不同間歇期下晝夜溫差及倉面保溫對拱壩的影響

徐 曉，朱 昆 ，韓申秋 ，岳加利，厲 楊，吳建明

（1.縉云縣水利局， 浙江 縉云 323000；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

大體積混凝土澆筑通常采取分層澆筑，以削減溫度應(yīng)力對目標結(jié)構(gòu)的影響。澆筑過程中主要通過倉面散熱和澆筑層之間的熱量交換，實現(xiàn)水化熱消散，同時配合澆筑間歇期內(nèi)的冷卻通水，完成對已澆混凝土的溫度控制和強度提升。但當前5～15 d的設(shè)計澆筑間歇期在實踐中難以完全貫徹，有時最長延期可達15 d 左右。隨著間歇期延長，基礎(chǔ)約束作用增大，加之薄層壩塊熱傳導速度較快，至冷卻后期全斷面普遍處于拉應(yīng)力狀態(tài)，特別是臨近倉面處的混凝土彈性模量增大較快，一旦間歇期內(nèi)遭遇寒潮或氣溫驟降等不利條件，混凝土表面將率先形成超標的拉應(yīng)力，極大地增加了倉面開裂風險，為深層裂縫形成埋下隱患[1]。

目前，大體積混凝土澆筑過程中的間歇期時長問題，在國內(nèi)外均有廣泛研究。首先，率先展開研究的是朱伯芳院士，他通過自己建立的等效傳熱方程，對大體積混凝土的水化放熱就澆筑層厚度和間歇時長2 方面進行研究，得到在不同間歇期下不同澆筑層厚和不同間歇期下混凝土水化熱的分布規(guī)律[2]；董福品對澆筑層不同間歇期壩體溫度和溫度應(yīng)力進行研究，得出在只改變間歇期的情況下，壩體內(nèi)部的最大水化熱溫升和最大水化熱溫度應(yīng)力都隨著間歇時間的延長而減小[3]；謝微對混凝土澆筑坯層厚度和坯層間歇時間對溫度應(yīng)力的影響展開研究，得出坯層中最大拉應(yīng)力與混凝土水化熱達到一半時的齡期的關(guān)系[4]；黃夏秋等人通過工程經(jīng)驗提出混凝土大壩應(yīng)按不同部位的受氣溫影響程度、施工復雜程度對澆筑層間間歇期進行區(qū)分，減小混凝土的開裂風險[5]。同時，我國通過一系列的高拱壩實踐后，對高拱壩澆筑層間間歇期的研究也更加透徹[6-9]。溪洛渡拱壩澆筑時，間歇期的設(shè)置為在5～28 d；到烏東德拱壩澆筑時，間歇期的設(shè)置一般變?yōu)?～10 d，不宜超過14 d；等到白鶴灘拱壩施工時，正常澆筑間歇期為5～7 d，最大不超過20 d，可見隨著施工技術(shù)的成熟與施工經(jīng)驗的增加，對拱壩澆筑間歇期的要求越來越嚴格。

基于上述研究后，對不同間歇期下拱壩倉面應(yīng)力變化情況進行分析，得到各個間歇期下拱壩的倉面開裂風險，同時考慮多種特殊天氣對拱壩倉面造成的影響，方便建設(shè)單位和施工單位根據(jù)天氣情況以及拱壩自身情況及時調(diào)整，有利于提高大壩的整體安全性能，促進“無縫大壩”的建設(shè)。

1 工程概況

白鶴灘水電站位于我國西南地區(qū)，屬于亞熱帶季風區(qū)。壩址區(qū)常年平均溫度21.9 ℃，3—10 月為高溫季節(jié)，平均溫度高于或接近22.0 ℃，其余月份為低溫季節(jié)，最低月平均氣溫 13.3 ℃。壩址區(qū)存在極端氣溫溫差大、晝夜溫差變化明顯、干燥大風、高溫多雨等環(huán)境影響。壩址區(qū)溫度驟降幅度大，3 d 溫度驟降6 ℃以上年平均次數(shù)約24 次。同時，全壩使用低熱水泥混凝土，低熱水泥混凝土相比于中熱水泥混凝土，早期的強度發(fā)展速度較慢，需要做好早期保護措施。

2 計算原理

2.1 計算模型與邊界

計算主要模擬白鶴灘拱壩在不同澆筑間歇期下的開裂風險，選取拱壩下部基礎(chǔ)約束區(qū)的澆筑塊進行說明。拱壩混凝土溫控施工技術(shù)要求中規(guī)定：基礎(chǔ)約束區(qū)是在基巖以上0～0.4L高度范圍內(nèi)的混凝土，其中L為澆筑塊最大邊長（m）?；A(chǔ)約束區(qū)范圍的混凝土受到基巖的強約束作用，受力條件更為復雜，且由于現(xiàn)在澆筑都采取的通倉澆筑，下部倉的面積較大，倉面更容易產(chǎn)生裂縫。故本次計算采用的模型（見圖1），運用六面體八節(jié)點等單元，單倉長40 m，寬20 m，高3 m，共5 倉。其中單元960 個，節(jié)點1 377 個。

