃以下。而夏季最高氣溫接近40℃，導(dǎo)致澆筑的混凝土最高溫度通常比較高。因此，高寒地區(qū)的大壩施工過程中常常出現(xiàn)基礎(chǔ)溫差很大，超出規(guī)范限值，控制基礎(chǔ)貫穿性裂縫的難度很大。而且，高寒地區(qū)往往全年寒潮頻繁，冬季寒冷，導(dǎo)致控制混凝土表面內(nèi)外溫差難度較大，極易在混凝土表面引起裂縫，進(jìn)而發(fā)展成為劈頭裂縫。

2.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

高寒地區(qū)混凝土壩溫控措施需要結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)開展各澆筑方案及溫控措施的敏感性分析，以制定適當(dāng)?shù)臏乜卮胧?、確定合理的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)大壩的澆筑施工。

2.1.1澆筑溫度

夏季澆筑的混凝土，其澆筑溫度建議控制不超過15℃，其他季節(jié)可自然入倉。

2.1.2最高溫度

控制混凝土最高溫度的方法主要為控制澆筑溫度和一期通水冷卻，在采取上述相關(guān)措施后，壩體混凝土澆筑最高溫度的控制在施工階段可按月結(jié)合氣溫進(jìn)行控制，提出相應(yīng)的控制指標(biāo)。建議最高不宜超過30℃。高溫季節(jié)和低溫季節(jié)可采用不同控制標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，部分工程也可按照基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)和脫離基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)兩個(gè)區(qū)段進(jìn)行最高溫度控制，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的控制要求更嚴(yán)格。

2.1.3基礎(chǔ)溫差

均勻分布的基礎(chǔ)溫差產(chǎn)生的應(yīng)力與壩塊的長度無關(guān)。由基巖的傳熱及混凝土水化熱溫升產(chǎn)生的非均勻溫差產(chǎn)生的應(yīng)力與壩塊的長度有關(guān)，澆筑塊的長度越大，溫度拉應(yīng)力就越大。建議基礎(chǔ)約束區(qū)的基礎(chǔ)溫差控制在20℃范圍內(nèi)。

2.1.4上下層溫差

上下層溫差主要是由于混凝土澆筑溫度的季節(jié)性變化和較長時(shí)間的停歇所引起，對混凝土澆筑塊，當(dāng)混凝土澆筑塊的長度小于25m時(shí)，一般情況下，上下層溫差引起的溫度拉應(yīng)力的數(shù)值不大。建議上下層溫差控制在15℃范圍內(nèi)。

2.1.5內(nèi)外溫差

控制內(nèi)外溫差目的主要是防止表面裂縫，一般通過施加表面保溫來實(shí)現(xiàn)。施工期大壩上下游面分別采用一定厚度的XPS板來進(jìn)行保溫，建議混凝土的內(nèi)外溫差控制在15℃～20℃范圍內(nèi)。

2.2 溫度控制措施

2.2.1控制澆筑溫度

對于大壩施工過程中的澆筑溫度，必須進(jìn)行控制，以控制壩體混凝土的最高溫度。尤其是夏季澆筑的混凝土，其澆筑溫度控制不宜超過15℃。

控制混凝土澆筑溫度應(yīng)從降低混凝土出機(jī)口溫度、減少運(yùn)輸途中和倉面的溫度回升等多方面著手。

在高溫季節(jié)或較高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)采用預(yù)冷混凝土，可考慮采用風(fēng)冷骨料，配備較大容量的制冷系統(tǒng)；夏季應(yīng)對骨料料堆搭設(shè)遮陽蓬，采用地籠取料，在骨料料堆中埋設(shè)冷卻水管進(jìn)行通水冷卻；另外，水泥和粉煤灰料倉也要進(jìn)行防護(hù)，避免太陽直接暴曬。

加快混凝土入倉速度。為減少預(yù)冷混凝土的溫度回升，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土運(yùn)輸時(shí)間和倉面澆筑坯覆蓋前的暴露時(shí)間。混凝土運(yùn)輸機(jī)具應(yīng)設(shè)置保溫設(shè)施，減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，使混凝土澆筑溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

在混凝土澆筑倉內(nèi)采用倉內(nèi)噴霧措施，改變倉內(nèi)小環(huán)境，提高倉內(nèi)濕度和降低施工環(huán)境溫度。較高溫季節(jié)施工時(shí)倉面可覆蓋彩條布內(nèi)夾保溫材料等措施隔熱保濕。

