大古水電站RCC重力壩施工期溫控防裂研究

晏國順，頡志強，陜 亮

（1.華電西藏能源有限公司，拉薩 856200；2.長江科學院材料與結構研究所，武漢 430010；3.長江科學院水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010）

大古水電站位于西藏自治區(qū)山南市桑日縣境內，海拔3 500 m，氣候環(huán)境復雜，呈“溫差大、氣壓低、輻射強、空氣干燥、大風頻繁”的典型高原氣候特征［1］。該水電站為二等大（2）型工程，主要水工建筑物按2 級設計，攔河大壩為RCC 重力壩，最大壩高126 m，最大底寬104.5 m，壩體混凝土總方量約176.9 萬m3。根據(jù)國內外工程經驗，海拔2 000 m 以下地區(qū)碾壓混凝土筑壩技術已較為成熟，但大古水電站是國內海拔3 500 m 地區(qū)建設的首座碾壓混凝土壩，壩址海拔高氣候條件差，大壩在施工期所面臨的溫控防裂形勢嚴峻，其溫控仿真與措施是該工程設計、施工的關鍵技術之一［2-4］。對于混凝土壩而言，基礎約束區(qū)是防裂的重點部位［5，6］，為了確保大古水電站RCC 重力壩具有較高的抗裂安全性，本文以5號壩段為研究對象，對基礎約束區(qū)混凝土溫度、應力特性進行分析，并以此為基礎制定合理的大壩施工溫度控制標準，提出可行的大壩混凝土溫度控制措施。

1 數(shù)值模擬

1.1 計算模型

5 號壩段為邊坡壩段，澆筑倉面形態(tài)差，邊坡高陡，應力狀態(tài)復雜，溫控防裂難度較大，結構模型見圖1，基礎模擬范圍為鉛直向自建基面向下延伸1.5 倍壩高，順河向分別向上下游延伸1.5倍壩高。

圖1 結構模型

1.2 計算條件

依據(jù)大古水電站相關建設單位技術資料［7-10］，結合混凝土現(xiàn)場澆筑施工組織設計［11］，參考行業(yè)規(guī)程規(guī)范以及相關類似工程經驗［12，13］確定。

1.2.1 環(huán)境溫度

根據(jù)壩址區(qū)域氣象站實測氣象要素月平均氣溫統(tǒng)計，擬合年氣溫作用曲線如下式：

1.2.2 材料力學性能參數(shù)

混凝土材料抗裂能力是混凝土壩溫控防裂的關鍵因素。大古重力壩采用粉煤灰碾壓混凝土材料，雖可大量減少水泥用量，但由于摻料量的增加，使得混凝土早期抗裂能力降低，增加了早齡期混凝土開裂風險。三級配碾壓混凝土C9015 水灰比為0.55，粉煤灰摻量為60%；二級配碾壓混凝土C9020 水灰比為0.50，粉煤灰摻量為50%；三級配常態(tài)混凝土C9020 水灰比為0.50，粉煤灰摻量為25%。根據(jù)混凝土的材料性能試驗成果，得到相應的混凝土物理力學參數(shù)見表1。

表1 混凝土配合比及力學性能參數(shù)

1.2.3 材料熱學性能參數(shù)

根據(jù)混凝土的材料性能試驗成果，混凝土熱學性能參數(shù)見表2～表3。

表2 混凝土熱學性能參數(shù)

表3 混凝土絕熱溫升

2 結果與分析

2.1 基礎約束區(qū)混凝土開裂風險

基礎約束區(qū)混凝土受約束性強，是碾壓混凝土壩防裂研究的重點區(qū)域。實測氣溫資料顯示，大古水電站晝夜溫差6月份達到20 ℃，11月份達到22 ℃，設置計算工況如表4 所示，深入分析各因素對基礎約束區(qū)混凝土溫度、應力時空分布特性的影響。

表4 開裂風險分析計算工況

基礎約束區(qū)混凝土選取特征截面及特征點如圖2 所示，特征截面選取澆筑塊軸向中截面；特征點T1、T2位于澆筑塊中部，T1 位于澆筑層表面，T3 位于上游表面附近，距離上游面0.5 m，T4點位于下游面附近，距離下游表面0.5 m。

