高海拔地区混凝土坝温控防裂及工程应用研究

欧阳海军，秦鹏祥，胡平，赵丽娜

（1.华能西藏发电有限公司，西藏拉萨850000；2.华能西藏藏木水电分公司，西藏拉萨856400；3.中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038）

高海拔地区混凝土坝温控防裂及工程应用研究

欧阳海军1，秦鹏祥2，胡平3，赵丽娜3

（1.华能西藏发电有限公司，西藏拉萨850000；2.华能西藏藏木水电分公司，西藏拉萨856400；3.中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京100038）

我国大型水电资源开发的重心已向云南、四川、青海和西藏等高海拔、高寒地区转移。此类地区气候环境条件恶劣，对混凝土大坝的筑坝技术、温控设计和施工方法提出了新的要求和挑战。本文重点分析介绍了高海拔地区的气候特征、筑坝材料特点、混凝土温度控制的特点以及混凝土温控防裂的关键技术和研究成果，并结合目前在建的西藏地区藏木水电站混凝土重力坝工程，介绍了高海拔、高寒地区混凝土温控技术的应用情况及存在问题。

高海拔；混凝土坝；温度控制；关键技术

1 研究背景

大体积混凝土结构往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力以致使得混凝土出现裂缝，因此，温控防裂技术是混凝土筑坝的关键技术之一［1］。新中国成立以来的数十年间，我国的水电站建设飞速发展，混凝土筑坝技术已进入世界先进行列。进入21世纪后，我国大型水电资源开发的重心已向云南、四川、青海和西藏等高海拔地区转移，例如雅鲁藏布江干流的藏木水电站、街需水电站、加查水电站和澜沧江上的古学水电站以及金沙江支流巴楚河的党恩水电站等，均为高海拔地区的水电站。此类地区气候环境条件恶劣，对混凝土大坝的温控设计和施工方法提出了新的要求和挑战。我国目前在高海拔地区已建的混凝土坝数量较少，在筑坝技术方面的经验还不够成熟。笔者近几年来针对高海拔地区的气候特征、筑坝材料特点以及混凝土温控防裂的关键技术等方面，进行了大量的分析研究工作［2-3］，力图通过三维有限元仿真计算的方法，研究探索不利气象条件下混凝土的温控标准、温控防裂方法以及低温季节混凝土的施工措施［4-5］，提出科学系统、合理完整和可操作性强的研究成果，以期指导工程的设计和施工，并为今后同类工程的建设积累经验。

2 高海拔地区的气候及筑坝材料特点

高海拔地区通常气候环境条件恶劣，具有年平均温度低、低温季节长且最低气温低、太阳辐射强、寒潮及昼夜温差大的气候特征。高海拔地区的主要气候特征如下。

（1）年平均气温随海拔上升而降低，低温季节长且最低气温低，年内0℃以上气温天数不足1/3；年平均河道水温随海拔上升而降低，部分地区冬季有3个月以上的河流冰冻期。

（2）与低海拔地区气温年较差大的情况有所不同，高海拔地区的气温年较差（一年中最高月平均气温与最低月平均气温之差）随海拔上升而减小；同时河道水温年较差亦随海拔上升而减小。

（3）海拔越高，太阳辐射强度越大，日照越强，因此随着海拔高度的增加，昼夜温差值也逐渐增大。

（4）在一般气候条件下，水电站运行期上游年均库水温度，要低于年均气温。但在高海拔地区情况则相反。由于4℃液态水的密度最大，因此库底水温≥4℃，水电站运行期上游年均库水温高于年均气温。即使考虑太阳辐射影响，对于坝体绝大多数部位而言，上游年均库水温也高于气温边界条件。

（5）通常水电站大坝的（准）稳定温度场分布规律是自上游至下游温度由低到高分布。但对于高海拔地区的大坝，由于上述（4）之原因，（准）稳定温度场有可能是自上游至下游由高到低分布。

表1为大气压力、空气密度、湿度与海拔高度的关系。表2为空气温度与海拔高度的关系。空气温度在无热源、无遮护的情况下，海拔高度每升高1 000m，年内最高温度会降低5℃，同时年平均温度也会降低5℃。

以往高海拔地区的大坝，多以土石坝或面板堆石坝为主。在此类地区建造大体积混凝土工程，混凝土材料施工期的温度控制和运行期的耐久性指标，是影响建筑物结构整体稳定的关键。

在高海拔环境下能保持长期性能的水工混凝土，应具有良好的抗冻耐久性能和变形性能，为此，在混凝土设计中，在满足强度等级的基础上，应尽量提高混凝土本身的抗渗和抗冻性能。因此，与一般条件下的相同强度等级的混凝土比较，高海拔地区的水工混凝土通常具有如下特点：（1）混凝土耐久性指标值（即混凝土抗渗、抗冻等级）有大幅度的提高；（2）混凝土配合比中，用水量一般不高，水胶比较低，一般不大于0.50；（3）胶凝材料用量相对较高，水化热绝热温升值较高；（4）混凝土早期强度的发展较之一般地区更为缓慢，实际弹性模量的发展与试验室20℃恒温条件下的试验参数有较大差距。

