小湾拱坝二期冷却方案温控措施对比分析

周艳国，王 江，徐 晗

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.武汉大学土建学院，武汉 430072；3.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

小湾拱坝二期冷却方案温控措施对比分析

周艳国1，2，王 江1，徐 晗3

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.武汉大学土建学院，武汉 430072；3.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

分期进行加水冷却混凝土的方法是高拱坝施工中非常重要的温控措施，对小湾拱坝施工中2种二期冷却方案进行了对比分析研究。结果显示：直接进行冷却的二冷方案可能会导致坝体出现较大的温降梯度，使得坝体部分高程出现较大的拉应力；而采用过渡方法的二期冷却方案一定程度上消除了坝体沿高度方向的温度梯度过大现象，并且对减小坝体拉应力有较显著的效果。实践证明，二期冷却过渡方案已取得了较好的效果。

小湾拱坝；温度场分析；温控措施；冷却方案

当前，中国高拱坝建设进入高速发展期，随着拱坝建设的不断发展，高拱坝要求解决的关键技术课题也更复杂，其中施工期的温度应力是一个非常重要的问题。施工期产生的温度应力对拱坝最终的真实工作性态有着重要的影响，使得拱坝实际工作应力与设计期望应力有较大的差别［1，2］。而高拱坝的坝体温度分布情况非常复杂，需要详尽地进行分析以掌握坝体的实际温度场分布情况，因此，在确定拱坝施工期承受的温度荷载和温度应力时，必需要充分考虑坝体实际施工过程、材料参数和所采取的复杂温控措施［1～3］。

小湾拱坝作为我国在建的最高拱坝，对施工期的温控防裂十分重视，施工中采取了多种温控措施，其中水管冷却是大坝施工中的一个重要冷却措施，并采取一期通水冷却和二期通水冷却相结合的冷却方案［3］。一期冷却在混凝土浇筑后即刻进行，而二期冷却措施的效果是一个需要进行重点分析研究的问题。因此，本文依据已有实际冷却方案施工资料，仿真分析当前真实的坝体温度场和相应应力场分布情况，对2种拟定的二期通水冷却温控方案进行对比分析，并针对实际施工情况，提出合理的施工建议。

1 计算分析模型

1.1 计算模型

为精确分析小湾拱坝真实温度场和应力场分布情况，建立了复杂的有限元计算模型［3］，其中温度场有限元网格计算模型见图1。边界范围为左右岸方向各取1 425 m，上下游方向取935 m，铅直向下取到高程660 m，模型顶高程为1 245 m。坝体网格总体上按3 m尺度控制，采用六面体8节点等参单元，考虑实际坝体材料分区以及施工情况进行分层。其中总单元数为166 056，总节点数为169 101。坝体单元数117 815、节点数123 224。

图1 温度场计算模型有限元网格Fig.1 FEM mesh of the temperature field model

1.2 热力学基本参数

小湾拱坝按施工混凝土分为如表1所示的A，B，C 3种材料，实际所采用的温控参数见表1。

1.3 计算过程

根据温度场计算原理和方法，对拱坝施工期温度场进行仿真分析［2］。坝体按实际浇筑上升过程简化模拟，以22坝段为准，按3 m一层拱圈上升；一期通水冷却和二期通水冷却按分段函数模拟。为模拟地热对坝体边界温度场的影响，坝肩及坝基以下50 m范围内岩体考虑地热，50 m边界的地热取均值为22.5℃。进行坝体一期冷却时，采用等效法进行计算，把冷却水管看成内部热源，在平均意义上考虑水管的冷却效果。二期冷却时，看成一个初温均匀分布、无热源的温度场进行分析，只考虑水管冷却作用计算的混凝土平均温度作为绝热温升。冷却水管为塑料管，坝体各区混凝土的导温系数也根据水管尺寸进行相应等效。

