高溫間歇對碾壓混凝土壩施工期溫控防裂影響研究

摘要：中國東部沿海地區(qū)夏季溫度高，該類地區(qū)的碾壓混凝土壩工程在施工期往往會設置高溫間歇，但目前設置高溫間歇主要依賴經驗，缺少相關定量分析。依托福建省霍口水庫工程，以有限元仿真分析為手段，對比分析了高溫間歇對該碾壓混凝土壩施工期溫度、應力的影響。分析結果表明：夏季高溫季節(jié)連續(xù)施工，會造成壩體基礎溫差與內外溫差過大，存在開裂風險；與連續(xù)施工相比，設置高溫間歇能顯著降低碾壓混凝土壩表面和內部的后期開裂風險，但復工后澆筑的混凝土仍然需要采取通水冷卻措施進行降溫，以避免開裂。研究成果可為碾壓混凝土在施工期設置高溫間歇提供科學依據和參考。

關 鍵 詞：碾壓混凝土；高溫間歇；溫控防裂；岸坡壩段；溫度應力；霍口水庫工程

中圖法分類號：TV315

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.025

0 引 言

溫度裂縫一直是困擾混凝土壩建設質量及安全的難題，碾壓混凝土壩的膠凝材料用量比常態(tài)混凝土壩少，但其在施工期及運行期的開裂現象仍然普遍存在^［1-3］。碾壓混凝土壩一般采用效率較高的大倉面攤鋪碾壓方式施工，然而，該方式也使得氣溫、日照等環(huán)境因素對新澆筑的碾壓混凝土溫度、含水量的影響更加顯著^［4-7］。因此，對于特定碾壓混凝土壩工程，高溫、低溫季節(jié)施工往往需要開展專門的研究或直接停工，待氣溫適宜澆筑的時候后復工。其中，低溫季節(jié)停工間歇稱為低溫間歇（或冬歇），高溫季節(jié)停工間歇稱為高溫間歇。在中國西部、北部地區(qū)，由于水電開發(fā)規(guī)模較大，同時冬季低溫問題較為突出，因此低溫間歇施工防裂或冬歇期影響相關研究較為豐富^［8-13］。然而，在東部沿海地區(qū)，盡管夏季高溫問題比較明顯，但是現有研究多集中于高溫季節(jié)連續(xù)施工情況下的溫控措施及效果^［14-15］，對設置高溫間歇的必要性及其影響的相關研究相對較少。東部沿海地區(qū)的大部分工程受投資規(guī)模限制，原材料降溫措施有限，夏季施工時，混凝土拌合樓的出機口溫度已經很高，在攤鋪碾壓過程中，高氣溫和日照輻射會進一步提高混凝土溫度，對大壩防裂極為不利。因此，東部沿海地區(qū)的中小型工程常常選擇在夏季停工，等到氣溫下降后再繼續(xù)施工，以控制混凝土溫升，降低開裂風險。

但又有研究表明，設置高溫間歇雖能有效降低壩體溫度^［16］，但會帶來以下不利影響：① 長達3～4個月的高溫間歇，導致施工周期大幅延長，工程建設成本增加；② 恢復施工后，間歇面以下混凝土的齡期將超過設計齡期，與連續(xù)澆筑相比，其強度高、彈性模量大，新澆筑混凝土所受約束增加，對防裂不利；③ 若秋季復工，復工后澆筑的混凝土在入冬時齡期相對較短、強度低，同樣對防裂不利。

因此，針對以上東部沿海地區(qū)碾壓混凝土壩施工期設置高溫間歇的必要性及其對碾壓混凝土壩溫控防裂的影響問題，本文依托福建省霍口水庫工程，選取典型壩段為研究對象，以三維有限元分析為手段，對比分析了高溫間歇對碾壓混凝土溫度應力特性的影響，研究了大壩不同部位的開裂風險。