3 高海拔地区混凝土温度控制的特点及关键

温度控制就是通过各种有效手段，将混凝土由温差产生的温度应力控制在混凝土材料自身具备的抗裂能力之内［6］。混凝土温度应力的计算公式为：

式中：Kp为混凝土徐变松弛系数；R为基础约束系数；Ec为混凝土弹性模量，MPa；α为混凝土线膨胀系数；μ为混凝土泊松比；ΔT为混凝土温差。

由式（1）可见，混凝土的温度应力水平，主要取决于约束、材料性能和温差三大因素。

高海拔地区温度控制有以下特点与难点：（1）从约束角度。我国目前已建、在建或待建的高海拔地区混凝土坝中，有相当一部分的坝址地区岩性主要为坚硬的花岗岩，岩体致密完整，均一性良好，地基弹性模量高，导致对坝体的约束大；（2）从材料角度。高海拔地区筑坝采用抗冻标号较高的混凝土，水泥用量较大，水化热温升相对较高，对控制混凝土最高温度相对不利；另一方面，由于高海拔地区混凝土早期强度发展较为缓慢，施工中对早期温度应力的控制将更为严格；（3）从温差角度。由于高海拔地区气温极低，大坝（准）稳定温度场温度水平低，导致基础温差的起点很低，不易控制；又由于高海拔地区气温骤降频发且昼夜温差大，内外温差引起的表面应力超标、上游坝面劈头裂缝隐患尤为突出；再由于高海拔地区冬季漫长，施工中冬季长间歇所带来的上下层温差隐患将更大。

针对上述特点，高海拔地区混凝土温度控制的关键问题是：（1）从结构约束的角度，建议高海拔地区混凝土坝浇筑块的最大尺寸L≤60m，横缝间距≤25m，相应混凝土坝的最大坝高H≤150m；（2）从材料性能角度，建议采用碾压混凝土（重力坝），在骨料的选取上尽可能采用线膨胀系数较低的灰岩，同时研究微膨胀混凝土筑坝技术在高海拔地区的应用；（3）在结构和材料确定的前提下，采取组合措施降低混凝土的温差（基础温差、内外温差和上下层温差）。温度控制的常规手段是降低浇筑温度、通水冷却和表面保护。由于高海拔地区自然入仓温度大多≤10℃，降低浇筑温度的余地不大（浇筑温度过低将会影响混凝土早期强度的发展），因此通水冷却和表面保护措施是高海拔地区温度控制的主要措施；（4）高海拔地区冬季是否连续施工，应针对具体工程，从社会经济效益诸方面给予论证。如果经论证冬季确需连续施工，建议采用以暖棚法为主的综合蓄热法。

4 藏木混凝土重力坝温控标准和温控措施研究

藏木水电站是目前西藏最大的水电开发项目，是雅鲁藏布江干流中游桑日至加查峡谷段规划的5级电站中的第4级，为二等大（2）型工程。工程位于西藏自治区山南地区加查县境内，大坝为混凝土重力坝，坝顶高程3 314.00 m，正常蓄水位3 310.00 m，坝顶总长387.50 m。最大坝高116.00 m。枢纽布置格局为重力坝加坝后式厂房，由左右岸挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段、冲砂底孔坝段和坝后式地面厂房等组成。安装6台85 MW发电机组，总装机容量510 MW。坝体采用常态混凝土浇筑，于2012年5月开工，全年施工，在浇筑期间设1条纵缝。

藏木水电站位于高原温带季风半湿润气候地区。坝址处多年平均气温9.2℃，极端最高气温和极端最低气温分别为32.0℃和-16.6℃，多年平均最高月平均气温为16.4℃（7月），多年平均最低月平均气温为0.0℃（1月）；多年平均年降水量540.5 mm，多年平均蒸发量2 075.2 mm；多年平均相对湿度51％；多年平均风速为1.6m/s，多年最大风速为19m/s；多年平均日照时数为2 590.5 h；冬季月平均昼夜温差达18.7℃，夏季亦达12.1℃。温控防裂问题是建坝过程中的关键问题之一。

在藏木混凝土重力坝温控防裂的设计和研究中，针对电站地处高海拔地区的气候特点、大坝的结构特点和混凝土材料性能、工程进度及施工措施，采用三维有限元仿真计算的方法，对藏木混凝土重力坝的温控标准和温控措施进行了系统仿真研究。

