高寒區(qū)混凝土壩低溫防裂溫控措施的探討

韓小妹，邵劍南，楊春寶

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

混凝土壩在施工期和運行期中，由于溫度的變化經(jīng)常會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，往往使大壩發(fā)生裂縫，從而破壞大壩結(jié)構(gòu)整體性，降低了結(jié)構(gòu)耐久性，甚至產(chǎn)生大壩滲漏，帶來較大的危害。許多在溫和、濕熱和干熱等地區(qū)建設(shè)的混凝土壩出現(xiàn)了貫穿性裂縫、劈頭裂縫，形成了“無壩不裂”[1]的尷尬情況。對于高寒地區(qū)混凝土壩在低溫期進(jìn)行混凝土澆筑和保溫養(yǎng)護，如何建設(shè)無裂縫的大壩更是一個巨大挑戰(zhàn)。

雖然我國現(xiàn)行規(guī)范[2-6]從溫控標(biāo)準(zhǔn)、溫控措施、施工期溫度監(jiān)測與分析等方面提出了混凝土壩低溫溫控措施規(guī)定，但是高寒地區(qū)全年最冷月份的平均氣溫在0℃以下，日平均溫度在5℃以下的天數(shù)大于90d，最冷月份日溫差在15℃以上，多年平均蒸發(fā)量達(dá)到1200～2000mm，多年平均寒潮次數(shù)多達(dá)20次以上，在這樣惡劣的低溫天氣下建設(shè)和養(yǎng)護混凝土壩，溫控措施需要更加系統(tǒng)。

本文通過總結(jié)我國已建的藏木、豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、拉西瓦、石門子、觀音閣、沖乎爾、白石等高寒區(qū)混凝土壩的溫控措施經(jīng)驗與教訓(xùn)，對比分析國外高寒地區(qū)混凝土壩低溫溫控措施，提出高寒區(qū)混凝土高壩在低溫條件下溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)，對處于在建的葉巴灘和處于前期設(shè)計的馬吉、松塔、龍盤等高寒區(qū)混凝土壩低溫施工和養(yǎng)護具有借鑒意義。

1 混凝土壩低溫施工溫控措施規(guī)定

我國現(xiàn)行規(guī)范[3-4]規(guī)定，日平均氣溫連續(xù)5d在5℃以下或最低氣溫連續(xù)5d在-3℃以下時，應(yīng)按低溫季節(jié)要求施工；溫和地區(qū)低溫季節(jié)混凝土施工宜采用蓄熱法，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)預(yù)計日平均氣溫在-10℃以上時，可采用蓄熱法；預(yù)計日平均氣溫在-10℃以下時，可采用綜合蓄熱法等；日平均氣溫在-20℃以下時不宜施工。寒冷地區(qū)施工部位宜相對集中，不宜分散。已澆筑的、有保溫要求的混凝土，應(yīng)采取抗凍保護或越冬保溫措施。原材料的加熱、輸送、儲存和混凝土的拌和、運輸、澆筑等設(shè)備與設(shè)施，應(yīng)根據(jù)熱工計算和實際氣候條件，確定加熱、保溫、防凍措施?；炷烈瞬捎脽崴韬?，混凝土拌和時間應(yīng)通過試驗適當(dāng)延長，同時應(yīng)控制、并及時調(diào)整混凝土出機口溫度且不低于5℃。混凝土澆筑完畢后，外露表面應(yīng)及時保溫?；炷两Y(jié)構(gòu)孔洞應(yīng)封堵和擋風(fēng)保溫，防止冷空氣對流。模板外掛保溫層應(yīng)牢固，模板內(nèi)貼保溫材料抗壓強度應(yīng)滿足混凝土表面不變形的要求。模板拆除前應(yīng)確?；炷翉姸却笥诳箖雠R界強度，拆模后混凝土表面應(yīng)滿足保溫防裂要求。不得在夜間和預(yù)計氣溫驟降時段內(nèi)拆模。應(yīng)對施工期混凝土溫度控制全過程進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要包括原材料溫度監(jiān)測、混凝土溫度監(jiān)測、澆筑倉氣溫及保溫層溫度監(jiān)測等。低溫季節(jié)澆筑混凝土和養(yǎng)護混凝土?xí)r，外界氣溫、暖棚內(nèi)氣溫、原材料溫度、混凝土出機口溫度及澆筑溫度測溫頻率有嚴(yán)格規(guī)定。

2 低溫防裂溫控措施及經(jīng)驗、教訓(xùn)

