高寒區(qū)混凝土壩溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律研究

韓小妹，朱 峰，范瑞朋

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

1 概述

我國(guó)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(wú)裂縫，大壩耐久性和安全性大大提高。本文根據(jù)已經(jīng)蓄水的觀(guān)音閣、ZM、KLSK、豐滿(mǎn)、DG等重力壩，石門(mén)子、拉西瓦、BEJSK等拱壩[1- 3]溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究分析成果，總結(jié)出高寒區(qū)混凝土壩溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空演化規(guī)律，有助于設(shè)定合理的溫控標(biāo)準(zhǔn)，制定合理的溫控措施，加強(qiáng)溫控施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的執(zhí)行力度，防止高寒區(qū)混凝土壩裂縫發(fā)生。

2 溫度場(chǎng)分布

2.1 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

高寒區(qū)混凝土重力壩和拱壩都在不同高程、不同部位埋設(shè)了溫度計(jì)，不同工程、不同高程、不同部位的溫度計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律具有良好一致性，能良好反映出混凝土壩從施工期至蓄水后運(yùn)行的溫度狀態(tài)。 隨著智能儀器發(fā)展，已建的DG重力壩、在建的葉巴灘拱壩采用了智能溫控儀器，能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析與控制混凝土壩的溫度和溫差。通過(guò)高寒區(qū)混凝土壩的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出混凝土壩溫度場(chǎng)分布及規(guī)律。

2.1.1建基面基巖溫度變化情況

建基面基巖溫度受混凝土澆筑初期水化熱和庫(kù)水溫影響大，逐漸趨近于穩(wěn)定溫度。根據(jù)KLSK[4]、豐滿(mǎn)[5]、三河口[6]等大壩基巖溫度計(jì)監(jiān)測(cè)成果，在壩體混凝土澆筑后，受混凝土水化熱的影響，基巖內(nèi)溫度迅速升高，基巖深處溫度變化幅度較平緩，靠近混凝土建基面受外界環(huán)境溫度變化明顯，越接近基巖面處升溫越快，之后溫度慢慢下降。蓄水后基巖溫度主要受庫(kù)水溫、滲透壓力、深層基巖地溫及該壩段的結(jié)構(gòu)尺寸影響。

2.1.2不同階段溫度場(chǎng)溫度變化情況

高寒區(qū)壩內(nèi)混凝土溫度場(chǎng)一般分為水化熱階段、2次升溫或降溫階段、平穩(wěn)階段3個(gè)階段。

混凝土澆筑后，因水化熱原因混凝土溫度呈現(xiàn)逐步升高現(xiàn)象，基本經(jīng)歷4～7d后，溫度快速達(dá)到峰值。隨著混凝土水化熱的減弱、壩體散熱等原因，溫度緩慢上升。由于受上層新澆混凝土的影響，下層混凝土?xí)l(fā)生溫度倒灌，出現(xiàn)2次升溫的現(xiàn)象。如果混凝土分層澆筑較快，還可能出現(xiàn)3次，甚至4次升溫現(xiàn)象。2次升溫現(xiàn)象還與混凝土的粉煤灰含量、水分含量、骨料有關(guān)。在2次升溫階段，通過(guò)采取通水冷卻和保溫隔熱、隔濕等溫控措施，混凝土溫度達(dá)到第2個(gè)溫升峰值后，進(jìn)入穩(wěn)定的下降階段?；炷翜囟葓?chǎng)典型過(guò)程線(xiàn)如圖1所示。

圖1 觀(guān)音閣重力壩施工期碾壓混凝土溫度過(guò)程線(xiàn)[7]