1 工程概況及分析軟件

1.1 工程概況

霍口水庫工程于2015年列入國家172項重大節(jié)水供水工程，為“十三五”期間福建省重大水利民生工程。該工程為敖江流域梯級開發(fā)第二級，位于敖江流域羅源段霍口鄉(xiāng)上游6 km的大王里村，距羅源縣城關約41 km。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，主要永久建筑物為2級，相應的臨時建筑物為4級，主壩壩高91 m，壩頂長338 m；副壩壩高29.5 m，壩頂長168.7 m。水庫總庫容2.97億m³，控制流域面積1 171 km²，水庫面積8.8 km²，淹沒范圍涉及福州市羅源縣和寧德市古田縣。工程概算總投資20.5億元，工程效益以供水為主，結合防洪，兼顧發(fā)電。

1.2 分析方法及軟件

本次研究基于三維有限元法進行混凝土壩施工期溫度、應力場仿真分析^［16］。仿真軟件采用長江科學院自主研發(fā)的混凝土結構溫控仿真分析軟件Ckysts^［17-18］，該軟件在三峽、南水北調、丹江口、烏東德、構皮灘、引江濟淮、引江補漢等國內一系列大型工程中得到了應用和驗證。

2 分析模型及參數

2.1 計算模型

選取岸坡壩段為研究對象，包括混凝土壩及部分地基（上下游方向各選擇1.5倍順河向壩段長度，深度方向選取1.5倍壩高），壩體有限元模型見圖1。坐標軸X方向為順河向，下游為正；坐標軸Y為壩軸線方向，左岸為正；坐標軸Z為垂直向，向上為正。模型采用8節(jié)點六面體單元，節(jié)點數41 709個，單元數35 910個，采用改進埋置冷卻水管單元法模擬通水冷卻^［19］，水管單元共計35層（圖2）。為了研究高溫間歇對混凝土壩溫度和應力場的影響，在仿真中設置了兩種澆筑方式：① 根據施工方案，壩體澆筑至144 m高程開始設置高溫間歇；② 不設置高溫間歇連續(xù)澆筑，144～156 m范圍內的混凝土于2020年高溫季節(jié)連續(xù)澆筑（圖1）。

2.2 材料參數

岸坡壩段主要涉及兩種碾壓混凝土，相應的配合比、力學性能參數見表1～2，熱學性能參數見表3。

2.3 環(huán)境溫度

根據壩址區(qū)域歷史氣象資料，仿真計算所采用的氣溫擬合如式（1）所示。

T（t）=19.0+9.05cosπ6t-7.5（1）

式中：T（t）為t時刻氣溫，℃；t為時間，月。

2.4 澆筑分層及間歇期設置

根據施工方案，大壩底部常態(tài)混凝土墊層1.5 m，下部基礎強約束區(qū)澆筑層厚1.5 m，弱約束區(qū)澆筑層厚3.0 m，非約束區(qū)澆筑層厚4.5 m。根據工期安排，澆筑層間歇30 d左右，本文的分析也按照澆筑層間歇30 d進行模擬，高溫間歇3.5月。

2.5 計算工況設置

仿真計算工況見表4，其中工況1、2為連續(xù)澆筑工況，用于分析連續(xù)澆筑情況下混凝土溫度應力特性；工況3、4為高溫間歇工況，用于驗證高溫間歇存在的必要性。

2.6 特征點選取

仿真模擬中，大壩的每個澆筑層各布置3個特征點。其中，中心點位于澆筑層的中心，其余兩個特征點位于上下游表面附近，分別距離表面50 cm。

2.7 抗裂安全度

為便于分析，參考文獻［20］，采用混凝土抗裂安全度k作為防裂評價指標。后續(xù)分析中“最小抗裂安全度”為計算周期內（即2019年7月澆筑至2020年3月越冬結束期間）k的最小值：

k=f（t）σ（t）（2）

式中：t為混凝土齡期，d；k（t）為齡期t時混凝土抗裂安全度；f（t）為齡期t時混凝土強度；σ（t）為齡期t時的混凝土第一主應力。根據文獻［20］，結合以往工程經驗，抗裂安全度指標取1.8。

3 高溫間歇必要性分析

3.1 連續(xù)澆筑情況下大壩溫度應力特性

在連續(xù)澆筑且按照設計要求進行通水冷卻的情況下，計算周期內大壩中截面最高溫度見圖3，最低溫度見圖4，最大應力見圖5，最小抗裂安全度見圖6。

溫度方面，除高溫季節(jié)澆筑混凝土外，絕大多數區(qū)域內部峰值溫度控制在28～30 ℃，而高溫季節(jié)澆筑的混凝土即使采用通水冷卻措施，內部峰值溫度仍然能達到37 ℃以上，越冬后最低溫度仍然在30 ℃以上。