4.1 基础温差和温度控制标准水库水温是水电站大坝的重要的温度边界条件，是大坝温度应力和温度控制的重要影响因素之一，上游水库水温分布直接影响到大坝运行期稳定（准稳定）温度场的分布情况，影响水库水温的主要因素有水库的形状、水文气象条件、水库运行条件和水库初始蓄水条件。在藏木大坝温控设计中，首先采用水库水温数值预测方法［7-9］预测计算电站运行期坝前水库水温分布（图1）［10］，并以此作为边界条件，计算大坝稳定（准稳定）温度场（图2），在此基础上，确定大坝的接缝灌浆温度、基础温差和最高温度控制标准（表3）以及混凝土上下层温差（≤15℃）和内外温差（≤16℃）控制标准。

4.2 允许温度应力控制标准《混凝土重力坝设计规范》（DL 5108-1999）中规定［6］，基础混凝土温度应力可按混凝土极限拉伸值控制：

式中：εps为混凝土极限拉伸的标准值，即保证率80％的极限拉伸值；Es为混凝土弹性模量的标准值，即保证率80％的弹性模量值；γd3为结构系数，取1.50；σ为各种温差产生的温度应力之和，MPa；γ0为结构重要性系数，当结构安全级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时，γ0分别取1.1、1.0、0.9，藏木的γ0取1.1。

根据设计要求，藏木温度应力控制标准中，混凝土允许水平拉应力以劈拉强度和虚拟抗拉强度（极限拉伸×弹性模量）二者取较低值控制，结构抗裂安全系数为：γ0×γd3=1.65，安全系数按1.65考虑。混凝土的力学性能和允许水平拉应力见表4、表5，其中各级配混凝土的粉煤灰掺量均为30％。

由于水平施工缝的抗拉强度较低，在铅直拉应力的作用下，达到极限拉伸变形εt前施工缝即有可能被拉开。因此，建议用下式计算允许铅直拉应力：

式中：σz为允许铅直拉应力；Rt为混凝土抗拉强度；γ为水平施工缝的抗拉强度折减系数，通常认为γ= 0.5～0.7；Kf为抗裂安全系数，一般采用1.3～1.8。

根据试验资料，取γ=0.6，Kf=1.65，混凝土的允许铅直拉应力见表6。

4.3 表面保温措施敏感性分析表面保护措施是高海拔地区温度控制的主要措施，是减小内外温差、降低表面开裂风险的最有效措施［11］。在藏木大坝表面保护措施研究中，以藏木坝区的年内平均气象资料（长周期荷载）和典型坝段的施工资料为基础，对不同表面保温措施对混凝土表面应力的影响进行了敏感性分析，结果见表7、图3。由表7和图3可见，加强表面保温的力度可以提高大坝混凝土表面的温度，减小内外温差，达到有效降低表面应力的效果。考虑到藏木地区昼夜温差等短周期荷载较大，对于重点区域，例如基础强约束区、高温季节浇筑的混凝土部位、孔口区域和施工仓面等应适当加大表面保温力度，此举可提高表面混凝土的抗裂安全系数，降低开裂风险。

4.4 温度控制措施根据高海拔地区混凝土温度控制的关键点及藏木的特点，混凝土重力坝施工中实施的主要温控措施如下。

（1）合理分缝分块。除厂房坝段外（27.9m），大部分坝段横缝间距≤25m。浇筑期间，在（坝）0+040.00处设1条纵缝，使得浇筑块最大尺寸L≤60m。

（2）控制浇筑温度。对于高海拔地区的浇筑温度控制，重点在冬季施工时要保证混凝土温度不低于5～6℃。春秋季节一般采用自然入仓，夏季控制在14～16℃。具体允许浇筑温度为表8。

（3）通水冷却。通水冷却布置方式如下：①对于大坝需进行接缝灌浆部位（含纵缝顶端上方9m）的混凝土，均需布置冷却水管；对于大坝无接缝灌浆的部位，3月中旬—10月浇筑的约束区混凝土需布置冷却水管，11月—3月上旬浇筑的混凝土可不布置冷却水管；②大坝基础约束区水管间距为1.5m×1.5m（水平×竖直），自由区3月中旬—10月浇筑的混凝土水管间距为1.5m×1.5m（水平×竖直）、11月—3月上旬浇筑的混凝土水管间距为2.0m×1.5m（水平×竖直），坝体孔口区域（孔口上下各15m）3月上旬—10月浇筑采用1.5m×1.0m（水平×垂直）水管间距，其他季节浇筑采用1.5m×1.5m（水平×垂直）的布置方式。

