象鼻岭碾压混凝土拱坝温控防裂研究及实施效果

张海超，杨 波，王晓峰

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

象鼻岭水电站枢纽工程最大坝高141.5 m，正常蓄水位1 405 m，水库总库容2.63亿m3，开发任务以发电为主，装机容量240 MW。主要挡水建筑物为碾压混凝土拱坝，坝体拱冠梁顶厚8.0 m，底厚35.0 m，拱端最大厚度38.0 m；拱坝厚高比0.247，上游面最大倒悬度0.148，下游面最大倒悬度0.151，最大中心角97.433°，坝体混凝土体积64.547万m3。

1 象鼻岭碾压混凝土拱坝温控特点

象鼻岭碾压混凝土拱坝温控特点主要包括工程所在区域气象特性、材料特性、结构特性及施工特性等。

(1)气象特性。工程区属暖温带高原季风气候，特点为多风，昼夜温差大，白天阳光直射，气温较高，造成碾压混凝土在运输、入仓、浇筑等过程中的温度倒灌、水分散失等问题突出。

(2)材料特性。象鼻岭碾压混凝土料源岩性为玄武岩，混凝土配合比需水量大，从而引起胶凝材料特别是水泥用量大，大约比同类工程多20 kg，绝热温升达20～23 ℃，比同类工程约高2～3 ℃；自生体积变形呈收缩型。

(3)结构特性。象鼻岭碾压混凝土拱坝设置7条诱导缝、2条横缝，缝距大约在41～70 m之间。

(4)施工特性。象鼻岭碾压混凝土拱坝整体浇筑段最长弧长约360 m；仓面面积大(约5 800 m2)；全断面连续上升，层间间隔时间相对较长，温度倒灌问题突出。

2 温控防裂研究与设计

象鼻岭碾压混凝土拱坝在温控方面开展了大量试验、研究与工程类比工作，并委托中国水利水电科学研究院开展温控仿真研究，在此研究基础上确定温控设计标准，提出温控措施。

图1 拱坝拱冠梁内部温度过程线

2.1 三维仿真计算

计算软件采用中国水利水电科学研究院结构材料所开发的Saptis大型有限元分析软件。首先，模拟实际的施工运行过程，考虑混凝土分层浇筑过程、入仓温度、施工期间歇、混凝土及基础弹性模量的变化、外界水温及气温的变化、混凝土的自生体积变形及徐变影响等复杂因素。并且模拟缝的开、合迭代，仿真模拟横缝启裂、扩展、止裂全过程。

(1)温度场。图1绘制了不同高程拱冠梁内部点温度历时过程线。由图1可知，受基坑过水以及外界气温影响，坝体内部大部分区域温度在25 ℃以内，2016年6月，坝体浇筑进入高温季节，坝体大部分区域温度在28～32 ℃之间分布，坝体导流底孔周边区域温度超过32 ℃，最大达到35 ℃。

(2)应力场。坝体1 280.00 m高程以下部分区域应力超过1.5 MPa，存在较大开裂风险，这主要是1 280.00 m高程以下受2015年度汛时基坑过水引起内外温差过大导致该区域拉应力超标；坝体内部绝大部分区域主拉应力均小于1.0 MPa，近上下游坝面存在应力超标区，下游面应力超标区深度大于上游面，深度基本在2.0 m以内，局部最大深度为2.5 m，可能引起表面裂缝，可通过增加表面保温措施来解决；各缝面内部主拉应力不超过1.0 MPa，近坝面主拉应力基本在0.5 MPa。

(3)诱导缝。碾压混凝土浇筑至坝顶时，两条横缝及靠近左右坝肩的两条诱导缝均全部张开；其余诱导缝处于部分张开状态，张开深度基本在2～5 m 左右。

(4)研究结论。结合坝体应力分布及诱导缝开合状态可知，分缝方案能够较好地释放水化热温升引起的超标拉应力，使坝体不会出现危害性裂缝。

2.2 温控设计标准及措施

通过开展本工程碾压混凝土热学性能、气候特征、坝体结构、施工规划、仿真研究、工程类比等方面研究，确定温控设计标准如表1所示。碾压混凝土温度控制，从水泥(比表面积、入库温度、MgO含量等)、料仓(保护、高度、取料方式等)、出机口(最高不超过15 ℃)、运输系统、浇筑温度(最高不超过18 ℃)、仓面小气候防止温度倒灌、仓面保护、后期养护、通水冷却等方面控制，分期冷却温度目标值见表2。