2.1 溫控措施

我國已建的藏木[7]、豐滿[8-10]、喀臘塑克[11-12]、白石[13-14]、觀音閣[15]、拉西瓦[16]等高寒區(qū)混凝土壩，在低溫條件下溫控措施主要為：

(1)控制原材料、混凝土生產(chǎn)過程和澆筑溫度

冬季11月—翌年2月，葉巴灘、拉西瓦采用預(yù)熱骨料、加熱水拌和等措施提高混凝土出機口溫度，混凝土運輸設(shè)備加設(shè)保溫措施，縮短混凝土運距，減少倒運次數(shù)，降低熱量損失。葉巴灘大壩混凝土出機口溫度不低于10℃，澆筑溫度不低于5℃。拉西瓦澆筑混凝土溫度為5℃～8℃，混凝土自出機口至倉面澆筑坯被覆蓋前的時間宜小于210min。

(2)合理利用施工時段，優(yōu)化冬季澆筑混凝土施工方法

冬季日平均氣溫低于-20℃時，施工設(shè)備和施工人員的生產(chǎn)效率均大大降低，施工保溫和養(yǎng)護難度大，成本高，出現(xiàn)裂縫幾率大大增加，因此喀臘塑克、豐滿、白石、白山、奮斗等大壩冬季停止混凝土施工，盡量利用春季和秋季、夏季夜間的低溫時段內(nèi)多澆、快澆混凝土。

葉巴灘拱壩在11月上旬—翌年2月底采用蓄熱法或暖棚法施工。拉西瓦拱壩冬季混凝土澆筑，盡量避開夜間低氣溫時段開盤澆筑混凝土，12—1月采用暖棚法施工，10月下旬—11月和2—3月底采用綜合蓄熱法施工。綜合蓄熱法混凝土澆筑前，基面采用電熱毯預(yù)熱，澆筑過程中采用周邊暖風(fēng)加熱，倉面保溫覆蓋。與常規(guī)的“暖棚法”相比，綜合蓄熱法更適合大型機械作業(yè)。冬季澆筑的混凝土適當(dāng)推遲拆模時間，拆模時間為5～7d，并選在中午氣溫較高時段拆模，氣溫驟降期間禁止拆模，模板拆除后應(yīng)立即覆蓋保溫材料，防止混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

(3)嚴(yán)格控制澆筑層厚和間歇期

碾壓混凝土在鋪筑方式上宜優(yōu)先選用連續(xù)均勻上升，使混凝土溫度分布比較均勻，嚴(yán)禁在基礎(chǔ)約束區(qū)范圍內(nèi)長期間歇。在滿足碾壓混凝土澆筑進(jìn)度的同時，盡可能采用薄層、短間歇、均勻上升的施工工藝。薄層能充分散失水化熱；短間歇能盡量減小寒潮的機會，但間歇時間太短又會妨礙水化熱的散失。

豐滿、藏木、奮斗、拉西瓦、葉巴灘在基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚為1～1.5m，非約束區(qū)澆筑層厚小于3.0m，層間間歇期按5～7d控制，不超過10d。當(dāng)下層混凝土齡期超過28d時，澆筑上層混凝土?xí)r應(yīng)按基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土溫控要求控制。

(4)控制內(nèi)外溫差，加強表面保護和養(yǎng)護

冬季需要采取多種綜合措施對已經(jīng)澆筑的混凝土表面進(jìn)行臨時保溫和永久保溫措施，越冬后首倉混凝土按強約束區(qū)要求澆筑，以便嚴(yán)格控制混凝土溫差。部分混凝土大壩埋設(shè)水平越冬止水銅片。

豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、拉西瓦、沖乎爾、奮斗等混凝土壩上、下游面進(jìn)行全年永久保溫。豐滿、喀臘塑克、布爾津山口上、下游面采用2mm厚的聚氨酯防滲涂層和黏貼8～10cm 厚的保溫板進(jìn)行永久保溫，部分工程下游面還添加耐堿網(wǎng)格布或回填坡積物等進(jìn)行保溫。部分工程混凝土表面刷防腐面漆進(jìn)行防滲，防止雨水或冰雪融水進(jìn)入混凝土裂縫，影響混凝土耐久性。壩內(nèi)孔洞結(jié)構(gòu)(含廊道)應(yīng)采取封堵進(jìn)出口、表面掛簾保護等有效措施，防止空氣對流。

