混凝土拱坝通水冷却同仓混凝土温差对坝体应力的影响

赵泽湖，周秋景，牟荣峰，杨 宁，张家豪

（1.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038；2.中国长江三峡集团公司，北京 100038）

1 研究背景

拱坝混凝土拉应力［1］主要源于温差及温差变化过程中外在的约束作用，其中温差［2］主要包括基础温差、内外温差和上下层温差，这三种温差在拱坝设计和施工中受到普遍重视，采取各种措施进行控制。除上述三种温差外，还存在其它温度差异，如目前在特高拱坝中，300 m级特高拱坝坝体中下部厚度一般在50 m以上，坝段宽度一般在20～25 m，仓块面积达1000～1200 m2。在此情况下，每一浇筑仓需要布置多根冷却水管，混凝土在通水过程中，热量被冷却水管带走，距水管越近温度下降越快，每一浇筑仓不同区域平均温度存在差异是必然的。传统拱坝测温是在典型坝段典型高程埋设少量永久温度计，坝体温度依靠闷温检测成果，该温度能够反映大坝浇筑仓块整体温度，但无法给出内部各区域之间温度差异。目前大坝施工中，为满足智能和安全控制，坝体各坝段各仓均埋设温度计，同时布设分布式光纤［3］等线式温度计，可以对大坝各仓温度分布和变化规律有比较全面和准确的认识。西南几座高拱坝施工期监测资料表明，同仓温度存在差异的现象是普遍的，一般一仓混凝土根据冷却水管布置可分为上中下游三个区，各区之间温度差异最大可达到6～8℃，一般也有2～3℃，该温度差异会对大坝应力产生影响［4］。针对同仓温度差异及影响问题，朱伯芳［5］分析了小湾拱坝同仓温度上中下三区分批冷却温度差异3℃对应力的影响，结果表明上下游温度梯度会带来附加拉应力，最大约0.35 MPa，远小于二冷及高度方向温差带来的拉应力。除此以外，因监测条件等限制，对同仓混凝土温差分布及量值的认识并不十分清楚，对相应温度应力的研究也不充分［6］，目前实际浇筑过程中同仓上下游温度控制缺乏一定的标准。

本文以我国西南某特高拱坝为例，针对典型仓块冷却水管埋设及温度监测资料进行分析，定性判断大坝混凝土同仓温差原因，在此基础上，采用有限元方法定量研究不同温差形式、不同温差大小对仓块应力的影响，为拱坝施工过程中的温控防裂提供技术支撑。

2 某混凝土拱坝通水冷却概况

2.1 工程概况西南某水电站位于四川会东县和云南禄劝县交界的金沙江河道，电站以发电为主，水电站装机容量1000 MW，总库容58.63亿m3，水电站坝址枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、地下厂房、左岸泄洪洞等组成。混凝土拱坝坝顶高程988 m，最大坝高270 m，拱冠梁顶厚9.95 m，底厚45.45 m，厚高比0.172，坝顶上游面弧长325.67 m，弧高比1.23。坝体设横缝不设纵缝，共分15个坝段，横缝设接缝灌浆，陡坡坝段岸坡设接触灌浆，坝身共布置5个表孔6个中孔，混凝土总方量约273万m3。

2.2 水管布置及温度计埋设为满足拱坝有关温控标准和智能通水要求，拱坝各浇筑仓内埋设冷却水管和数字式温度计。图1分别为典型浇筑仓平面方向与垂直方向上的冷却水管与温度计布置示意图，整坝大部分采取该种布置形式，冷却水管采用高密度乙烯冷却水管，单根长度不超过250 m，冷却水管埋设间距一般为1.5 m×1.5 m，根据现场实际需要，同一高程多根冷却水管由一根主管供水，冷却水经另一主管引出，由于主管与多根冷却水管的连接部位均位于浇筑仓内部，即形成坝内“一拖多”的水管布置形式；大坝混凝土各仓均埋设施工期温度计进行混凝土内部温度测量，温度计埋设于两层冷却水管中间的上中下游区域（约长度方向1/4点），在钢筋密集区等特殊部位适当增加温度计。

图1 水管及温度计埋设

3 典型仓块温度监测分析

表1 浇筑仓上下游温度计读数（上游/中游/下游，单位：℃）

表1为大坝不同坝段不同仓块四个时间节点上中下游区域温度统计情况，各仓块在9月10日左右温度普遍在22～25℃之间，基本达到初冷目标温度，同一仓混凝土不同区域最大差异约3℃，为7#-0009仓；随着中期冷却和二期冷却的进行，各仓块不同区域温度普遍下降，但下降幅度存在差异，至11月20日，最大温差约5.5℃，出现在5#-0004仓。在空间分布上，上游区温度一般偏高，下游和中游温度相对较低，但也有上游区温度偏低情况存在。总体来看，上游温度高中下温度低、中部温度高上下游温度低、下游温度高中上温度低等几种形式均有存在。

