严寒地区的碾压混凝土重力坝温控设计——以新疆SETH水利枢纽工程为例

崔海涛，马妹英

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

1 概 述

SETH水利枢纽工程任务为工业供水和防洪，兼顾灌溉和发电，水库总库容2.94亿m3，多年平均供水量2.631亿m3，设计水平年改善灌溉面积184.16 km2，电站装机容量27.6 MW.工程建成后，可使下游沿线乡镇防洪标准的洪水重现期由10 a提高到20 a，县城防洪标准由20 a提高到30 a.

拦河大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高75.5 m，坝顶高程(不含防浪墙)1 032.0 m，大坝轴线长度为372 m.大坝体型庞大，坝身泄洪排水孔多，结构复杂，大坝浇筑受气温影响大.坝址区地处欧亚大陆腹地，远离海洋.气候特征为纬度高，气温低，少酷暑，多严寒，冬夏冷暖悬殊.由于工区具有昼夜温差大，昼夜温度频繁骤降等特殊气候特点，造成混凝土温度裂缝问题凸显，因此，对大坝混凝土进行温控设计具有重要的意义.

2 工程概况

2.1 气象资料

坝址区多年实测气象资料统计：年平均气温3.6 ℃，月平均气温分布不均，其中月平均最低气温出现在1月份，达到-15.3 ℃；月平均最高气温出现在7月份，达到20.2 ℃，最大温差82.9 ℃(最高气温40.9 ℃，最低气温-42.0 ℃，)，温差极大.多年平均蒸发量为1 571.8 mm，历年最大风速17.3 m/s，最大冻土深度239 cm.

各月气温、降水信息(见表1).

4～10月份水温信息(见表2).

2.2 混凝土材料特性及分区

坝体上游面分两层，外层采用80 cm厚二级配混凝土进行浇筑；第二层为坝体主要防渗体，采用2.2 m厚富胶凝碾压混凝土.中部及下游面混凝土采用三级配碾压混凝土.基础垫层采用1.0 m厚常态混凝土.混凝土材料参数(见表3).

2.3 基岩热、力学指标

坝基主要为辉长岩侵入体，岩性单一，表部岩体稍破碎，下部岩体大部分较完整.辉长岩的热力学指标及力学性能(见表4).

2.4 坝体施工进度安排及混凝土入仓温度

在坝体混凝土施工过程中，一般每仓厚度3 m，每层按30 cm进行连续浇筑[1].坝体施工进度及混凝土入仓温度(见表5).

表1 坝址区平均气温和降水信息统计表

表2 4～10月份水温统计表 单位:℃

表3 混凝土热力学性能及力学指标

表4 辉长岩的热、力学指标

表5 施工进度表

3 计算原理、方法和程序

3.1 稳定温度场有限元计算公式

根据热传导理论，稳定温度场的方程为：

(1)

式(1)中：

(2)

3.2 非稳定温度场有限元计算公式

由朱伯芳[2]热传导理论，非稳定温度场的方程为：

(3)

式(3)中，{T}0={T(τ0)}，{T}1={T(τ0+Δτ)}

{P}0={P(τ0)}，{P}1={P(τ0+Δτ)}

(4)

(5)

(6)

(7)

当τ0=0时，初始条件与边界可能不协调，因而在第一个Δτ时段内，不能使用加权余量法而应采用直接差分法.

(8)

3.3 计算程序

运用ANSYS软件采用八结点三维实体单元、接触单元对坝体、岩体整体进行三维有限元计算分析[3].模型中，坝体结构、围岩结构均按弹塑性计算.

4 坝体的准稳定温度场

4.1 边界条件

枢纽工程总库容为2.94亿m3，多年平均天然径流量10.48亿m3，最大水深为71.5 m，水温沿水深变化平缓，库水温沿程变化(见表6).

表6 库水温垂直分布表

计算稳定温度场时，基岩的温度取为9.4 ℃.

4.2 计算结果

在坝体上游正常蓄水位且下游有对应下游水位情况下的年平均气温计算出稳定温度场(见图1)，大坝及基础温度基本在4.806～9.694 ℃之间；在坝体上游正常蓄水位且下游无水情况下的年平均气温计算出稳定温度场(见图1～图2)，大坝及基础温度基本在4.792～9.463 ℃之间.