圖1 大有限元計算模型圖

同時，計算過程中考慮在澆筑的混凝土拱壩內(nèi)部均埋設(shè)冷卻水管，混凝土內(nèi)的水管冷卻將與倉面散熱同時對混凝土降溫。

本次計算考慮自重荷載和溫度荷載的影響，計算時溫度和應(yīng)力耦合場考慮邊界情況見圖2。其中S1 為壩面發(fā)生對流交換，同時考慮太陽輻射影響和周邊發(fā)生輻射換熱；S2 為地面地基深部地溫變化，長期變化較小，近似恒定，可將基底視為一類邊界；S3 為地基側(cè)壁取絕熱邊界。壩區(qū)各類材料熱力學參數(shù)見表1。

表1 壩區(qū)各類材料熱力學參數(shù)表

圖2 大壩邊界條件示意圖

2.2 間歇期和晝夜溫差設(shè)計原理

我國大體積混凝土澆筑經(jīng)過多年實踐，得出薄層澆筑更有利于混凝土散熱。根據(jù)已有工程文獻，當混凝土澆筑層厚度達到5.0 m 時，混凝土水化熱基本上不能散發(fā)，而當對澆筑層采用3.0 、1.5 、1.0 m 層厚時[10]，混凝土水化熱通過澆筑層頂面就可以散發(fā)總量的30%、50%和60%。當大體積混凝土采用薄層長塊澆筑時，基礎(chǔ)約束作用大，與厚塊相比，相同的溫差可引起更大的拉應(yīng)力；同時，冷卻速度快，到了冷卻后期，全面受拉，一旦遭遇過大晝夜溫差，出現(xiàn)表面裂縫，極易發(fā)展成為貫穿性裂縫[11-12]。在經(jīng)過一系列高拱壩的澆筑后，現(xiàn)在施工時不僅對上下游采取苯板和聚氨酯進行保溫，而且對橫縫面也會采取相應(yīng)的保溫措施。同時，在混凝土各階段溫度也有了明確的控制，但在有些方面仍有不足。例如在基礎(chǔ)約束區(qū)部位進行薄層混凝土澆筑，經(jīng)歷長間歇卻未進行任何保溫措施，遭遇過大晝夜溫差，從而產(chǎn)生裂縫。丹江口工程在基巖上澆筑時，采用3.0 m 層厚的澆筑層，間歇期最長達46 d，期間遭遇溫度驟降，最終產(chǎn)生貫穿裂縫。我國拱壩澆筑間歇期正?？刂圃?～7 d，最大不超過20 d，當層間間歇超過28 d 時，該層的混凝土就應(yīng)當按照老混凝土進行處理。同時，按照SL 282—2018《混凝土拱壩規(guī)范》中的規(guī)定，混凝土各層之間的澆筑時間間隔宜小于28 d。

通過引言所述，結(jié)合已有的規(guī)范和現(xiàn)有的施工經(jīng)驗，本次計算時考慮把間歇期分為4 種，分別為7、14、21 和28 d。并且，計算時考慮保溫和不保溫情況下溫度驟降對倉面的應(yīng)力影響。計算時根據(jù)白鶴灘實際天氣情況進行仿真模擬，2017—2019 年白鶴灘3 d 內(nèi)晝夜溫差統(tǒng)計情況（見圖3），根據(jù)實際氣溫變化情況，把晝夜溫差分為2 種，分別是晝夜溫差6 ℃和10 ℃。由于新混凝土入倉溫度只有12 ℃，會對老混凝土造成冷擊，所以在間歇期的最后階段設(shè)置大幅度晝夜溫差，可以把2 種溫降相互疊加，造成最大應(yīng)力影響，有效知曉倉面的抗裂性能。

圖3 壩址區(qū)溫降統(tǒng)計圖

在計算時，根據(jù)實際施工情況，上游壩面噴4 cm 厚聚氨酯進行保溫，下游壩面粘貼3 cm 厚聚乙烯擠塑保溫板，橫縫暴露面覆蓋5 cm 厚聚乙烯卷材進行保溫，倉面保溫時，會在澆筑層面覆蓋1～2 層2 cm 厚保溫被。對于各個情況下的倉面散熱系數(shù)可以參考朱伯芳院士關(guān)于邊界條件的理論，固體表面在空氣中的散熱系數(shù)可用以下公式計算：