通水冷卻和保溫隔熱有利于降低混凝土最高溫度。當(dāng)高溫季節(jié)混凝土澆筑之后開(kāi)始通水冷卻，混凝土溫度先快速上升，達(dá)到第1個(gè)溫度峰值后，DG、ZM等重力壩加強(qiáng)通水冷卻后，混凝土溫度不出現(xiàn)2次升溫現(xiàn)象，溫度緩慢下降，期間趨勢(shì)有所停滯甚至出現(xiàn)波動(dòng)狀況，但總體仍處于緩慢降溫階段，逐漸趨近穩(wěn)定溫度。高溫季節(jié)澆筑的混凝土通常進(jìn)行多期通水，有利于控制混凝土溫度，見(jiàn)表1。一期通水控制混凝土最高溫度；中期通水防止混凝土出現(xiàn)2次升溫，確?；炷翜囟染徛陆担欢谕ㄋ鋮s后，壩體溫度逐漸下降，達(dá)到穩(wěn)定溫度和接縫灌漿溫度。

表1 BEJSK拱壩通水后壩體溫度監(jiān)測(cè)成果表

2.1.3壩表面溫度易受外界氣溫影響

如果混凝土大壩表面未進(jìn)行保溫或者保溫措施不到位，大壩表面溫度將隨外界氣溫變化而變化，三河口大壩512m高程壩面溫度典型溫度計(jì)和月平均氣溫對(duì)比過(guò)程線(xiàn)如圖2所示。壩體表面溫度初期受水化熱影響明顯，后期受外界氣溫影響明顯，后期溫度變幅小于氣溫變幅。因此高溫季節(jié)應(yīng)及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行水管冷卻養(yǎng)護(hù)，低溫季節(jié)需要對(duì)大壩表面進(jìn)行表面保溫，降低受外界氣溫的影響。

圖2 三河口大壩512m高程壩面溫度典型溫度計(jì)和月平均氣溫對(duì)比過(guò)程線(xiàn)圖

高寒區(qū)混凝土越冬層面覆蓋保溫層后，外界氣溫的最低溫度和混凝土表面最低溫度溫差大，如BEJSK混凝土壩可達(dá)到33.5℃，見(jiàn)表2。

表2 BEJSK混凝土壩越冬保溫實(shí)測(cè)溫度匯總表

因此需要重視高寒區(qū)混凝土大壩來(lái)年開(kāi)春保溫被的揭開(kāi)時(shí)間，當(dāng)寒潮來(lái)臨時(shí)，需要及時(shí)覆蓋保溫被。KLSK混凝土壩越冬層表面保溫被揭開(kāi)的時(shí)間一般在4月上旬，外界環(huán)境氣溫在6℃以上，越冬層表面溫度在12.5℃以上，與越冬層面表面溫差控制在10℃以?xún)?nèi)，揭開(kāi)保溫被1d之后，越冬層表面溫度降低到5.6℃，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 KLSK大壩4個(gè)壩段保溫前后越冬層表面溫度統(tǒng)計(jì)

2.1.4壩體內(nèi)外溫差容易大

由KLSK、豐滿(mǎn)重力壩典型壩段實(shí)測(cè)溫度曲線(xiàn)得出，壩體表面溫度受外界氣溫影響敏感，而壩體腹心內(nèi)部溫度受水泥水化熱作用高于上下游壩面，最大內(nèi)外溫差達(dá)到10～15℃。由于腹心部位的壩體溫度較高，整個(gè)壩體溫度場(chǎng)以壩體腹心為中心，向壩體四周輻射狀分布。

KLSK大壩越冬層表面溫差匯總見(jiàn)表4。由表4可以看出，2007年和2008年越冬層內(nèi)外溫差和上下層溫差基本滿(mǎn)足溫控標(biāo)準(zhǔn)；2008年越冬層因受各種因素的影響，導(dǎo)致29#壩段壩體內(nèi)部腹心溫度較高，與越冬層面的溫差略微超過(guò)了內(nèi)外溫差的控制標(biāo)準(zhǔn)，但超出的量值不大。在新混凝土開(kāi)澆前，揭開(kāi)保溫被，用高壓水槍清洗，越冬層面未發(fā)現(xiàn)表面裂縫。