圖2 基礎約束區(qū)混凝土典型截面位置與特征點示意（單位：m）

2.1.1 溫度及應力特征分析

基礎約束區(qū)混凝土溫度及應力變化規(guī)律見圖3，在不采取任何溫控措施情況下，混凝土施工期溫度歷程大致分為第一升溫期、第一降溫期、第二升溫期、第二降溫期四個階段。第一升溫期由水化放熱引起，第一降溫期由澆筑層間歇期倉面及上下游面散熱引起，第二升溫期由上層混凝土澆筑熱量倒灌引起，第二降溫期由后續(xù)降溫過程引起。不同階段升降溫均會引起混凝土應力波動，總體表現(xiàn)為溫升應力減?。ㄚ呌谑軌海?，溫降應力增大（趨于受拉）。在第一升溫期混凝土產生了不同程度的壓應力，但由于早期混凝土彈模較小，其壓應力水平較低。第一降溫期倉面點T1主要呈拉應力狀態(tài)，混凝土表面區(qū)域早期開裂風險高；第二升溫期各點應力出現(xiàn)明顯下降，而且溫升速率越大，應力下降速率越明顯，T1 點應力下降幅度明顯大于T2點，而T2點明顯大于T3、T4點；第二次降溫期，各部位應力重新出現(xiàn)回升，到齡期40 d（天）后，T3、T4 點已經超過允許抗拉應力，抗裂安全度小于1.8。在第二降溫期，由于T1、T2 點位于壩體內部，降溫緩慢，應力歷程平緩，但其溫度維持在23 ℃左右，高出當?shù)仄骄鶜鉁亟?3 ℃，在后期強約束、高彈模情況下，這一溫差將在T1、T2點處產生極大的拉應力，后期出現(xiàn)開裂風險大。因此，碾壓混凝土壩施工期溫控防裂關鍵是控制兩次降溫期降溫幅度和降溫速率。

圖3 工況2基礎約束區(qū)混凝土特征點溫度與應力歷時曲線

2.1.2 澆筑季節(jié)影響

不同季節(jié)澆筑的混凝土溫度、應力有明顯差異。由圖4（a）、圖4（c）可見，高溫季節(jié)（6月始澆）工況第一降溫期降溫速率低于低溫季節(jié)（11月始澆）工況，上部混凝土澆筑后，出現(xiàn)二次溫峰，對于T1、T2 點，第二降溫期，兩種季節(jié)工況溫差基本穩(wěn)定，相同齡期時，高溫季節(jié)工況高出低溫季節(jié)工況2 ℃左右；對于T3、T4點，早期峰值溫度略高，后期高溫季節(jié)工況降溫速率明顯小于低溫季節(jié)工況，兩種工況溫差逐漸增大，到齡期60 d 時，兩種工況溫差達10 ℃左右。由圖4（b）、圖4（d）可見，對于混凝土中部點T1、T2，上部混凝土澆筑前的第一升溫期和第一降溫期，由于兩種工況降溫速率差異較小，加之早期混凝土彈性模量較低，二者應力差異很小。上部混凝土澆筑后，第二升溫期和第二降溫期，應力先略有下降，此后伴隨壩體降溫應力逐步增大，高溫季節(jié)工況澆筑的混凝土溫度水平高，降溫至穩(wěn)定溫度場溫差大，后期內部開裂風險高；對于上下游面附近的T3、T4點，在第二降溫期，低溫季節(jié)工況的降溫幅度大且降溫速率高，開裂風險高。因此，低溫季節(jié)澆筑的混凝土上下游壩面開裂風險高，高溫季節(jié)澆筑的混凝土內部后期開裂風險高。

2.1.3 晝夜溫差影響

由圖5 可見，基礎約束區(qū)混凝土溫度隨時間呈現(xiàn)周期性變化，晝夜溫差在倉面T1 點引起的混凝土溫差達5 ℃左右，但在距離散熱面0.5 m 左右的內部T2、T3、T4 點引起的溫度變幅減小為1.5 ℃左右。晝夜溫差對倉面點T1第一次溫度峰值影響明顯，對內部點T2、T3、T4 影響相對較小。晝夜溫差對應力的影響主要體現(xiàn)在使表面應力產生周期性波動，對結構內部應力整體變化規(guī)律影響較小?；炷帘砻嬖跐仓缙诩唇咏虺^了允許抗拉強度，開裂風險明顯增大。因此，壩體上下游表面和澆筑倉面應當設置表面保溫措施。

圖5 晝夜溫差對不同部位溫度與應力的影響

2.1.4 澆筑間歇影響

由圖6、7 可見，低溫季節(jié)澆筑的混凝土，隨著間歇期延長，在第一降溫期，中部點T1、T2 點應力持續(xù)增大，接近允許拉應力，容易出現(xiàn)裂縫。澆筑上部混凝土，出現(xiàn)二次溫峰后的第二降溫期應力回升，到齡期40 d 以后，不同間歇期應力不再有明顯差異；上下游壩面附近的T3、T4 點應力主要受上下游面散熱影響，澆筑間歇期長短對其應力影響較小，隨間歇期延長應力值略有減小。高溫季節(jié)澆筑的混凝土應力變化規(guī)律與低溫季節(jié)基本一致，區(qū)別在于高溫季節(jié)澆筑混凝土在第一降溫期產生的應力增幅有限，相對開裂風險較低。在實際工程施工中，若在高溫季節(jié)澆筑基礎約束區(qū)混凝土，則可適當延長間歇期，充分利用倉面散熱降低混凝土整體溫度。