表1 大坝混凝土设计允许最高温度 ℃

表2 拱坝浇筑过程中分期冷却温度目标值 ℃

3 实施跟踪情况

3.1 坝体温度计实测情况

坝体内部各高程实测温度如图2所示。

图2 坝体温度计实测温度

从图2可以看出：

(1)2015年4月～5月浇筑1 280 m高程以下混凝土，安装坝体温度计TCb-1～TCb-6，温度上升峰值至36 ℃，比设计控制标准高约7 ℃，并在地基、大气、固结灌浆等影响下温度快速下降至26～30 ℃，汛期过水、2015年冬季后坝体温度降至24～26 ℃。

(2)2015年12月～2016年5月浇筑坝体1 280～1 340 m高程混凝土，安装坝体温度计TCb-7～TCb-12，温度上升峰值至36 ℃，比设计控制标准高约4 ℃。特别是3月、4月、5月浇筑的混凝土，由于浇筑温度未能有效控制，达25～30 ℃，又未能进行有效一期通水冷却，部分还受周边常态混凝土影响(Tcb10、Tcb12)，所以峰值温度偏高，且浇筑后大部分处于高温季节，混凝土较长时间处于较高温度状态，后经二期冷却通水降低至封拱温度。

(3)2016年9月～12月浇筑1 340～1 380 m高程坝体混凝土，安装坝体温度计TCb-20～TCb-23，处于较低温季节施工，温度上升峰值至35 ℃，随后进入寒冬季节、二期冷却后温度降低至封拱温度。

(4)2017年4月～5月浇筑1 380～1 400 m高程坝体混凝土，安装坝体温度计TCb-25～TCb-26，浇筑温度、一期通水冷却降温未能有效控制，峰值达40～45 ℃，由于属于坝体上部较薄区域，一二期冷却通水相继进行，温度降速快，在2017年12月温度降低至封拱温度。

3.2 温控效果评价

由于未能在砂石料、拌制等环节控制温度，浇筑温度普遍偏高，又在一期控制与冷却阶段出现通冷却水流量不足、管路堵塞等情况，造成混凝土峰值温度较高。但本工程区域气温常年普遍较高，没有造成较大内外温差而形成较多的表面或深层裂缝，但可能在二期冷却降幅过大，造成温度应力超标而产生裂缝。

3.3 二期冷却实施方案

鉴于混凝土浇筑完成温度普遍偏高情况，建设各方高度重视二期冷却，研究采取了以下措施：

(1)在2016年10月初开始对1 340 m高程以下混凝土进行二期冷却，将温度降幅控制在0.3 ℃/d，二期通水不进行时间控制而按目标控制，持续时间达5～6个月。这样安排主要解决2个问题，一是，在入冬前将坝体降温至25 ℃以下，减少由于寒潮到来后的内外温差造成表面裂缝；二是，缓慢、长时间冷却，充分利用混凝土徐变降低温度应力减少产生裂缝的风险。

(2)采取 “横向相同；纵向先高温区后低温区”的冷却方案，防止坝体冷热不均造成温度梯度过大而产生裂缝，需要结合坝体冷却要求加大设备资源投入和管控力度。

通过以上科学冷却方案和精心组织实施，有效控制了深层裂缝的产生，无贯穿性裂缝，仅在下游表面出现数条较深裂缝。2017年3月左右，结合闷温数据、监测数据综合分析1 340 m高程以下坝体温度基本达到封拱温度的控制要求，随即开始接缝灌浆。

4 结 语

象鼻岭碾压混凝土拱坝施工期温控防裂充分考虑其材料热学性能特性、气候特点、坝体结构、施工组织，联合科研院、高校采用较为先进的三维仿真理论分析，并类比了大量类似工程，提出了严格的混凝土防裂控制参数、合理的坝体防裂结构、温控标准及温控措施。

在施工过程中，由于各种原因一期冷却效果不佳，造成坝体温度总体较高，持续时间长，给二期通水冷却造成较大难度，最后通过“早启动、长时间”和“横向相同；纵向先高温区后低温区”的冷却方案，有效控制了深层裂缝特别是贯穿性裂缝的发生。基础约束区混凝土由于在浇筑时间短而又受各种因素影响温度快速下降，在拱冠处产生一条深层贯穿性裂缝外，后期施工期坝体横缝、诱导缝有效张开，未再发现贯穿性裂缝。

笔者认为，应高度重视碾压混凝土拱坝温控防裂工作，通过优选原材料及配合比，提高防裂性能，研究合理分缝方案，采取科学合理冷却措施、配备足够设备资源、精心组织管理等实现坝体防裂的最终目标。