2.2.2水管通水冷卻降溫

水管通水冷卻是大壩混凝土澆筑后進(jìn)行溫度削峰，控制混凝土最高溫度的有效措施。高寒區(qū)混凝土大壩高溫季節(jié)施工可進(jìn)行二期或者三期通水冷卻。

(1)冷卻水管布置

大壩澆筑混凝土冷卻水管布設(shè)間距通常為1.0～1.5m，具體間距可依據(jù)最高溫度要求進(jìn)行確定。冷卻水管采用高強(qiáng)度聚乙烯管；通水流量通常約15～20L/min，溫控嚴(yán)格時(shí)可適當(dāng)加大；通水方向可每天倒換一次。

(2)一期通水冷卻

大壩混凝土一期通水冷卻是在混凝土澆筑初期進(jìn)行的通水冷卻，其主要目的是控制混凝土的最高溫度。對5—8月份澆筑的混凝土需進(jìn)行一期冷卻，水溫宜為10～15℃，要求嚴(yán)格時(shí)可采取10℃以下冷卻水，具體依據(jù)混凝土溫度日降幅需求確定，且壩體混凝土與冷卻水之間的溫差不宜超過25℃、控制降溫速度不大于0.5℃/d。初期通水以達(dá)到目標(biāo)溫度為準(zhǔn)，不同部位的初期通水時(shí)長可不同。

(3)二期通水冷卻

二期通水冷卻通常在每年入冬前，將當(dāng)年澆筑的混凝土溫度降至冬季壩體內(nèi)部設(shè)計(jì)溫度，以減小大壩上、下游面附近混凝土的內(nèi)外溫差，減小越冬時(shí)的溫度應(yīng)力。二期冷卻一般在當(dāng)年11月初通河水進(jìn)行。

(4)三期通水冷卻

拱壩設(shè)計(jì)中通常有第三期通水方案，三期通水是為了使壩體溫度達(dá)到接縫灌漿溫度。通水水溫可視混凝土初始溫度、需達(dá)到的溫度及通水冷卻進(jìn)度安排而定。

2.2.3臨時(shí)保溫

施工期間(4—10月)混凝土裸露面必須進(jìn)行臨時(shí)保溫，臨時(shí)保溫可采用2cm厚的聚氨酯泡沫被。越冬期間，上、下游及頂面均可采用一定厚度的XPS板等材料進(jìn)行保溫。

2.3 其他措施建議

2.3.1混凝土材料

混凝土溫控也可以從水泥材料選擇和配合比著手。降低水化熱溫升可以采用發(fā)熱量低的中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥，選擇較優(yōu)骨料級配和摻用粉煤灰、外加劑，以減少水泥用量和延緩水化熱發(fā)散速率等。

早在20世紀(jì)30年代，美國修建胡佛大壩等工程時(shí)，就曾采用低熱水泥澆筑大壩并取得成功。我國“九五”“十五”期間在低熱水泥的生產(chǎn)和研究方面取得突破，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 200—2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》中也列出了42.5低熱硅酸鹽水泥的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)部分企業(yè)已掌握了低熱硅酸鹽水泥生產(chǎn)技術(shù)。

與普通或中熱硅酸鹽水泥相比，低熱水泥在生產(chǎn)工藝方面具有燒成溫度低、石灰石消耗較低、對石灰石原料品位要求低，CO2、SO2及NOx等有害氣體排放少，窯產(chǎn)時(shí)產(chǎn)量高等特點(diǎn)，在水泥性能方面具有低水化熱、優(yōu)異的后期強(qiáng)度、低干縮率、高抗侵蝕性能及優(yōu)越的水泥耐久性等優(yōu)點(diǎn)。

金沙江烏東德水電站首次實(shí)現(xiàn)了特高拱壩全壩采用低熱水泥，建成質(zhì)量良好。研究表明，相同條件下，低熱水泥混凝土最高溫度比中熱水泥混凝土低1.0～2.5℃[7- 8]。

2.3.2混凝土表面保護(hù)

在氣溫驟降頻發(fā)期間，應(yīng)重視基礎(chǔ)約束區(qū)、壩體上游面及其他重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)，尤其應(yīng)重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗(yàn)收之前，還必須加以維護(hù)及保護(hù)，以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)。