表4 KLSK大壩典型壩段越冬層表面溫差統(tǒng)計(jì)表

2.1.5施工期高溫季節(jié)未保溫的壩體和壩面溫度隨高程增長(zhǎng)而增加

大壩處于河谷內(nèi)，兩岸山體遮擋光線(xiàn)，大壩各處光照時(shí)間不同，一般靠近壩頂處壩體和壩面受日照時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此高溫季節(jié)靠壩頂處混凝土溫度相對(duì)較高，靠近壩基的壩體溫度較低。2020年9月2日，三河口拱壩未覆蓋保溫層的壩體和上下游表面平均溫度沿高程呈現(xiàn)正相關(guān)分布關(guān)系，如圖3所示，各高程平均溫度在14～26℃。

圖3 三河口拱壩未覆蓋保溫層的壩體和壩面蓄水前沿高程分布平均溫度分布圖

2.1.6蓄水后壩體上游面和壩體溫度受庫(kù)水溫度影響明顯

由觀(guān)音閣重力壩、KLSK重力壩、拉西瓦拱壩溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，壩體表面溫度計(jì)在蓄水以前主要受外界氣溫影響，隨著蓄水位上升，上游壩面溫度主要受壩前庫(kù)水溫度影響，水越深，壩體溫度變幅越??；下游壩面溫度由外界氣溫控制，冬、春季節(jié)，壩體下游表層溫度低于內(nèi)部溫度，夏秋季節(jié)則高于內(nèi)部溫度；壩體內(nèi)部溫度介于上游壩面溫度和下游壩面溫度之間，壩體內(nèi)部溫度變化的時(shí)間比壩體滲壓計(jì)水位變化滯后。截止2014年12月，拉西瓦拱壩壩體中部溫度隨部位高程呈現(xiàn)反相關(guān)關(guān)系，高程越低，溫度越高；2260m高程以下壩體內(nèi)部溫度基本在15～10℃之間，2260～2417m高程壩體內(nèi)部溫度基本在10～8℃之間，2417～2430m高程壩體內(nèi)部溫度基本在8～6℃之間，2430～2440m高程壩體內(nèi)部溫度基本在11～12℃之間。

2.2 穩(wěn)定溫度場(chǎng)分布

盡管年內(nèi)各月氣溫及上游水溫不同，高寒區(qū)拱壩在做好保溫措施下各月的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度基本相同。根據(jù)拉西瓦拱壩7#、11#、16#壩段[8]埋設(shè)的溫度計(jì)的溫度測(cè)值，進(jìn)行溫度場(chǎng)的繪制，分別選取蓄水前2008年7月中旬及12月中旬為典型時(shí)刻；溫度場(chǎng)如圖4所示。從溫度場(chǎng)可以看出，在7月份2320m高程以下溫度場(chǎng)整體已經(jīng)降至6～12℃，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)；2320m高程以上混凝土由于澆筑較晚，混凝土在人工冷卻及自身水化熱的作用下，局部最高溫度24～26℃；到達(dá)12月份，2350m以下溫度場(chǎng)溫度已經(jīng)降至6～12℃，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。對(duì)比7月份與12月份的溫度場(chǎng)可以看出，2320m以下壩體混凝土溫度內(nèi)部變化不大，淺表部混凝土(5m范圍)變化受外界氣溫影響較大，表部混凝土溫度分布在8～12℃。

圖4 拉西瓦拱壩11#壩段2008年溫度場(chǎng)

蓄水后，拉西瓦大壩2400m高程以下混凝土內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度隨外界氣溫變化不大，2400m 高程以上混凝土溫度隨外界氣溫變化的而變化?；A(chǔ)約束區(qū)混凝土平均穩(wěn)定溫度為9℃，脫離約束區(qū)混凝土實(shí)測(cè)溫度在5～10℃范圍內(nèi)變化。截止2015年3月，拉西瓦壩體基礎(chǔ)實(shí)測(cè)溫度變化較平穩(wěn)，基本在9.2～12.95℃，整體受上部水位變化影響較小。