表1 坝体混凝土材料温控参数Table 1 Temperature control parameters of dam concrete

1.4 计算方案

根据资料［3］，小湾拱坝实际施工中，坝体混凝土一期冷却通水时间在19 d左右，坝体温度计监测值与计算值均表明，一期通水冷却完毕至二期通水冷却前，混凝土温度回升较大，可能会造成二冷时坝体产生较大的温度梯度，从而导致坝体内部出现拉应力。因此为比较二期冷却温控效果，考察不同二冷方案对温度应力的影响，拟对1 025～1 077 m高程范围内坝体混凝土进行以下2种二冷方案的对比分析。即，方案1（直接冷却方案）：一期冷却之后，逐次对12m高程范围内混凝土进行二期通水冷却，直接冷却到封拱温度。方案2（过渡冷却方案）：一期冷却之后，同时二冷的混凝土浇筑块高程由12 m增加到24 m，从1 025 m高程开始采取如图2所示的“过渡”方案要求进行二期通水冷却。所谓“过渡”是指同时二冷高程区域由12 m增加到24 m，并对冷却参数和冷却要求有所区别（如图2），例如二冷区域1 042.12～1 055.55 m间采用的“过渡”方式为，分2次二期冷却方式冷却到封拱温度，第1次二冷通15℃水进行冷却，第2次二冷通11℃水进行冷却；下一个二冷过渡区1 055.55～1 070.00 m按类似方式进行。图中所示的拟灌区为拟进行封拱灌浆的高程区域，而盖重区为拟灌区上的6 m混凝土覆盖区域。

图2 二期冷却过渡方案Fig.2 Scheme of second stage artificial cooling in transitional scheme

2 二期冷却温控方案对比分析

2.1 温度计算结果分析

图3给出了2种方案下2个实际温度监测点的温度变化过程曲线。由图可知，2种方案中在二期冷却之前的规律基本相同，且混凝土浇筑块的最高温度也相同，这是由于混凝土最高温度一般出现在浇筑后5 d左右，而与二期通水冷却的关联性较小。并且温度历程曲线中均在二冷阶段有较明显的转折点，这是由于此时开始进行二期通水冷却所致。2个方案二冷开始时监测点混凝土温度相同，二冷结束时温度也基本相同，但是二期冷却过渡方案中由于存在“降温过渡区”，对时间的降温梯度与直接冷却方案相比大为减小，也即减小了随时间变化的温度梯度。

图4至图7分别为2次二期冷却结束时坝体的温度场分布情况。由图可知，由于过渡冷却方案与直接冷却方案在二期通水冷却方式上的差异，导致最终得到的温度分布与数值有较大不同。具体如下：①2种方案的二期通水冷却方式在1 025 m高程以下相同，故1 025 m高程以下的温度分布规律基本相同，只相差0.5℃。②第1次二冷结束时，直接冷却方案1 047～1 055 m高程区间温度由12℃急剧变到23℃，沿高程方向出现了较大的温度梯度。而二期冷却过渡方案在区间1 025～1 055 m内温度过渡均匀，无明显温度剧变。2种方案的二冷结束后拟灌区（1 025～1 036 m）温度也基本相同，均略高于11℃。③第2次二冷结束时，直接冷却方案1 036～1 055 m高程区间也出现沿高程方向较大的温度梯度，5.5 m高差温度变化5℃左右。而二期冷却过渡方案则温度过渡均匀，拟灌区（1 036～1 050 m）温度约为13℃。④通过对比分析，可以发现二期冷却过渡方案在一定程度上消除了直接冷却方案中沿高度方向出现的温度梯度过大现象，也即减小了随空间的温度梯度，同时也达到了二期通水冷却目的。

图3 监测点温度变化过程线（1 048.5 m高程）Fig.3 Temperature variation of observing point（at elevation 1 048.5 m）

图4 方案1第1次二冷结束时温度场Fig.4 Temperature distribution in Scheme 1 at the first cooling end

图5 方案2第1次二冷结束时温度场Fig.5 Temperature distribution in Scheme 2 at the first cooling end

图6 方案1第2次二冷结束时温度场Fig.6 Temperature distribution in Scheme 1 at the second cooling end

图7 方案2第2次二冷结束时温度场Fig.7 Temperature distribution in Scheme 2 at the second cooling end