圖6 低溫季節(jié)不同間歇期對溫度、應力影響

2.2 溫控防裂措施研究

根據(jù)前述基礎約束區(qū)混凝土溫度及應力特性研究成果，綜合溫控防裂成本與效果，并參考類似工程，研究提出大古水電站RCC 重力壩采取外部保溫與內部通水降溫相結合的溫控防裂措施：

（1）澆筑分層與間歇期。碾壓混凝土采用薄層、短間歇、連續(xù)澆筑法施工，碾壓層厚30 cm，強約束區(qū)混凝土碾壓升程高度為1.5 m，層間間歇8 d，弱約束區(qū)和自由區(qū)混凝土碾壓升程高度為3 m，層間間歇8 d。

（2）混凝土澆筑溫度。澆筑溫度：強約束區(qū)，4-10月≤13 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃；弱約束區(qū)，4-10月≤18 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃；非約束區(qū)，4-10月≤20 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃。

（3）通水冷卻。水管間距為1.5 m×1.5 m 沿左右岸方向布置?；炷翝仓瓿杉纯砷_始一期通水冷卻，冷卻20 d，進口水溫12 ℃（流量1.5 m3∕h），每24 h 改變一次通水方向。中期進口水溫為13 ℃，通水流量為0.6 m3∕h，通水時間40 d。

圖7 高溫季節(jié)不同間歇期對溫度與應力的影響

（4）表面保溫和養(yǎng)護。上下游表面混凝土采取表面保溫措施，鋪設5 cm 厚的聚苯乙烯板，倉面采用保溫措施，分別采用6 cm 干燥的保溫被（即僅考慮風對保溫材料影響k=1.5）。干燥情況下保溫被和聚苯乙烯泡沫塑料板的導熱系數(shù)應小于0.125 6 kJ∕（m·h·℃），潮濕條件下保溫被的導熱系數(shù)應小于0.376 8 kJ∕（m·h·℃），保溫被采用保溫卷材代替。

針對溫控防裂措施效果進行數(shù)值計算分析，計算工況如表5所示。

表5 基礎約束區(qū)碾壓混凝土計算工況

2.2.1 保溫效果

由圖8可見，無保溫措施情況下，晝夜溫差導致碾壓混凝土早期表面應力持續(xù)波動，極易超過允許拉應力；有保溫措施的應力波動基本消除，表面附近抗裂安全度1.8 以上，能夠有效避免混凝土早期表面裂縫。然而，對于中部點，有保溫措施的混凝土內部熱量難以散失，后期降溫幅度增大，應力增幅變大，抗裂安全度明顯減小，開裂風險增加，因此混凝土中部必須采取通水冷卻措施，減小開裂風險。

圖8 保溫措施對基礎約束區(qū)混凝土開裂安全的影響

2.2.2 通水冷卻效果

在表面保溫基礎上，采用了通水冷卻措施后，上下游面附近點，峰值溫度降低幅度約5 ℃左右，中部點最大降幅約9 ℃左右，見圖9（a）、圖9（c）；大壩表面附近點抗裂安全度變化不大，基本保持1.8 左右，中部點各高程最小抗裂安全度值有效提高，除越冬面上下兩層外，中部點最小抗裂安全度均在2.0 以上，見圖9（b）、圖9（d）。保溫措施與通水冷卻措施相結合，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，做到“內外兼顧”，有效避免混凝土裂縫產生。

圖9 通水冷卻措施對碾壓混凝土開裂安全的影響

3 結 論

（1）在澆筑季節(jié)影響方面，由于越冬影響，低溫季節(jié)開澆的混凝土，越冬面距離建基面較近，其早期降溫速率、應力水平明顯高于高溫季節(jié)開澆工況，而高溫季節(jié)澆筑工況在降溫期的降溫速率明顯低于低溫季節(jié)，其內部熱量累積，后期在大彈模、強約束下降溫，開裂風險則高于低溫季節(jié)澆筑的混凝土，故高溫季節(jié)澆筑混凝土必須重點關注內部通水冷卻降溫。

（2）晝夜溫差對表面混凝土溫度與應力特性影響程度明顯大于內部混凝土，考慮晝夜溫差影響的壩體表面抗裂安全度普遍小于1.8，無法達到抗裂要求，因此保溫對表面防裂而言至關重要。

（3）間歇期影響方面，低溫季節(jié)間歇期的延長對混凝土防裂不利，而高溫季節(jié)根據(jù)情況適當延長間歇期有利于散熱和整體降溫，對后期防裂有利。

（4）采用外部保溫與內部通水冷卻共同作用的溫控防裂措施，壩體表面和內部的抗裂安全度均大于1.8，滿足混凝土重力壩設計規(guī)范要求。 □