“邊澆邊灌”快速施工條件下拱壩溫控防裂研究

余志華，羅志祥，卜飛翔，王子健，強(qiáng) 晟

（1.杭州市臨安區(qū)水利水電局，浙江 杭州 311300；2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引 言

在拱壩建設(shè)中，為追求提前蓄水發(fā)電或防洪等產(chǎn)生的效益，往往要求加快大壩施工速度，縮短施工總工期?！斑厺策吂唷笔且环N可采用的拱壩快速施工方式，在此工況下，拱壩上部新混凝土澆筑及其一期冷卻與下部老混凝土二期冷卻同時(shí)進(jìn)行。如何確保此工況下拱壩混凝土不開裂，能夠又快又好地進(jìn)行混凝土壩建設(shè)是工程界長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題[1]。

研究表明，溫度應(yīng)力是由溫差導(dǎo)致的變形受約束產(chǎn)生的[2-3]。上下層混凝土不同步冷卻會(huì)產(chǎn)生上下層約束，在靠近冷卻區(qū)上部或下部會(huì)出現(xiàn)最大應(yīng)力[4]，容易產(chǎn)生內(nèi)部裂縫，影響大壩安全。在實(shí)際工程中，需要選取合適的溫降速率，使上下層混凝土在高度方向形成合理的溫度梯度[5-6]，協(xié)調(diào)控制好各澆筑塊的溫降收縮變形，避免出現(xiàn)危害性裂縫。在目前常用的澆完再灌方式中，上下澆筑層溫度梯度的控制難度相對(duì)較小，但施工總工期較長(zhǎng)。如采用總工期更短的邊澆邊灌方式，溫度梯度的控制難度更大，需要專門研究后提出更具有針對(duì)性、更精細(xì)化的控制方案。

某在建水庫(kù)的擋水建筑物為混凝土拱壩，最大壩高74.50 m，壩長(zhǎng)240.18 m，壩頂寬度7.00 m，拱冠梁底寬30.60 m。為加快施工進(jìn)度，計(jì)劃上部澆筑塊進(jìn)行一期冷卻的同時(shí)，下部老澆筑塊進(jìn)行二期冷卻，以實(shí)現(xiàn)下部盡早灌漿封拱。在水泥水化熱和新老混凝土相互約束、共同作用下，壩體很有可能會(huì)出現(xiàn)裂縫，危及工程樞紐建筑的安全與穩(wěn)定。

因此，本文建立完整壩體三維有限元模型，采用非穩(wěn)定溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)算理論與方法[7]，對(duì)比分析澆完再灌與多種邊澆邊灌方案中壩體混凝土的溫度及應(yīng)力情況，提出邊澆邊灌工況下相對(duì)較優(yōu)的溫控防裂方案，可為類似的工程問(wèn)題提供參考和借鑒。

1 計(jì)算模型和計(jì)算條件

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)

對(duì)完整拱壩的15 個(gè)壩段及其橫縫、周圍山體、基巖建立三維有限元模型，Z軸豎直向上，河谷最低處Z=180，X軸指向水流方向，Y軸按右手螺旋法則指向左岸，共計(jì)246 243 個(gè)單元，274 477 個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維數(shù)值計(jì)算模型見圖1。

圖1 三維數(shù)值計(jì)算模型圖

進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，地基的四周和底面設(shè)為絕熱邊界，上表面為散熱邊界；混凝土澆筑塊縫面未被相鄰結(jié)構(gòu)覆蓋時(shí)為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界；其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界[8]。

拱壩壩體為C20W8F50 混凝土，溢流面和閘墩為C30W6F100 混凝土。壩體混凝土和基巖的熱力學(xué)參數(shù)見表1，混凝土絕熱溫升曲線見圖2。本文的熱學(xué)計(jì)算參數(shù)來(lái)源于該工程實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的反演，力學(xué)計(jì)算參數(shù)來(lái)源于室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)。

表1 大壩混凝土和基巖熱力學(xué)參數(shù)表

圖2 大壩混凝土絕熱溫升曲線圖

1.2 特征點(diǎn)

為顯示典型關(guān)鍵位置的溫度和應(yīng)力隨齡期的發(fā)展過(guò)程，選取長(zhǎng)澆筑間隔澆筑塊內(nèi)部特征點(diǎn)1 和強(qiáng)約束區(qū)澆筑塊內(nèi)部特征點(diǎn)2 作為典型特征點(diǎn)進(jìn)行分析（見圖3）。

圖3 特征點(diǎn)示意圖

1.3 計(jì)算工況

為探究邊澆邊灌工況下相對(duì)較優(yōu)的溫控防裂方案，進(jìn)行若干工況的對(duì)比分析，本文選取其中5 個(gè)典型工況。其中工況1 為澆完再灌工況，工況2～5為不同的邊澆邊灌工況。

工況1：分為3 個(gè)冷卻區(qū)，每個(gè)冷卻區(qū)高約24 m。2021 年冬季開始施工，2023 年春季全壩澆筑到頂；2023—2024 年秋冬季開始先后對(duì)3 個(gè)冷卻區(qū)進(jìn)行二冷，以0.50 ℃/d 的溫降速率將溢流面以下冷卻至13 ℃，溢流面以上冷卻至14 ℃；2024 年春季全壩陸續(xù)封拱，2024 年夏季蓄水到校核洪水位。