應力方面，采用通水冷卻措施情況下，壩體內部應力相對較小，大應力主要集中在墊層、基礎強約束區(qū)、上下游面，特別是在距離壩基15 m范圍內的澆筑層峰值應力最大，開裂風險最高。此外，低溫季節(jié)澆筑混凝土的倉面也會存在大應力。在連續(xù)澆筑情況下，高溫期澆筑的混凝土在計算周期內部應力相對較小，大應力主要集中在上下游面。然而，需要強調的是，高溫期澆筑的混凝土在計算周期內的最大應力并非最終內部的最大應力值，因為越冬后（2020年3月），高溫期澆筑的壩體混凝土（圖4中虛線框范圍內混凝土）溫度仍有33 ℃，而此時其上部、下部混凝土基本已經在17～20 ℃左右。隨著壩體散熱，高溫期澆筑壩體混凝土最終會下降至壩體準穩(wěn)定溫度，考慮蓄水后水庫水溫的影響，此部分穩(wěn)定溫度將低于壩址區(qū)年均氣溫19 ℃。因此，高溫期澆筑的混凝土內部將來的降溫幅度將大于14 ℃。另外，根據仿真結果，高溫期澆筑混凝土的上部、下部混凝土在越冬后的溫度為17～20 ℃，其已經基本接近了19 ℃的壩址區(qū)平均氣溫，因此，高溫期澆筑的混凝土在降溫過程中將受到來自其下部、上部混凝土的極大約束。即使后續(xù)高溫期澆筑混凝土的降溫幅度與下部、上部混凝土的降溫幅度相差10 ℃，考慮后續(xù)降溫，內部可能會產生極大拉應力，若不考慮徐變影響，溫降產生的應力將達到2～3 MPa，即高溫期澆筑的混凝土內部累積應力會達到2.6～3.6 MPa。進一步考慮徐變影響，實際應力會小于該數值，然而由于混凝土徐變會隨齡期增長而減小，混凝土后期應力仍然會較大。

開裂風險方面，計算結果顯示，岸坡壩段墊層、基礎強約束區(qū)（距壩基15 m范圍內的混凝土）、上下游面以及低溫季節(jié)澆筑的混凝土倉面，在計算周期內均出現抗裂安全度在1.8以下甚至低于1.0的情況，說明上述區(qū)域在施工期抗裂能力無法滿足要求，極有可能出現裂縫。如前所述，高溫期澆筑的混凝土內部后期應力極有可能達到2.6～3.6 MPa，開裂風險極高。

上述計算結果表明，如果高溫季節(jié)連續(xù)澆筑，即使采取通水冷卻措施，大壩上下游面抗裂安全度仍無法滿足防裂要求（即抗裂安全度小于1.8），甚至存在極大的開裂風險（抗裂安全度不足1.0）；對于大壩內部，雖然在施工期其應力相對較小，滿足防裂要求，但后期也存在極高的開裂風險。因此，設置高溫間歇是必要的。

3.2 連續(xù)澆筑及高溫間歇后澆筑的比較

圖7為144～147 m高程澆筑層（間歇后第一層）表面及內部特征點的溫度及應力歷程。

溫度方面，在澆筑層表面（圖7（a）），設置高溫間歇后混凝土表面峰值溫度會下降2 ℃左右，若采取通水冷卻措施，表面附近溫度會再降低1～2 ℃。澆筑當年的冬季溫度能夠降低至16 ℃左右。在澆筑層內部（圖7（b）），連續(xù)澆筑工況下峰值溫度37.5 ℃，高于間歇工況（33 ℃），越冬后溫度降低至30 ℃。如果設置高溫間歇的同時對復工后澆筑的混凝土進一步采取通水冷卻措施，則越冬后澆筑層內部溫度會下降至26 ℃左右。