图2为典型仓块温度监测曲线，可知：（1）同仓混凝土温度变化总体趋势相同，升温和降温阶段基本一致；（2）相同时间内不同区域混凝土温度变化幅度存在一定差异，造成同仓混凝土温度差异；（3）个别温度计测值波动较大，与其它温度计差别明显。

图2 典型温度计测值过程线

图3 通水流量与温度计读数过程曲线

基于以上监测温度分布和变化规律，结合冷却水管和温度计埋设情况，可知：（1）温度计埋设位置距冷却水管距离不一致会使得温度测值存在偏差。温度计均要求埋设于两层冷却水管中间位置，即垂直方向和平面方向均位于冷却水管中间位置，以该位置温度代表仓块该区域温度。但实际施工过程中，埋设位置存在偏差难以避免。在温度计距冷却水管较近时，温度测值会受到冷却通水过程影响，导致温度偏低且波动性较大，不能反映该区域混凝土温度，使得同仓温度出现较大差异。图3为某仓通水流量曲线与温度过程曲线图，在通水阶段，温度曲线呈现锯齿状，存在0.5℃左右的波幅，可以推测该温度计埋设位置过于靠近冷却水管，受通水影响明显。（2）仓块上游侧较中下游宽，等长水管形成的弯形水管数量不同，各支管的水流阻力也会有所差别，一拖三的水管布置形式造成在上中下游侧流量不均匀。其次，冷却水管的挤压变形甚至破坏也会导致流量在各支管分配不均匀，从而造成同仓温差的出现。表1中各时间点上中下游温度计读数表明最低温度往往出现在中下游区域，上游区域未出现最低温度，这与冷却水管的进出水口均布置在下游有一定关系。（3）在陡坡坝段基础约束区，浇筑仓侧面与基岩接触，温度计一般埋设于仓块中轴线位置，上下游温度计与基岩的距离不一致，基岩温度普遍偏高，在22～24℃之间，温度计受到基础温度影响也会有所差别，如图4所示。

图4 陡坡坝段浇筑仓温度计平面位置

4 温度差异对应力影响分析

4.1 计算模型和参数以该拱坝基础强约束区浇筑仓为例，分析同仓温差对应力影响程度，计算混凝土和基岩主要热力学参数见表2。仓块有限元模型见图5，仓块中不同颜色部分表示浇筑仓上中下游区域，对不同区域调整通水流量以模拟温差对坝体的应力影响。基面底面三向固定，侧面轴向约束共计62 060个节点，56 032个单元。

表2 主要热力学参数

图5 仿真分析模型

4.2 计算工况和软件上下游温差的存在带来了附加拉应力，为了准确计算此温度荷载，本文考虑了上下游温差的不同分布形式以及温差大小，计算工况见表3，仿真计算利用中国水利水电科学研究院独立自主开发的结构多场仿真与非线性软件Saptis［7-8］，SAPTIS历经30年的“开发—应用—再开发—再应用”过程，是一款成熟的大型混凝土全过程、全要素仿真分析平台，已应用于锦屏［9］、小湾［10］、溪洛渡、大岗山等多个大型工程。

仿真分析过程中，混凝土浇筑温度为16℃，初期冷却目标温度均控制为24℃左右，中后期通水冷却开启及结束时间均保持一致，通过控制仓块上中下游流量来调节不同的二冷结束温度，以满足各工况计算需求。

表3 计算工况 （单位：℃）

4.3 不同温差形式对应力影响温差为5℃的6种温差形式下的应力情况见表4，各工况均在顺河向方向出现最大拉应力，图6～图12为顺河向应力最大时工况1～工况7顺河向应力等值线图。

表4 各工况最大拉应力

图6 工况1顺河向应力等值线图（MPa）

图7 工况2顺河向应力等值线图（MPa）

图8 工况3顺河向应力等值线图（MPa）

图9 工况4顺河向应力等值线图（MPa）

图10 工况5顺河向应力等值线图（MPa）

图11 工况6顺河向应力等值线图（MPa）

图12 工况7顺河向应力等值线图（MPa）

从表中可以看出：（1）顺河向应力，无温差工况下顺河向应力量值居于各工况中间水平，上下波幅0.1 MPa左右，中间区域温度最低产生的应力最大，下游平均拉应力次之，上游区域最小。工况4上中下游的温差形式15/13/18℃，拉应力最大，为1.295 MPa；工况3上中下游的温差形式13/18/15℃，拉应力最小，为1.078 MPa，两者相差20%。（2）横河向应力，温差存在工况下横河向应力均大于无温差工况横河向应力为0.619 MPa，浇筑仓上游温度最低的温差分布形式产生的横河向应力最大，其次是中部和下游，最大0.899 MPa，最小0.643 MPa，两者相差40%。由于浇筑仓在顺河向尺度大于横河向，无温差工况顺河向应力大于横河向，导致温差形式不同所产生的附加应力对横河向应力的影响程度大于顺河向。