（4）表面保护。藏木坝址区常年日温差大，混凝土浇筑过程中应常年采用保温材料进行保护。主要包括：①低温季节（11月—次年3月上旬）浇筑混凝土，采取钢模板内贴保温材料，同时在钢模板外侧嵌贴保温材料（固定在模板上），使混凝土表面放热系数β≤6.30 kJ/m2·h·℃，拆模后，内贴保温材料固定在混凝土表面；②其他季节，均采用钢模板外贴保温材料的措施；③气温骤降来临之前，对龄期未满28 d的混凝土采用保温材料进行全面保护，使得混凝土放热系数β≤10.8 kJ/m2·h·℃，并对棱角部位采取加强措施；④对于基础强约束区、高温季节浇筑的混凝土部位、孔口区域等重点局部区域，建议适当加大表面保温力度，β≤2.67 kJ/m2·h·℃。

4.5 温度及温度应力反馈分析大坝施工全过程仿真是指模拟自基坑开挖、混凝土浇筑、蓄水直至长期运行的全过程，要做到这一点，需要计算软件能够模拟如下过程：开挖与浇筑过程、混凝土的硬化过程、水化热温升过程、徐变过程、并缝灌浆过程、蓄水过程、气温变化过程、蓄水后的水位变化过程，以及施工过程中的各种温控措施如低温浇筑、通水冷却、加减保温、洒水流水养护等，并在模拟的基础上，计算分析坝体温度、应力和变形的全过程［12～14］。在大坝施工期温度及温度应力反馈分析中，上述所有的仿真分析参数，均为实际施工参数。

反馈分析依托藏木重力坝的多个典型坝段，使用Saptis仿真分析软件，采用施工期的实测气温、实际施工进度和施工措施以及混凝土性能反演参数等，依照施工中温度监测数据，对大坝施工期温度和应力做了跟踪反馈分析。大部分的计算结果显示，计算得出的温度过程线与实测温度过程基本一致（图4）。说明反馈计算模拟的混凝土性能参数、水管冷却方式和其他施工措施与实际情况基本吻合，可以比较客观的反映坝体实际的温度变化情况，由此计算得出的温度应力结果，也可以较真实的反映大坝的实际应力状态。

图5为典型坝段约束区内部典型点温度和顺河向应力过程线。图6为典型坝段上游面典型点温度和坝轴向应力过程线。由图可见，最高温度和最大温度拉应力均在温控标准和允许应力的范围之内，说明针对藏木重力坝的温控标准和温控措施是基本合理的，能够满足工程设计的要求。

5 结语

通过对藏木混凝土重力坝的温控标准和温控措施进行的系统仿真研究，得出以下几点认识和结论：（1）采用三维有限元仿真模拟与跟踪反馈分析相结合的手段，是探索高海拔地区特殊气象条件下混凝土的温控标准及温控防裂措施的有效途径。通过系统研究，可以帮助建设方提出科学、完整和可操作性强的温控措施与方法，以指导大坝的设计与施工；（2）水库水温是水电站大坝的一个重要的温度边界条件，是大坝温度应力和温度控制的重要影响因素之一。高海拔地区的气候特点导致坝体上游年均库水温高于气温边界条件。建议采用数值分析的方法，预测分析成库后的水库水温分布，以便合理地制定大坝温度控制标准；（3）表面保护措施是高海拔地区减小内外温差、降低表面开裂风险的最有效措施；（4）高海拔地区混凝土早期强度发展较为缓慢，施工中对早期温度应力的控制应更为严格；（5）如果温控措施得当（综合蓄热法等），除个别极端天气外，高海拔高寒地区冬季可以做到连续施工。

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Research on the tem peratu re con trol and crack ing p reven tion of concrete dam s at high altitude and its app lication

OUYANG Hai-jun1，QIN Peng-xiang2，HU Ping3，ZHAO Li-na3
（1.Huaneng Tibet Power Generation Co.Ltd.，Lhasa 850000，China；2.Huaneng Tibet Zangmu Hydropower Co.Ltd.，Lhasa 856400，China；3.China InstituteofWater Resources＆Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The majority of hydropower development in China has moved to the high altitude and severe cold provinces such as Yunnan，Sichuan，Qinghai and Tibet.The severe environment presents new de⁃mands and challenge to the construction technology，the temperature control design and casting methodolo⁃gies for building large concrete dams.This paper tries to summarize the characteristics of the climate，con⁃struction material and concrete temperature control，and the key technology and research results of tempera⁃ture control and cracking prevention of concrete in high altitude areas.Taking the Zangmu hydropower p lant concrete gravity dam construction in Tibet as an example，the engineering application of the tempera⁃ture control technology in high altitude and severe environment and the problems encountered are introduced.

high altitude；concrete dams；temperature control；key technology

TV642.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.004

1672-3031（2014）01-0022-09

（责任编辑：王冰伟）

2013-11-12

973项目（2013CB036406，2013CB035904）；“十二五”科技支撑项目（2013BAB06B02）

欧阳海军（1973-），男，湖南双峰人，高级工程师，主要从事水工结构研究。E-mail：13981755799@126.com