新澆混凝土遇日平均氣溫在2～3d內(nèi)連續(xù)下降6～8℃及以上時(shí)，對基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)及特殊要求結(jié)構(gòu)部位齡期3d以上、一般部位齡期5d以上混凝土，必須進(jìn)行表面保護(hù)。

中、后期混凝土受年氣溫變化和氣溫驟降影響，視不同部位和混凝土澆筑季節(jié)，結(jié)合中、后期通水情況，采取必要的表面保護(hù)措施。

2.3.3寒冷季節(jié)施工措施

開展寒冷季節(jié)施工措施研究是保證壩體施工進(jìn)度和避免長間歇期的有效手段。

國內(nèi)外部分工程在寒冷季節(jié)依然持續(xù)混凝土澆筑施工。例如前蘇聯(lián)受氣候條件限制，為保障混凝土壩全年施工采用了暖棚法、電極加熱法、蓄熱法等系列措施[9]。美國、加拿大、日本等國家廣泛采用熱風(fēng)機(jī)加熱骨料和充氣暖棚等保溫措施實(shí)現(xiàn)冬季施工。暖棚內(nèi)溫度可達(dá)20℃，混凝土養(yǎng)護(hù)情況較好。國內(nèi)拉西瓦和葉巴灘拱壩工程在冬季采用蓄熱法和暖棚法施工。

3 壩體穩(wěn)定溫度

混凝土壩溫控的最終目標(biāo)為壩體形成較為穩(wěn)定的溫度場，且與環(huán)境溫度、蓄水后的庫區(qū)水溫協(xié)調(diào)，防止蓄水初期及運(yùn)行過程中由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。壩體穩(wěn)定溫度場的分析確定是與混凝土的溫控標(biāo)準(zhǔn)和冷卻時(shí)長密切相關(guān)的，也影響到工程施工進(jìn)度。

3.1 混凝土壩穩(wěn)定溫度

壩體穩(wěn)定溫度場主要與上游水溫、下游水溫、氣溫、太陽輻射等因素有關(guān)，尤其是水庫水溫垂直分層特征，對壩體穩(wěn)定溫度場影響較大。其中，大壩混凝土表面溫度主要受環(huán)境溫度和日照輻射的影響，應(yīng)根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)型式、地形條件、壩址緯度、大壩朝向等因素分析計(jì)算確定。

3.2 拱壩封拱灌漿溫度

混凝土拱壩封拱灌漿溫度的擬定應(yīng)以壩體穩(wěn)定溫度場為基礎(chǔ)，根據(jù)大壩體型、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、上下游庫水水溫、拱壩封拱灌漿需要等因素綜合確定。

合適的封拱溫度可以協(xié)調(diào)壩體溫度荷載值，改善和優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。通常情況下，對壩體不同位置可采取比穩(wěn)定溫度場低0～3℃的超冷封拱溫度。

3.3 庫水溫分布規(guī)律

(1)設(shè)計(jì)常用庫水溫確定方法

庫水溫通常采用SL282—2018《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及SL 744—2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》方法、朱伯芳院士專著《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》方法和數(shù)值分析三種方法進(jìn)行計(jì)算確定。

規(guī)范推薦的計(jì)算方法適用于壩高低于100m的拱壩，同時(shí)未考慮上游來流水溫、孔口布設(shè)和水庫的運(yùn)行調(diào)度情況；朱伯芳院士推薦的計(jì)算方法，基于大量庫水溫統(tǒng)計(jì)工作的應(yīng)用，給予了庫底水溫假定；數(shù)值計(jì)算方法，可考慮庫區(qū)的水文氣象條件，如氣溫、云量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、太陽輻射、入庫流量、來水水溫等，還可考慮水庫建成后的運(yùn)行調(diào)度情況，在近些年的高壩大庫建設(shè)中運(yùn)用廣泛。

(2)近壩區(qū)水溫分層現(xiàn)象

高山峽谷地區(qū)的高庫大壩，庫區(qū)水深較大，水庫蓄水后水體經(jīng)常出現(xiàn)水溫垂直分層現(xiàn)象。

三峽工程水庫蓄水初期近壩區(qū)水溫監(jiān)測資料表明，近壩斷面中泓垂線上下水溫分層差異明顯[10]。其中2009—2011年，中泓垂線上下最大水溫差分別為6.1℃、6.9℃、7.7℃，溫躍層集中出現(xiàn)在90～140m水深處，以下則形成相對穩(wěn)定的滯溫層水域。