2.2 应力计算结果分析

图8 方案1坝体剖面应力矢量图Fig.8 Stress vector diagram of dam section in Scheme 1

图9 方案2坝体剖面应力矢量图Fig.9 Stress vector diagram of dam section in Scheme 2

图8 和图9为某监测坝段径向剖面的应力矢量图。由图可知，直接冷却方案中1 050 m高程坝体应力以微受拉为主，局部出现1.5～2.0 MPa拉应力，最大拉应力达3.01 MPa；而二期冷却过渡方案1 050 m高程坝体应力以受压为主，局部亦出现拉应力，最大约为1.71 MPa。直接冷却方案分别在1 010 m高程、1 030～1 040 m高程间，1 050～1 060 m高程间位置出现了较明显的径向拉应力，总体在1.5 MPa以内；而二期冷却过渡方案只有在1 040～1 050 m高程间了出现径向拉应力，且总体在1 MPa以内。综合比较可知，过渡冷却方案对减小坝体拉应力有较显著的效果。由于小湾拱坝现场实测混凝土90 d龄期的抗拉强度分别为2.8 MPa（A区混凝土），2.6 MPa（B区混凝土），2.3 MPa（C区混凝土），因此坝体内过大的拉应力将很可能导致坝体产生裂缝。

小湾拱坝坝体混凝土浇筑在2007年10月以前的施工中，采用了上述方案1进行二期冷却，施工中发现1 040 m高程处坝体出现了部分裂缝。由上述对比分析知，可能是因为所采取的二冷措施使得坝体沿高程方向温度梯度过大引起，因此，针对当前坝体施工中出现的裂缝问题，可考虑在下一步混凝土浇筑施工时考虑采取上述二期冷却过渡方案，以此降低坝体内较大拉应力的出现，改善坝体受力状态。实际上，在2007年10月以后的小湾坝体实际施工中，已采用本文所研究比较的过渡冷却方案进行二期冷却［3］，并证明取得了较好的冷却效果。

3 结语

针对小湾拱坝工程，对实际施工中的二期冷却温控措施进行对比分析研究，得出如下结论：

（1）直接1次进行冷却的二冷方案，使坝体内部出现空间与时间上较大的温降梯度，可能导致坝体部分高程出现较大的拉应力。

（2）分2次冷却的二期冷却过渡方案，在一定程度上消除了直接二冷方案中坝体沿高度方向出现的温度梯度过大现象，减小了随空间变化的温度梯度分布，同时也达到了二期通水冷却目的。

（3）二期冷却过渡方案对减小坝体拉应力有较显著的效果。针对前期坝体施工中出现的部分裂缝问题，在下一步混凝土浇筑施工时可采取二期冷却过渡方案，以此降低坝体内较大拉应力的出现，改善坝体受力状态。

［1］ 朱伯芳.混凝土坝计算技术与安全展望［J］.水利水电技术，2006，37（10）：24-28.

［2］ 朱伯芳.混凝土坝安全评估的有限元全程仿真与强度递减法［J］.水利水电技术，2007，38（1）：1-6.

［3］ 武汉大学，中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.小湾拱坝仿真反馈分析与信息化动态跟踪研究［R］.昆明：水电昆明勘测设计研究院，2008.

［4］ 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［5］ 雷丽萍，黄天润，春光魁，等.小湾水电站双曲拱坝混凝土温控措施仿真计算研究［J］.西北水电，2007，（1）：73-78.

Comparison of Second Stage Artificial Cooling Schemes in Xiaowan Arch Dam

ZHOU Yan-guo1，2，WANG Jiang1，XU Han3

（1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；3.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Cooling concrete in different stages in different schemes of water pipe cooling is one of the important temperature control measures in the construction of the high arch dam，and the comparison of two ways of second stage artificial cooling in Xiaowan arch dam is presented.The study result shows that：with the scheme of direct second stage artificial cooling，the temperature gratitude may be so biggish that the tensile stress appears in certain elevation of the dam；with the way of transitional second stage artificial cooling，the temperature gratitude can be decreased effectively and the tensile stress in the dam can be eliminated somewhat.Obviously，through the comparison of two kinds of artificial cooling schemes，the later is better than the fomer.In construction practice，the transitional second stage cooling scheme has

good effect.

Xiaowan Arch Dam；Temperature Field Analysis；Temperature Control Measure；Artificial Cooling Way

TV642

A

1001-5485（2009）07-0048-04

2008-08-25；

2008-11-17

周艳国（1976-），男，湖北仙桃人，博士，主要从事工程结构数值仿真分析方法研究，（电话）027-68772240（电子邮箱）zhouyanguowhu＠126.com。

（编辑：刘运飞）