3 應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

目前很多混凝土大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要采用多向應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)儀器，通過(guò)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用疊加法，計(jì)算出壩體混凝土實(shí)際應(yīng)力。根據(jù)豐滿(mǎn)、DG等重力壩、拉西瓦、三河口等拱壩的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，各工程應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)一致性相對(duì)較差，同一應(yīng)變計(jì)的過(guò)程線(xiàn)數(shù)據(jù)起伏較大，異常數(shù)據(jù)比較多，三河口拱壩和拉西瓦拱壩的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布及規(guī)律明顯不同。應(yīng)力應(yīng)變分布和規(guī)律不僅與混凝土溫度有關(guān)，還與施加的自重荷載、水荷載等有關(guān)，本文根據(jù)豐滿(mǎn)、DG等重力壩、拉西瓦、三河口等拱壩的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)，總結(jié)分析應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)主要分布及規(guī)律趨勢(shì)。

3.1 混凝土溫度應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)與溫度過(guò)程線(xiàn)規(guī)律相同

由DG(圖5)、豐滿(mǎn)等重力壩典型應(yīng)力應(yīng)變變化過(guò)程線(xiàn)得出，混凝土溫度應(yīng)力應(yīng)變與溫度值明顯線(xiàn)性正相關(guān)，規(guī)律相似，應(yīng)變初期變化較大，后期逐漸下降，直至收斂，蓄水前基本為壓應(yīng)變。

圖5 DG重力壩11#壩段3348m高程五向應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)測(cè)值過(guò)程線(xiàn)[9]

3.2 蓄水后應(yīng)力應(yīng)變基本處于受壓狀態(tài)，局部處于受拉狀態(tài)

水庫(kù)蓄水初期，壩體有較明顯壓應(yīng)力增大趨勢(shì)；后期庫(kù)水位抬升階段，壩體低高程亦有較小的壓應(yīng)力增大趨勢(shì)，高程部位壩體應(yīng)力變化不明顯；庫(kù)水位穩(wěn)定后，壩體應(yīng)力變化不大。上游側(cè)和中部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力受溫度影響較小，下游側(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力受拱壩整體穩(wěn)定影響較大。截至2014年12月28日，拉西瓦拱壩各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力基本趨于穩(wěn)定或呈較穩(wěn)定的周期性變化，僅有個(gè)別測(cè)點(diǎn)有較小的壓應(yīng)力增大趨勢(shì)，壩體混凝土主要以壓應(yīng)力為主，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值都小于設(shè)計(jì)混凝土允許抗裂應(yīng)力2.1MPa。

4 應(yīng)力應(yīng)變反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，三河口拱壩和拉西瓦拱壩均進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變演算分析，其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與通過(guò)應(yīng)變實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果均有明顯差異。拉西瓦拱壩應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與反演分析計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表5和表6。由表5—6得出，實(shí)測(cè)的變形拉應(yīng)力最大為1.9MPa，明顯大于計(jì)算值0.33MPa，但小于設(shè)計(jì)混凝土抗裂強(qiáng)度2.1MPa，實(shí)測(cè)的最大壓應(yīng)力10.1MPa，略大于計(jì)算值8.17MPa。由于應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的外界工況存在一定的差異，此外應(yīng)變計(jì)組的埋設(shè)位置存在局限性，再加上應(yīng)變計(jì)組初值的選取、資料的復(fù)雜性和混凝土徐變?cè)囼?yàn)資料的復(fù)雜性和局限性；應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均存在一定的差異。

表5 拉西瓦拱壩典型壩段應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果特征值表

表6 拉西瓦拱壩反演應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

5 結(jié)語(yǔ)

由于高寒區(qū)低溫歷時(shí)長(zhǎng)，日溫差大，寒潮頻繁，混凝土表面蒸發(fā)大，因此高寒區(qū)混凝土壩表面有無(wú)保溫防護(hù)、高溫季節(jié)澆筑有無(wú)通水冷卻，澆筑混凝土季節(jié)等因素，均影響混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布及變化趨勢(shì)。目前各混凝土壩溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定和有規(guī)律性，容易直接總結(jié)溫度場(chǎng)時(shí)空分布及變化規(guī)律；而很多混凝土壩的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)起伏較大，異常數(shù)據(jù)多，混凝土壩的應(yīng)力還受混凝土壩體型和承受荷載有關(guān)，需要結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和大壩受力特點(diǎn)，才能綜合分析應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)主要分布及規(guī)律趨勢(shì)。