由于高寒區(qū)寒潮頻繁，豐滿、喀臘塑克施工期間需要對大壩的裸露表面及澆筑間歇層面采取2～3cm厚聚氨酯保溫被或1層2cm厚棉被+1層三防布進(jìn)行臨時保溫。豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、沖乎爾、奮斗等混凝土壩越冬面采取一層塑料薄膜+8～10cm厚的保溫被或板+一層三防帆布進(jìn)行保溫。布爾津山口在保溫被之上再鋪設(shè)15cm厚的棉被，在越冬層澆筑面上埋設(shè)止水銅片。觀音閣壩基混凝土越冬采取蓄水保溫，蓄水深度2～3m，降低了越冬保溫投資。

當(dāng)外界氣溫高于或等于越冬頂面混凝土溫度時，可消除揭開時空氣“冷擊”產(chǎn)生的不利影響。根據(jù)溫控理論計算，結(jié)合現(xiàn)場實際氣溫與混凝土表面實測溫度，最終確定越冬保溫層完全揭開時機。保溫被一般在次年3月底或4月初，保溫被一般需分多次逐步揭除，當(dāng)越冬面混凝土溫度與日平均氣溫溫差小于3℃，可把保溫被完全揭開?？εD塑克越冬保溫被分7次逐步揭開。

(5)合理進(jìn)行壩體分縫，控制接縫灌漿溫度

為了降低混凝土溫控措施的壓力，同時保證結(jié)構(gòu)功能要求，應(yīng)合理進(jìn)行壩體分縫。橫縫間距宜為15～25m，岸坡段由于側(cè)向穩(wěn)定，橫縫間距稍大。橫縫一般為垂直平面分縫，但在岸坡段有時設(shè)置“斜縫”。葉巴灘大壩兩岸建基面岸坡角大于45°的部位，橫縫采用“斜縫”，避免在澆筑過程中出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)長尖角，對澆筑塊的溫控防裂及施工帶來不利影響。

常態(tài)混凝土壩順河向長度超過40m時宜設(shè)置縱縫，縱縫間距宜為15～30m。混凝土重力壩順?biāo)飨蜷L度長，通常設(shè)置縱縫；拱壩順?biāo)飨蜷L度較短，通常不設(shè)置縱縫。

為了降低越冬溫度應(yīng)力，喀臘塑克、白石混凝土重力壩水平越冬層面設(shè)置一道銅止水，止水兩端與橫縫止水焊接。白石擋水壩上、下游面中部高程附近分別設(shè)置一條水平預(yù)留縫，縫深分別為1m和3m，上游縫內(nèi)設(shè)兩道水平止水。

有接縫灌漿要求的壩體，應(yīng)選典型壩段進(jìn)行接縫灌漿溫度分區(qū)設(shè)計，并提出全壩的接縫灌漿溫度。高寒區(qū)混凝土壩地處嚴(yán)寒地區(qū)，壩體穩(wěn)定溫度場較低，接縫溫度相應(yīng)較低。豐滿、葉巴灘、拉西瓦混凝土壩壩體穩(wěn)定溫度為4～11℃，接縫灌漿溫度為5～10℃。

(6)加強溫度監(jiān)測和天氣預(yù)報，優(yōu)化施工組織安排

低溫季節(jié)各混凝土壩加強溫度監(jiān)測項目內(nèi)容和頻次，并及時分析溫度監(jiān)測資料，如發(fā)現(xiàn)溫度監(jiān)測結(jié)果不符合技術(shù)要求，應(yīng)及時采取處理措施。

密切注視氣象預(yù)報工作，確保在氣溫驟降前對各部位混凝土做好保溫工作，特別是加強重要部位混凝土表面保溫，在寒潮期間不開盤澆筑混凝土。

2.2 溫控效果及經(jīng)驗、教訓(xùn)

豐滿混凝土壩[8-10]廠房壩段上游面2016年8月底共發(fā)現(xiàn)8條裂縫；2017年廠房壩段常態(tài)混凝土施工部位共發(fā)現(xiàn)27條裂縫；2018年9月份在保溫施工前，溢流壩段溢流面共發(fā)現(xiàn)15條裂縫。廠房壩段218m高程層面裂縫產(chǎn)生的主要原因為：碾壓混凝土與常態(tài)混凝土分界面層間間歇時間過長、上下層溫差過大、碾壓混凝土與常態(tài)混凝土分界面存在局部振搗不完善、材料特性差異較大。