豐滿水庫春季和夏季的庫區(qū)水溫分層明顯，且溫度分層等值線基本為明顯的水平線。2010年實(shí)測最大垂向溫差達(dá)到20℃[11]，主要溫差集中在表層10m內(nèi)，平均溫度梯度達(dá)到1.1℃/m，高溫水體較強(qiáng)的浮力作用保持了夏季穩(wěn)定分層結(jié)構(gòu)。

龍羊峽水庫屬于穩(wěn)定分層型水溫結(jié)構(gòu)，具有明顯的表溫層、溫躍層和滯溫層[12]。4—9月期間，0～5m水深為水溫相對較高的表層，8月份水溫遞減率為0.2℃/m；5～30m水深之間為明顯的溫躍層，水溫梯度最大值為壩前0.13℃/m和庫區(qū)0.32℃/m；30m以下水溫隨水深變化很小，為滯溫層。

3.4 設(shè)計(jì)壩體穩(wěn)定溫度確定建議

對于高寒地區(qū)的高壩建設(shè)，設(shè)計(jì)控制的穩(wěn)定溫度場和拱壩封拱溫度應(yīng)充分考慮水庫水溫度垂直分層分布特征規(guī)律，結(jié)合地區(qū)水文氣候條件，開展適當(dāng)研究，進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，是預(yù)防初期蓄水階段壩體因?yàn)闇囟葢?yīng)力而開裂的有效手段。

4 其他防裂措施

4.1 控制澆筑層厚

對于高寒區(qū)混凝土壩建設(shè)，為了利于溫控措施的開展和有效性，建議采用薄層短間歇澆筑?；A(chǔ)約束區(qū)和老混凝土約束區(qū)4—10月澆筑層厚度可控制為1.0～1.5m，寒冷季(11—3月)可控制為3.0m；基礎(chǔ)弱約束區(qū)和自由區(qū)混凝土澆筑層厚可控制為3.0m以內(nèi)。

4.2 盡量避免長間歇期

上下間歇期控制在5～7d以內(nèi)，最大層間歇期不宜超過21d，避免長間歇澆筑混凝土，特別是邊坡壩段基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土。

4.3 異形部位的澆筑

陡坡和填塘部位混凝土應(yīng)視所在部位結(jié)構(gòu)要求和其特征尺寸，最高溫度標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)加嚴(yán)。混凝土澆平相鄰基巖面后，應(yīng)停歇冷卻至與周圍基巖溫度相近時(shí)，再繼續(xù)澆筑上部混凝土。

4.4 溫控實(shí)時(shí)監(jiān)測和措施調(diào)整

混凝土壩溫控應(yīng)注重施工過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測，加強(qiáng)智能控制，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況發(fā)展實(shí)時(shí)調(diào)整溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施。例如烏東德、白鶴灘等工程采用了混凝土溫度全環(huán)節(jié)全流程實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能分析和智能調(diào)控技術(shù)[7]。

5 結(jié)論與工程建議

高寒區(qū)混凝土壩是水利工程建設(shè)難點(diǎn)之一，其溫度控制最為關(guān)鍵。本文介紹了我國西北和東北高寒地區(qū)平均氣溫低和年溫差大的氣候特點(diǎn)，總結(jié)了高寒地區(qū)混凝土壩溫控設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了溫度控制措施建議。

(1)嚴(yán)格控制澆筑溫度、最高溫度、基礎(chǔ)溫差、上下層溫差、內(nèi)外層溫差等關(guān)鍵指標(biāo)。

(2)加強(qiáng)混凝土材料和配合比研究。

(3)注重混凝土表面防護(hù)和開展寒冷季節(jié)施工措施研究。

(4)綜合確定壩體穩(wěn)定溫度場和拱壩封拱灌漿溫度，考慮庫水溫垂直分層的影響。

(5)控制澆筑層厚度和間歇期。

(6)加強(qiáng)溫控的實(shí)時(shí)監(jiān)測和智能化。

嚴(yán)格地溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施可保證壩體大部分區(qū)域的拉應(yīng)力水平不超出混凝土允許抗拉強(qiáng)度。但是過于嚴(yán)格的溫控標(biāo)準(zhǔn)會大大增加現(xiàn)場施工難度和成本，且難以保證實(shí)際的溫控效果。水利工程現(xiàn)場氣候條件各異，難以提出一套完全統(tǒng)一的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)適合所有大壩工程，溫控設(shè)計(jì)和施工應(yīng)因地制宜。