工況2：澆筑進(jìn)度同工況1，但二期冷卻和封拱灌漿時(shí)間提前。2022 年11 月將第一冷卻區(qū)以0.50 ℃/d 的溫降速率降至14 ℃，隨后封拱，上部壩體繼續(xù)上升；2023 年初以相同的速率對(duì)第二冷卻區(qū)進(jìn)行二期冷卻后封拱，上部壩體繼續(xù)上升；2023 年春季開始蓄水至壩體中下部并產(chǎn)生城鄉(xiāng)供水效益；2023—2024 年冬季對(duì)第三冷卻區(qū)以0.50 ℃/d 的溫降速率降至16 ℃，隨后封拱；2024 年夏季蓄水至校核洪水位。

工況3：在工況2 基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)一冷時(shí)間，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的緩慢溫降，第二冷卻區(qū)的一冷長(zhǎng)期溫降速率為0.20 ℃/d，降至約24 ℃。2022 年11 月，同時(shí)開始第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)的二冷，溫降速率為0.25 ℃/d。

工況4：在工況3 基礎(chǔ)上，第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)的二冷溫降速率減小至0.12 ℃/d，第三冷卻區(qū)的一冷溫降速率調(diào)整為1.00 ℃/d，降至20 ℃，二冷溫降速率調(diào)整為0.25 ℃/d。

工況5：在工況4 基礎(chǔ)上，將第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)分3 期冷卻。一冷降至24 ℃后，中期冷卻以0.20 ℃/d 降至19 ℃，間隔1 個(gè)月開始三冷，以0.20 ℃/d 降至15 ℃。第三冷卻區(qū)以0.10 ℃/d 降至17 ℃。

2 計(jì)算結(jié)果

在仿真分析中，溫度和應(yīng)力的最大值及其出現(xiàn)的時(shí)間、部位是觀察重點(diǎn)。因此，本文采用典型剖面的溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖，以及特征點(diǎn)的溫度和應(yīng)力歷時(shí)曲線進(jìn)行表達(dá)，以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖4 為澆完再灌工況（工況1）仿真計(jì)算中典型壩段豎直切面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖，圖5～6 為各工況特征點(diǎn)1 和2 的溫度、應(yīng)力歷時(shí)曲線圖，圖7 為工況5 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖。

圖4 工況1 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 不同工況特征點(diǎn)1 和2 溫度歷時(shí)曲線圖

圖6 不同工況特征點(diǎn)1 和2 應(yīng)力歷時(shí)曲線圖

圖7 工況5 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖4 可見，在204.00～228.00 m 高程（第二冷卻區(qū)）處，因2022 年夏季氣溫異常高，澆筑塊內(nèi)部最高溫度近50 ℃，工況1 相應(yīng)的內(nèi)部最大拉應(yīng)力超過(guò)2.0 MPa（極限抗拉強(qiáng)度）。壩體不同部位很可能會(huì)出現(xiàn)貫穿性裂縫、深層裂縫和表面裂縫，特別是曾經(jīng)出現(xiàn)歷史高溫的部位。

分析圖5～6，工況1、2 的特征點(diǎn)應(yīng)力歷時(shí)曲線表明，在邊澆邊灌過(guò)程中以較大速率進(jìn)行二期冷卻，特征點(diǎn)1 的拉應(yīng)力增幅達(dá)到1.3 MPa，會(huì)超過(guò)抗拉強(qiáng)度；工況3、4 中，對(duì)第二冷卻區(qū)的澆筑塊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間緩慢的一冷后，二冷期間溫降速率越小，澆筑塊的應(yīng)力也越??；工況5 將二冷分2 期進(jìn)行，中間停止冷卻1 個(gè)月，略有利于減小拉應(yīng)力，拉應(yīng)力相較工況4 下降約0.1 MPa。

圖5 ～7 表明，延長(zhǎng)一期冷卻時(shí)間并盡早進(jìn)行緩慢的二期冷卻，可以使大部分澆筑塊在二冷結(jié)束時(shí)的應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，不再存在貫穿性和深層的拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域；最終雖有少部分澆筑塊的表面拉應(yīng)力仍然略超過(guò)抗拉強(qiáng)度，但這與異常氣候?qū)е碌臍v史最高溫有關(guān)，現(xiàn)有措施已經(jīng)使得開裂危害最小化。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)提供的信息，截至2023 年3 月，該拱壩下部冷卻區(qū)已完成封拱灌漿，中部冷卻區(qū)正在灌漿，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)正常，為提前分階段蓄水提供了保障。

3 結(jié) 論

1）與邊澆邊灌方案相比，澆完再灌方案二冷前壩體溫度自然緩慢降至較低，且上、下灌漿區(qū)的溫度更均衡，相互約束更小，壩體二冷之前的拉應(yīng)力累積較少，其大部分區(qū)域在二期冷卻期間的安全性高于邊澆邊灌方案。因此，邊澆邊灌方案更易致裂。

2）邊澆邊灌方案中，一期冷卻速度不宜太快，需要與周圍相鄰澆筑塊的溫度相協(xié)調(diào)，形成合理的溫度梯度，避免澆筑塊在一冷期間出現(xiàn)裂縫。

3）二冷越慢越有利于減小拉應(yīng)力增幅。將邊澆邊灌方案中的二冷分2 期進(jìn)行，中間停止冷卻1 個(gè)月，使溫度梯度更加緩和，略有利于減小拉應(yīng)力。

4）邊澆邊灌方案中，當(dāng)采用更嚴(yán)格的溫降速率（溫度的時(shí)間梯度）和相鄰澆筑塊溫差（溫度的空間梯度）時(shí)，可將壩體大部分區(qū)域的拉應(yīng)力控制在抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)保證防裂安全前提下的拱壩快速施工。