式中：V為風速，m/s。

2.3 計算工況

工況設(shè)計見表2。

表2 工況設(shè)計表

3 結(jié)果分析與應(yīng)用

3.1 計算結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，倉面保溫時，在晝夜溫差達到10 ℃情況下，間歇期7、14、21、28 d 的混凝土倉面最大應(yīng)力分別為0.403、0.540、0.566 和0.580 MPa（見圖4），隨著間歇期的加長，混凝土應(yīng)力逐步增加，但增加幅度較小且都處于安全范圍。在保溫情況下，當晝夜溫差低于10 ℃時，對混凝土倉面的應(yīng)力影響較小，不存在開裂風險。

圖4 晝夜溫差10 ℃時應(yīng)力變化圖（保溫情況）

倉面不保溫時，在晝夜溫差達到6 ℃情況下，7、14、21、28 d 的最大應(yīng)力為0.701、0.908、1.057、1.133 MPa（見圖5），隨著間歇期的加長，起初應(yīng)力變化較大，后續(xù)變化較小，都處在2.0 安全曲線值附近，存在一定的開裂風險，且應(yīng)力值隨著時間的增長不斷增加；當晝夜溫差到達10 ℃時，應(yīng)力變化急劇增大，7、14、21、28 d 的最大應(yīng)力值分別為1.030、1.363、1.574、1.733 MPa（見圖6），隨著間歇期的加長，應(yīng)力不斷增大，遠超2.0 安全曲線值，開裂風險極高。

圖5 晝夜溫差6 ℃時應(yīng)力變化圖（不保溫）

圖6 晝夜溫差10 ℃時應(yīng)力變化圖（不保溫）

根據(jù)計算結(jié)果，間歇期控制宜在7～14 d 內(nèi)。間歇期過短，混凝土強度得不到充分發(fā)展；間歇期過長，遭遇過大晝夜溫差和寒潮時，混凝土倉面應(yīng)力過大，易產(chǎn)生開裂風險。同時，間歇期長度不應(yīng)超過28 d，當間歇期超過28 d，遭遇溫度驟降時，倉面混凝土開裂風險極高。

3.2 計算結(jié)果應(yīng)用

在施工現(xiàn)場，施工單位會根據(jù)施工技術(shù)要求進行倉面保護，對于新澆的澆筑層鋪設(shè)1～2 層保溫被進行保護，同時澆筑層中的坯層需要進行隔熱保護，在遭遇溫度驟降和長間歇情況下會覆蓋5 cm 厚度的聚乙烯卷材進行保溫。在技術(shù)要求中僅說明倉面保溫方法，卻未曾對各個情況下如何操作進行說明。因此，可以根據(jù)仿真計算結(jié)果，建立分層保溫措施。當晝夜溫差達到6 ℃時，間歇期達到14 d 的鋪設(shè)1 層保溫被；當晝夜溫差達到10 ℃時，間歇期超過14 d 的鋪設(shè)2 層保溫被，低于14 d 的鋪1 層保溫被；當晝夜溫差大于10 ℃時，間歇期超過14 d的覆蓋5 cm 厚度的聚乙烯卷材，低于14 d 的鋪2 層保溫被。

通過建立分層防護措施，可以借助天氣預測手段，提前備好保溫材料，減小晝夜溫差過大帶來的影響，提升大壩倉面的安全性。

4 結(jié) 論

通過仿真計算，在考慮氣大幅度晝夜溫差情況下計算出不同間歇期拱壩倉面的應(yīng)力變化情況，根據(jù)計算結(jié)果得出主要結(jié)論如下：

1）當晝夜溫差6 ℃以內(nèi)時，間歇期對倉面影響較小，倉面可以不保溫；當晝夜溫差達到6 ℃時，長間歇期超過14 d 的倉面有一定開裂風險，可以鋪設(shè)1 層保溫被保溫。

2）當倉面不保溫時，晝夜溫差達到10 ℃，所有倉都有一定的開裂風險，間歇期超過14 d 的開裂風險較高，需鋪設(shè)2 層保溫被保溫，低于14 d鋪設(shè)1 層保溫被保溫；當晝夜溫差大于10 ℃時，所有倉開裂風險極高，對于間歇期14 d 以上的鋪設(shè)5 cm 厚聚乙烯卷材保溫，其余鋪設(shè)2 層保溫被保溫。

3）間歇期宜控制在7～14 d 內(nèi)，不應(yīng)該超過28 d，當間歇期超過28 d，倉面不保溫時，遭遇溫度驟降時開裂風險極高。

4）根據(jù)天氣預測及時做好保溫措施，可以使晝夜溫差造成的影響最小化，有效保護大壩倉面安全性。