應力方面，在澆筑層表面（圖7（c）），設置高溫間歇且采取了通水冷卻措施后，峰值應力基本小于混凝土允許拉應力；若無通水冷卻，表面應力將超過混凝土允許應力，但整體超過允許應力的程度不大。而在連續(xù)澆筑情況下，無論是否采取通水冷卻措施，表面峰值應力均會超過混凝土允許應力。在澆筑層內部（圖7（d）），無論是連續(xù)澆筑還是間歇澆筑，混凝土應力均比較小，設置了高溫間歇的工況應力值略高于無高溫間歇的工況（約0.3 MPa）。設置高溫間歇后，如果不采取通水冷卻措施，在越冬前內部應力一直小于混凝土允許應力，但采取了通水冷卻措施后，早期的峰值應力會接近混凝土允許應力。值得注意的是，設置高溫間歇后，雖然壩體內部點的應力（無論是否通水）基本一致，但溫度存在明顯差異，若采取通水冷卻措施，混凝土內部的溫度可降低至26 ℃，比無通水冷卻措施的30 ℃低4 ℃左右，比連續(xù)澆筑工況低6 ℃左右?？紤]后續(xù)內部降溫至19 ℃左右產生的應力，單純地設置高溫間歇還不足以確保復工后的混凝土內部不開裂，有必要在設置高溫間歇的同時對復工后的混凝土采取通水冷卻降溫措施。

圖8為連續(xù)澆筑及設置高溫間歇后不同高程特征點在計算周期內的最大第一主應力分布比較。

設置高溫間歇后，在高溫間歇層面附近上游面的應力有明顯減小（圖8（a））。然而，高溫間歇結束后澆筑的前幾層混凝土中心點的最大應力略大于連續(xù)澆筑工況的最大應力（圖8（b））。這是由于經過3個月的高溫間歇后，間歇面（144 m高程）以下混凝土已超過90 d齡期，對于10月重新開始澆筑的混凝土而言，其受到的約束強度明顯高于連續(xù)澆筑工況，但沿高程方向中線點的第一主應力整體增幅不大。設置高溫間歇且同時采取通水冷卻措施后，距離間歇面越遠，沿著澆筑層中心點應力會越小，對內部防裂有利。

4 結 論

針對東部沿海地區(qū)碾壓混凝土壩夏季高溫季節(jié)溫控防裂問題，利用三維有限元軟件開展是否設置高溫間歇期的對比分析，得到以下結論：

（1）夏季高溫季節(jié)連續(xù)施工，會造成過大的基礎溫差和內外溫差，前者會大幅增加大壩內部后期的開裂風險，后者對于該時段澆筑的混凝土在當年入冬時的表面防裂極為不利。

（2）設置高溫間歇后，澆筑溫度、環(huán)境溫度相對下降，導致大壩內部峰值溫度、基礎溫差明顯減小，對于復工澆筑（尤其是間歇面附近）的混凝土，其后期內部開裂風險明顯降低。此外，由于內部溫度下降，入冬時大壩內外溫差也會減小，對表面防裂同樣有利。

（3）設置高溫間歇后，隨著下部混凝土強度增長，對復工澆筑的混凝土約束會增大，而復工后相對較低的環(huán)境溫度導致相同部位的混凝土在澆筑早期的內外溫差和約束較大。因此間歇面附近混凝土在復工后的早期防裂工作極為重要，必須嚴格落實內部通水降溫及表面保溫措施，否則同樣面臨早期表面開裂及后期內部開裂的問題。

（4）整體而言，對于工期要求相對寬松，且工程投資規(guī)模有限，無法對原材料進行預冷，同時河谷、日照條件不利于澆筑攤鋪過程溫度控制的工程，設置高溫間歇對于混凝土壩防裂是必要且有利的。

參考文獻：

［1］ 鄧銘江.嚴寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩技術及工程實踐［J］.水力發(fā)電學報，2016，35（9）：111-120.

［2］ 王應軍.碾壓混凝土壩裂縫成因及防治措施研究［D］.大連：大連理工大學，2002.

［3］ 郭傳科，劉西軍，殷亮，等.雅礱江楊房溝水電站措壩混凝土溫控防裂設計研究［J］.水利水電快報，2021，42（6）：31-34.

［4］ 韓光.碾壓混凝土壩施工倉面小氣候信息實時監(jiān)測系統設計實現［D］.天津：天津大學，2012.