喀臘塑克混凝土壩[11-12]在固結(jié)灌漿施工過程中,主河床29#、30#壩段上游壩塊產(chǎn)生貫穿上游二級配防滲區(qū)的豎向及水平向裂縫，裂縫部位常年處在庫水位下。由于2007年5月20—23日連續(xù)4d降溫11.3℃，降溫期間因固結(jié)灌漿的干擾,未覆蓋保溫被，31#壩段固結(jié)灌漿蓋板上游二級配區(qū)表面出現(xiàn)12cm左右的表面裂縫。2007年7月底氣溫驟降，36#壩段壩基固結(jié)灌漿蓋板縱向樁號0+52.00附近及0+70.00附近出現(xiàn)兩條平行壩軸線的裂縫，2007年8月下旬裂縫深度超過2m。

白石混凝土壩[13-14]于1996年冬季澆筑的17#～26#壩段、距壩軸線15～20m的基礎(chǔ)約束區(qū)和廊道齒槽開挖坡角與壩基巖面接觸的突變部位、18#～22#壩段斷層邊緣出現(xiàn)裂縫。這些裂縫說明了，應(yīng)該合理安排施工時段，基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑時間宜安排在春季, 至少在入冬前澆筑完成,使基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑厚度超過基礎(chǔ)強約束區(qū),增大基礎(chǔ)墊層混凝土抵抗產(chǎn)生裂縫的能力；建基面開挖應(yīng)盡可能平順,齒槽坡度宜不陡于1∶4；做好保溫措施，控制混凝土表面內(nèi)外溫差。

觀音閣大壩[15]上游壩面有裂縫53條, 除2條裂縫外,其余均為水平施工縫，縫長大小不等, 縫寬0.2～3mm,最大縫深達(dá)6.0m；下游壩面裂縫79條, 其中水平縫60條,豎縫19條；壩內(nèi)裂縫共計194條,經(jīng)研究不需處理的38條,需處理的156條；BL13、BL14壩段放水底孔產(chǎn)生的11條裂縫, 其中1條成“口”字型。觀音閣大壩共計產(chǎn)生了326條裂縫，應(yīng)處理的裂縫288條，裂縫數(shù)量多，裂縫嚴(yán)重，說明了觀音閣澆筑溫度偏高，冬季施工間隔期過長。

拉西瓦大壩[16]上游壩面向下游發(fā)展的劈頭裂縫有1條，裂縫基本平行于壩橫縫，且沒有與廊道相貫穿；縫寬大于0.5mm、縫深3.0m

豐滿混凝土壩[8-10]2015、2016、2017年越冬面混凝土裂縫分別發(fā)現(xiàn)15、26、8條。裂縫寬度在0.2～1.3mm之間，裂縫深度在0.6～3.9m之間，裂縫多以橫河向為主，跨1個壩段至幾個壩段不等，最長達(dá)88.3m，發(fā)生在14#～18#壩段2015年越冬層面上。白石混凝土壩[13-14]1998、1999、2000年越冬面裂縫分別發(fā)現(xiàn)22、18、12條，裂縫分布在底孔內(nèi)面、壩體上游面、閘墩等部位。觀音閣混凝土壩[15]上游壩面在1991—1994年3個越冬結(jié)合面上共發(fā)現(xiàn)51條裂縫，縫長大小不等, 縫寬0.2～3mm，最大縫深達(dá)6.0m。以上越冬面裂縫說明了大壩越冬面采取永久保溫和臨時保溫的重要性。

3 國外高寒區(qū)混凝土壩溫控措施

前蘇聯(lián)大部分地區(qū)氣候寒冷，年均氣溫有半年以上是冬季，所以一直提倡全年施工。早在1929—1932年建設(shè)德聶泊水電站[17]時，冬季混凝土施工量就占總混凝土施工量的16%左右，主要采用暖棚法施工，僅僅在最后一年冬季，以試驗的方式用蓄熱法澆筑混凝土。此后在古比雪夫水利樞紐、斯大林格勒水利樞紐、科霍夫水電站以及卡姆河水電站的冬季施工中，當(dāng)天氣沒有達(dá)到嚴(yán)寒且無風(fēng)的條件下，對無金屬預(yù)埋件的混凝土采用露天蓄熱法澆筑。當(dāng)外界氣溫低于-10℃時，在暖篷內(nèi)澆筑混凝土，并在暖棚內(nèi)養(yǎng)護2～3d，同時對混凝土表面進(jìn)行覆蓋。

