高温季节碾压混凝土坝强约束区温控防裂方案研究

强 晟 张勇强 钟谷良 练松涛 苗孝哲

（1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610000；3.中国水利水电第四工程局有限公司，西宁 810000；4.中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州 450000）

1 碾压混凝土坝开裂机理

同普通混凝土相比，碾压混乱凝土含有大量的粉煤灰且水泥用量少，因此绝热温升相对较低，有利于温控防裂.但大量工程实践表明，碾压混凝土坝仍不时有温度裂缝的出现，给大坝的安全运行留下了隐患.

碾压混凝土坝产生温度裂缝的主要原因是在受约束的条件下，温度拉应力超过了混凝土允许抗拉强度.大多数温度裂缝都是表面裂缝，其产生的原因多为内外温差、基础温差或上下层温差过大［1］.一方面，碾压混凝土坝通常采取薄层铺筑、薄层碾压、快速上升的浇筑方式，浇筑层面散热很少；另一方面，碾压混凝土由于掺入了大量的粉煤灰，有延迟发热的特性，后期水化热温升比较高.高温季节施工时，若不能采取降低浇筑温度、埋设冷却水管等温控措施，坝体内部将在浇筑后较长一段时间里处于高温状态［2］，而坝体表面受外界气温变化影响从而产生较大的内外温差，容易导致裂缝的产生.

碾压混凝土常见的防裂方法主要有:表面保温、内部通冷却水管、降低浇筑温度、合理分缝、选择低热水泥、设置后浇带等.考虑到结构整体性要求、施工难度及费用，坝体混凝土防裂的主要方法是在一定浇筑温度及分缝分块数量的情况下，采取表面保温和内部通水冷却措施［3－7］.各种温控措施都有自己的局限性，如使用不合理，不仅达不到防裂效果，甚至会促成坝体裂缝产生.针对此问题，采用含冷却水管的非稳定温度场和应力场的有限元方法对我国西部某碾压混凝土坝12号坝段强约束区夏季施工进行了仿真计算，在分析裂缝机理的基础上提出了相应的防裂方法.

2 工程实例资料

某碾压混凝土坝最大坝高168.0m，最大坝底宽153.2m，坝顶轴线长516.0m.共包括24个坝段，从左至右分别布置左岸挡水坝段（1号～9号坝段）、左侧中孔10号坝段、河床溢流坝段（11号～14号）、右侧中孔15号坝段、右岸挡水坝段（16号～24号坝段）组成.其中碾压混凝土的导热系数为8.31［kJ／（m·h·℃）］，导温系数为0.0031［m2／h］，比热为1.00［kJ／（kg·℃）］，热胀系数为7.14［10－6／℃］，绝热温升终值为23℃.28d抗拉强度为1.46MPa，28d弹性模量为28.4GPa.

坝址气温多年月平均气温变化计算拟合公式

式中，t为月份.本文以12号坝段基础强约束区作为仿真计算对象，该坝段起始施工时间为6月1日，浇筑层厚为3m.

3 计算模型及结果分析

3.1 计算模型及仿真工况

图1为12号坝段的计算网格，坝段宽度21.5m，坝底沿上下游方向长度153.0m.含冷却水管的网格单元总数为71588个，节点总数为81836个.热交换系数在混凝土表面未覆盖保温被时取35.0kJ／（m2·h·℃），覆盖一层保温被时取12.5kJ／（m2·h·℃）.浇筑温度取为17℃.采用内径28mm、外径32mm的HDPE冷却水管，水管层距×间距:1.5m×1.5m.

本次计算选取3个特征断面和6个特征点，位置如图2、3所示.其中，特征断面A与特征仓面相距1.5m，特征点T6是与T2点相对应的与13号坝段相邻的侧表面点.

工况1:气温变化按多年平均并结合坝区近年气温拟合，计算中昼夜温差取已有实测资料最大值18.0℃；浇筑结束30d内考虑昼夜温差的影响，风速取当地多年月平均风速.铺筑层厚0.3m，铺筑时间6 h，每一升程3.0m，间歇10.0d，仓面间歇期前7d覆盖一层大坝保温被，上下游面和左右岸侧面均未保温.水管冷却过程:每一升程浇筑完成后1d开始通水，通水28d；起始通水流速0.6m／s，流量1.33m3／h，水管进口水温12.0℃；通水过程一天换向一次，保持流速和流量不变.

工况2:昼夜温差取近年已有实测资料平均值11.0℃.其余同工况1.

工况3:仓面在全间歇期间覆盖一层2.0cm厚大坝保温被，上下游表面和侧表面在模板外贴3.5cm厚聚乙稀苯板，拆模后龄期10d内覆盖一层大坝保温被.其余同工况1.