图1 下游有水工况坝体稳定温度场

图2 下游无水工况坝体稳定温度场

5 温度控制标准

5.1 混凝土温度控制

(1)基础温差当基础约束区混凝土28 d龄期的极限拉伸值≥0.7×10-4时，基岩变形模量与混凝土弹性模量相近[4]，薄层连续升高时，其碾压混凝土坝基混凝土允许温差宜选用按表7规定数值[5].

表7 碾压混凝土的基础容许温差 单位：℃

(2)在间歇期>28 d的老混凝土面上继续浇筑时，新老混凝土结合面在1/4L内按照平均温差≤10 ℃控制.

(3)内外温差碾压：约束区以内按12 ℃进行控制，约束区外按14 ℃进行控制；常态区按照20 ℃进行控制.

(4)冷却温差：冷却水与坝体混凝土温差控制在20 ℃以内.

5.2 混凝土温度应力控制

以混凝土的抗裂能力[σ]作为混凝土温度控制的标准，其中：

(9)

温度应力计算结果(见表8).

表8 混凝土温度应力计算结果

6 坝体不稳定温度场及温度应力

6.1 不稳定温度场

经计算坝体内部最高温度强约束区为30 ℃；弱约束区为33 ℃；约束区以外为37 ℃.坝体不同高程的温度场(见图3～图6).

图3 施工第3月温度等值线图

图4 施工第5月温度等值线 图

图5 施工第11月温度等值线图

图6 施工结束时温度等值线图

6.2 温度应力

经计算坝体施工期的最大拉应力[6](见表9).

表9 最大拉力计算结果

7 温控措施

碾压混凝土坝每年4～10月为施工期，冬季停止混凝土施工，这种施工方法及恶劣的气候条件，更增加了碾压混凝土坝温控与防裂的难度[7].根据上述分析成果，确定以下4点温控措施：

(1)控制混凝土浇筑温度，具体要求(见表10).

表10 混凝土各月浇筑温度及冷却水温度表

注：1区—基础强约束区;2区—基础弱约束区;3区—基础约束区外;△—自然入仓

(2)在满足混凝土设计强度前提下，优化混凝土配合比，减少发热量，降低混凝土水化热绝热温升[8].

(3)为节省温控费用，需合理安排施工进度.施工面积大的混凝土尽量安排在一天的低温时段施工.

(4)大坝越冬保护措施

本工程施工期为每年4～10月份，11月份进入停工期，此时混凝土浇筑龄期短，强度低，而内部水化热温升导致坝体内外温差很大.坝体上游、下游面采取喷涂10 cm、8 cm厚聚氨酯泡沫作为永久保温措施.在2018年11月至2019年3月坝面高程984.5 m铺设5层厚度为2 cm的聚氨酯泡沫作为临时保温措施，具体做法如：首先在越冬层面上铺设防水彩条布，在其上喷涂厚2 cm的聚氨酯泡沫；待聚氨酯泡沫成型硬化后，在其上在铺设一层防水彩条布，再喷涂2 cm聚氨酯泡沫，重复上述步骤，直至铺设5层为止.在2019年11月至2020年3月坝面高程1 023.5 m铺设5层2 cm厚聚氨酯泡沫作为临时保温措施.

8 结 论

根据施工期温度场及温度应力计算结果分析，大坝浇筑施工过程中采取温控措施后温度应力满足规范和实际要求值，因此按照以上计算结果，采取以上温控措施是可行的.本工程处于严寒地区，施工安排冬季间歇，在冬季停工期间的越冬保护尤为重要，为类似地区碾压混凝土坝的施工温控设计提供了宝贵经验.

[1] 黄自谨，王景海，杨秀兰.碾压式混凝土坝施工方法[M].西安:西北工业大学出版社,1991.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国水利电力出版社,2012.

[3] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利电力出版社,1998.

[4] 王立成，马妹英，夏永达，等.戈兰滩碾压混凝土重力坝温控设计[J].水利水电工程设计，2008，27(3):1-3.

[5] 王立成，王峰山，李 梅，等.戈兰滩水电站坝体混凝土浇筑温度设计[J].云南水力发电，2008(S1):53-56.

[6] 黄世涛，郭丽朋，朱 强，等.欧田水电站浆砌石主坝三维有限元分析[J].浙江水利水电学院学报,2015,27(4)：9-12.

[7] 杨树涛，凌 刚.防止大体积混凝土裂缝措施及工程应用[J].浙江水利水电学院学报,2010，22(2)：18-21.

[8] 郭之章，傅 华.水工建筑物的温度控制[M].北京:中国水利电力出版社,1990.