以应力量值较大的顺河向应力为例，从各工况顺河向应力等值线图可以看到：（1）各种工况下顺河向应力分布的基本规律为仓块中间区域出现最大顺河向应力，向上下游两侧减小。这主要由于上下游面均为临空面，顺河向基本处于零应力状态，中间区域混凝土收缩变形收到上下游两侧混凝土的强约束作用。（2）无温差工况与其它温差存在工况的对比可以得出，顺河向应力分布主要表现为中部应力大，上下游两侧小的基本应力规律，但温差分布形式对应力分布也有一定程度的影响，主要体现在应力较大位置会向温度较低的区域有一定的偏移，使得上下游应力梯度发生改变。（3）在6种温差分布形式中，中间区域温度最低的温差分布形式产生的顺河向应力最大，这是因为中间温度最低时，混凝土变形收到的约束最强，使得中间部位顺河向应力最大。

4.4 不同温差大小对应力影响温差大小对拉应力影响明显，不同的温差大小对同一区域意味着温度梯度的不同，温差越大，所形成的温度梯度也就越大，最终拉应力也就越大。下面分别仿真计算了仓块上中下游温度为13/18/18℃、13/15/18℃、13/13/18℃的3种工况，即中下游形成的温差分别为0℃、3℃、5℃。

表5 各工况最大拉应力

图13 中下部温差为0℃（MPa）

图14 中下部温差为3℃（MPa）

图13～图15为3种工况下顺河向及横河向拉应力等值线图。由图可知：（1）各种工况下顺河向应力分布的基本规律为仓块中间区域出现最大顺河向应力，向上下游两侧减小。（2）温差大小对中下游区域顺河向应力分布规律也有一定影响，温差越大，最大顺河向应力越大，同时中部与上下游的应力梯度也就越大。这与整个中下游区域温度的降幅有关，温差越大意味着在下游温度不变的前提下，中部温度越低，中部温度降幅越大，所引起的拉应力也就越大，由于上下游面零应力状态的存在，中间部位顺河向应力的增大必将导致应力梯度的增大。（3）在不同温差大小情况下，横河向应力变化规律与顺河向类似，横河向最大应力分布于仓块上游部分中间位置，其原因在于仓块上游横河向方向尺度最大且温度最低。在中下部温差增大的情况下，温度最低的中间部位横河向应力逐步增大，由于整体仓块最大横河向应力位于上游区域，所以中下游温差的增大直接体现为从中下游应力近似均匀分布到应力梯度的逐步增大。

图15 中下部温差为5℃（MPa）

图16 中点顺河向应力过程线

由表5可以看出，0℃、3℃、5℃所形成的最大顺河向拉应力分别为0.948 MPa、1.139 MPa、1.345 MPa。取同一点即中轴线中点位置，应力分别为0.77 MPa、1.09 MPa、1.28 MPa；温差每增大2～3℃，顺河向应力增大0.2～0.3 MPa左右。图16为仓块中轴线中点3种工况下的过程线，拉应力的增长符合一般规律，温差越大，顺河向最大拉应力越大。从横河向应力来看，只考虑中下游横河向应力变化，中轴线中点位置应力分别为0.17 MPa、0.49 MPa、0.68 MPa；温差每增大2～3℃，横河向应力同样增大0.2～0.3 MPa左右。

5 结论

本文研究了拱坝浇筑过程中混凝土同仓温差问题，利用SPATIS软件对基础强约束区浇筑仓进行不同温差形式及温差大小等工况的仿真分析，本文得出如下结论：（1）同仓温差测值较大原因，一是温度计埋设距冷却水管距离不同带来的监测数值上的偏差，二是冷却水管长度不同、施工过程中挤压变形不同等导致流速流量差异从而引起的温度差异。因此，在实际工程中为避免同仓温差的出现，建议：对各支管流量进行准确控制，而不仅仅是只对主管流量进行控制；温度计埋设进行精准设计和施工，确保埋设位置一致。在一些仓块出现温差较大情况下，通过仿真分析可以得到比较准确的应力估计，采取“小流量、持续通水”的策略，能够避免不利情况的产生。（2）温差分布的形式对整体应力分布规律有一定影响，主要体现在应力最大值点会向温度较低的区域有一定的偏移，使得上下游应力梯度发生改变。（3）最大温差为5℃的上中下游不同温差分布导致的顺河向拉应力最大和最小分别为1.295、1.078 MPa，相差约20%，横河向拉应力最大和最小分别为0.899、0.643 MPa，相差约40%，温差对横河向应力的影响大于顺河向应力。中部温度最低的15/13/18℃温差分布形式对顺河向最为不利，形成的最大顺河向拉应力为1.295 MPa；上游温度最低的13/18/15℃温差分布形式对横河向最为不利，形成的最大横河向应力为0.899 MPa。（4）相同温差形式下，在最小温度降幅一定时，温差增大2～3℃，顺河向及横河向应力增大约0.2～0.3 MPa，引起不同温差大小情况下应力梯度不同。