［5］ 馮立生，周宜紅.太陽輻射熱對碾壓混凝土施工的影響［J］.紅水河，2001（1）：14-19.

［6］ 黃達海，黃偉.太陽輻射下碾壓混凝土倉面溫度仿真計算［J］.人民長江，2007，38（2）：22-25，153.

［7］ 常曉林，劉杏紅，魏斌.考慮日照的碾壓混凝土重力壩施工期溫度仿真［J］.武漢大學學報（工學版），2006，39（1）：26-29.

［8］ 朱振泱，強晟，王海波，等.冬季澆筑碾壓混凝土壩溫控防裂研究［J］.水電能源科學，2011，29（1）：45-47，103.

［9］ 諶祖輝，張津生.北疆某碾壓混凝土壩低溫季節(jié)施工及混凝土越冬保護［J］.水利水電技術，2012，43（2）：66-68.

［10］宮經偉，周宜紅，黃耀英，等.低溫季節(jié)大壩混凝土冷卻水管周圍應力應變監(jiān)測現場試驗［J］.武漢大學學報（工學版），2012，45（5）：564-569.

［11］張國新，劉茂軍，李松輝，等.高寒區(qū)混凝土壩長間歇薄層澆筑越冬保溫方法［J］.水利水電技術，2016，47（6）：25-28.

［12］司政，牛芙蓉，李守義，等.嚴寒地區(qū)碾壓混凝土壩越冬層面溫控防裂研究［J］.應用力學學報，2017，34（6）：1040-1047，1215.

［13］朱曉秦，謝輝.豐滿水電站大壩混凝土冬季施工關鍵技術［J］.福建水力發(fā)電，2021（1）：21-25.

［14］蔣勝祥，朱岳明.碾壓混凝土壩高溫季節(jié)連續(xù)施工的溫控防裂研究［J］.紅水河，2007（2）：53-56，60.

［15］朱岳明，賀金仁，劉勇軍.龍灘高RCC重力壩夏季不同澆筑溫度的溫控防裂研究［J］.水力發(fā)電，2002（11）：32-36，73.

［16］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［17］LIN S，XIE Z.A Jacobi_PCG solver for sparse linear systems on multi-GPU cluster［J］.Journal of Supercomputing，2017，73（1）：433-454.

［18］陳亮，頡志強，王首豪.大古水電站大壩岸坡壩段溫度應力特性及澆筑溫度影響分析［J］.中國農村水利水電，2022（5）：209-215.

［19］頡志強.水工混凝土溫控仿真若干關鍵算法研究及應用［D］.南京：河海大學，2012.

［20］朱伯芳.論混凝土壩抗裂安全系數［J］.水利水電技術，2005，36（7）：33-37.

（編輯：鄭 毅）

Influence of high-temperature break on temperature control and crack prevention of roller

compacted concrete dams during construction periodZHENG Wenyong¹，XIE Zhiqiang²

（1.Fujian Water Resources Investment and Development Group Co.，Ltd.，Fuzhou 350011，China； 2.Department of Materials and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract： The temperature in the eastern coastal areas of China is high in summer，and roller compacted concrete dam projects in such areas often have high temperature intervals during the construction period.Aiming at the current cases of setting high-temperature breaks relying mainly on experiences and lacking relevant quantitative analysis，this article carried out FEM analysis on Huokou Reservoir project to analyze the impact of high-temperature breaks on temperature and stress durinlHt5xtBSymMAU6kUdU9FYxs4Mjdy3xVPudGFnGcPJHE=g the construction period of the roller compacted concrete dam.The results indicate that continuous construction in high temperature period will cause large temperature difference at dam foundation as well as inside and outside of the dam body，and give rise to cracking risks.Compared to continuous construction，setting high-temperature breaks can significantly reduce cracking risks on the surface and interior of the roller compacted concrete dam.However，the concrete poured after resumption of work still needs to be cooled down by water cooling measures to avoid cracking.The results can provide reference for high-temperature breaks in construction period of roller compacted concrete dams.

Key words： roller compacted concrete；high-temperature break；temperature control and crack prevention；bank slope dam section；temperature stress; Huokou Reservoir project