工况4:侧表面保温至龄期27d（假设13号坝段施工仓面准备需要3d）.水管冷却过程:通水14d后进口水温改为19.0℃.其余同工况3.

3.2 计算结果分析

现场实际的昼夜温差一般在11.0℃左右.昼夜温差对坝体的影响只限于坝体表层，对内部温度基本没有影响，因此这里只针对工况2表面点的温度和应力与工况1进行对比分析.在工况2时仓面T1点在保温和不保温时的温度波动幅度分别为1.6℃和3.1℃左右（如图4所示），明显小于工况1；与此对应的浇筑早期应力及波动幅度也有所减小，拉应力均小于允许抗拉强度.

从工况3的计算结果可知，延长保温时间后，仓面T1点应力得到了有效控制（如图5所示）.T1点龄期前7d的温度与应力值基本相同；从龄期7d到龄期10d，工况3的波动幅度要明显变小，应力值小于允许抗拉强度.

表面保温对减小早期表面拉应力十分有效，尽管气温波动幅度的取值是可能的最大值，上游表面T4点和侧表面T6点的应力值在保温期间（龄期前10d）基本小于允许抗拉强度（如图6所示）.

在龄期10.5d，T4和T6点均出现应力值突增，这是因为保温被拆除时混凝土表面温度与外界气温差值较大.保温被拆除后，T6点日间拉应力仍大于或接近允许抗拉强度，因此应尽可能的延长保温时间，建议在施工期不拆除保温被.工况3中各特征点应力值均得到了有效地控制，说明在采取工况3的温控措施的情况下，产生裂缝的风险较小.

由工况4计算结果可知，通水14.0d后将进口水温从初始的12.0℃提高到19.0℃，内部T2和T3点的温度下降速度明显减缓，通水结束后的温度分别由工况1的22.40℃和22.80℃增加到工况4的24.96℃和25.39℃（如图7～8所示）.与温度的增加相对应，内部点早期应力峰值分别由0.75MPa和0.56 MPa减小到0.33MPa和0.39MPa.工况4后期温度稳定值偏高（25.0℃左右），因可以将通12℃冷却水的时间延长至龄期20d.

工况4侧表面T6点应力值在表面保温期间完全控制在允许值以下，最小安全系数从1.05增加到2.08（如图9所示），开裂风险较小；在龄期27d到30 d（13号坝段仓面准备期间），应力值波动幅度增大，拉应力略有超过允许值，因此在这个阶段还需要严格注意加强侧表面的保温.

4 结 论

1）现场近年实测气温表明，夏季一般昼夜温差是11.0℃左右，而有时候会达到18.0℃，表面保温应考虑较危险的情况.且由于浇筑温度低，夏季热量倒灌现象比较明显，保温工作比较重要.

2）由施工期长期保温工况和短期保温工况（保温7d以下）的计算结果对比，夏季施工长期保温工况的仓面和上下游面表面应力均控制较好，小于允许抗拉强度，特别是侧表面应力值的最小安全系数从短期保温拆模后的1.05增加到长期保温工况的2.08，大大减小开裂风险.

3）随着大量混凝土开始浇筑，现场低温水供应量可能出现短缺，经过对比始终采用12℃水与通水后期采用19℃水进行冷却得出，在通水后期可以将进口水温提高到19℃.这样操作后混凝土内部两个特征点早期应力峰值分别由0.75MPa和0.56MPa减小到0.33MPa和0.39MPa，内部防裂安全度进一步增加，一举两得.

4）坝体上游碾压混凝土和下游变态混凝土的绝热温升较高，并易受到外界高气温影响，建议加密这两个部位的水管布置.比如靠近上下游临空面5.0m范围内的水管平距从1.5m改成1.0m，进一步降低温度峰值，并将水管到临空面的距离减小为0.8m.

［1］张国新，刘有志，刘 毅，等.特高拱坝施工期裂缝成因分析与温控防裂措施讨论［J］.水力发电学报，2010，29（5）:45－51.

［2］刘有志，刘伟明，徐 波，等.武都碾压混凝土坝施工期温控措施防裂效果分析［J］.水力发电，2011，37（12）:27－30.

［3］强 晟，朱岳明，丁兵勇，等，基于冷却水管离散算法的重力坝温控研究［J］.水电能源科学，2008，26（5）:93－95.

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［5］朱岳明，徐之青，严 飞.含有冷却水管混凝土结构温度场的三维仿真分析［J］.水电能源科学，2003，21（1）:83－85.

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［7］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:电力出版社，1998.