1956年施工的布赫塔明斯克水電站[1]早期采用了蓄熱法施工，混凝土約束區(qū)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，之后采用活動暖棚，才解決約束區(qū)混凝土裂縫問題。1958—1959年修建的布拉茲克水電站施工中，只有當(dāng)外界氣溫低于-40℃時才停止混凝土澆筑，自10月1日至次年4月末不得拆模，但是在施工過程中依舊產(chǎn)生了大量裂縫。前蘇聯(lián)部分水電站混凝土冬季澆筑施工方法詳見表1[17-18]。

表1 前蘇聯(lián)部分水電站混凝土冬季澆筑施工方法

美、加、日三國[1,18]廣泛采用熱風(fēng)機加熱骨料和充氣暖棚保溫措施的冬季施工方法。暖棚內(nèi)溫度可達(dá)20 ℃，適合混凝土養(yǎng)護。

4 國內(nèi)外低溫溫控措施對比分析

前蘇聯(lián)、歐美、日等國建設(shè)混凝土壩的歷史比我國早，較早提出了綜合、完整的低溫溫控措施，值得我們借鑒。

隨著我國近幾十年來大壩建設(shè)發(fā)展，我國結(jié)合國外混凝土壩低溫溫控經(jīng)驗基礎(chǔ)上，研究提出了更為完善、系統(tǒng)的溫控措施?，F(xiàn)行規(guī)范的低溫溫控措施主要包括低溫施工保溫措施和越冬面保溫措施。低溫施工溫控措施包括原材料溫度加熱、生產(chǎn)混凝土保溫，控制澆筑溫度、混凝土臨時保溫，模板拆除時段選擇、溫度監(jiān)測、氣象預(yù)報和施工組織等措施；越冬面保溫措施包括大壩上下游面永久保溫、橫縫側(cè)立面、頂面和孔洞的越冬面臨時保溫等措施。

我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定日平均氣溫在5℃～20℃區(qū)間采用蓄熱法或綜合蓄熱法施工，日平均氣溫在-20℃以下不宜進(jìn)行施工。由于冬季澆筑混凝土生產(chǎn)效率低下，施工保溫措施代價大，冬季混凝土出現(xiàn)裂縫幾率大，且加熱過程引起安全生產(chǎn)事故風(fēng)險高，因此目前我國國內(nèi)大部分高寒地區(qū)混凝土壩冬季日平均氣溫-10℃以下停工，目前高寒地區(qū)混凝土壩只有少量工程采取特殊施工方法在冬季繼續(xù)混凝土澆筑，如白山大壩采用裝配式暖棚法，拉西瓦、葉巴灘采取綜合加熱措施。我國高寒地區(qū)混凝土壩在冬季工作重點是對已澆筑混凝土進(jìn)行永久保溫和越冬面臨時保溫。

5 高寒區(qū)混凝土壩低溫防裂溫控關(guān)鍵技術(shù)

由于混凝土內(nèi)部水化熱演變是一個緩慢、長期的過程，而高寒區(qū)低溫時期日平均氣溫低，日溫差大，混凝土表面內(nèi)外有溫差，因此各高寒區(qū)混凝土壩低溫時期主要圍繞提高混凝土早期抗拉強度和降低混凝土后期內(nèi)外溫差兩方面采取一系列綜合溫控措施。加熱骨料、熱水拌和混凝土、提高混凝土生產(chǎn)溫度和混凝土澆筑溫度、加熱法養(yǎng)護混凝土，主要目的是提高混凝土早期抗拉強度和抗裂能力；混凝土臨時保溫、永久保溫和混凝土約束區(qū)澆筑時機選擇，主要目的是降低混凝土內(nèi)外層、上下層之間的溫差和拉應(yīng)力。高寒區(qū)混凝土壩低溫澆筑和養(yǎng)護，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形地質(zhì)條件、混凝土壩溫度應(yīng)力特性和施工組織安排等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合分析，確定合理的溫控措施，嚴(yán)格執(zhí)行溫控措施管理規(guī)定，才能建設(shè)成為無裂壩。

6 結(jié)語

我國高寒區(qū)混凝土壩在低溫防裂方面取得了巨大成就，很多大壩僅出現(xiàn)細(xì)微裂縫，甚至無裂縫，大壩耐久性和安全性大大提高，避免重蹈出現(xiàn)貫穿性裂縫或劈頭裂縫現(xiàn)象。及時總結(jié)我國已建高寒區(qū)混凝土壩的低溫防裂溫控措施經(jīng)驗與教訓(xùn)，提出溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)，對于處于在建和前期設(shè)計的高寒區(qū)混凝土低溫建設(shè)具有借鑒意義。