绿塘堆石混凝土拱坝施工期温度分析

金 峰，张国新，张全意

（1.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所 北京 100038；3.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002）

1 工程概况

堆石混凝土坝在堆石体表面浇注高自密实性能混凝土（HSCC）形成大体积混凝土的方式筑坝，水泥用量少，水化温升低［1-8］，取消了振捣/碾压和通水冷却措施，施工简便，近年来应用推广迅速，已建成70 余座堆石混凝土大坝，在建30 余座。其中，2016年建成蓄水的佰佳堆石混凝土拱坝，设置横缝，坝高69 m，是已建成最高的堆石混凝土拱坝。正在设计的宝源堆石混凝土拱坝，坝高89.5 m，是正在设计最高的堆石混凝土拱坝。

绿塘水库工程位于贵州省遵义市，工程所在区域属亚热带季风气候区，气候温和湿润，雨量丰沛，光水热同季。据邻近的绥阳县气象站系列资料统计： 多年平均气温15.7 ℃，多年平均降水量1134.7 mm，多年平均无霜期287 d，多年平均日照1115 h，平均相对湿度80%。坝址区河谷为基本对称的“V”型河谷。水库设计年供水量为4271 万m3/a，正常蓄水位826.00 m，相应库容1660 万m3，水库总库容2040 万m3。工程等别为Ⅲ等，规模属中型。大坝为堆石混凝土定圆心单曲拱坝，顶拱中心角90.36°，顶拱外半径115.0 m，坝顶高程829.5 m，坝顶宽6.0 m，坝轴线长181.36 m，坝基置于弱风化基岩中部，建基面高程776.0 m，最大坝高53.5 m，最大坝底厚16.0 m，厚高比0.299。坝顶中部设3 孔溢流表孔，堰顶高程820.0 m，孔宽8 m。

绿塘拱坝取消温控，不设横缝，采用整体浇筑方式，采用预制混凝土块作为永久模板，并在上游模板与堆石混凝土坝体间设置自密实混凝土防渗层。大坝堆石混凝土于2017年12月16日开始浇筑，2018年11月29日完成浇筑。堆石混凝土施工层厚1.28 m，堆石粒径300 ～900 mm，实际量测的堆石率53%。堆石完成后，从右岸向左岸逐步浇筑HSCC，直至浇筑完成整个拱圈。堆石混凝土设计强度为C9015，HSCC 水泥用量130 kg/m3，即堆石混凝土水泥用量为61 kg/m3。施工过程中，施工单位对气温、拌合站水温、HSCC 出机口温度及入仓温度都进行了测量与记录。根据大坝安全监测设计，在高程790.0 m 拱圈的3 个监测断面分别设置了T10—T12、T13—T15、T16—T18 等3 组9 支温度计（每组温度计的编号沿靠近上游面防渗层、坝体中部、下游面递增编号），类似的布置方式，在高程805.0 m 和高程820.0 m 两个拱圈还分别设置了T19—T27 和T28—T39 等温度计。

2 施工期温度监测

温度荷载是拱坝特别是整体浇筑拱坝需要特别关注的重要荷载［9］，已有很多学者开展了堆石混凝土现场温度监测试验［10-11］和仿真分析研究［12-13］，得到了多个堆石混凝土工程浇筑过程的温升规律，但这些监测大都通过将传感器放在堆石体空隙，以HSCC 温度变化代替堆石混凝土的温升变化。为深入研究堆石混凝土浇筑过程中HSCC 和堆石的温度变化规律及二者之间的联系，2018年10月25日开始，在高程823.8 m 开始的连续3 层堆石混凝土开展了施工期临时温度监测。本文监测在堆石体空隙中（监测HSCC 温度）和堆石内部不同深度位置（监测堆石温度）埋入热电阻温度传感器，测温范围-50 ～200 ℃，精度为0.1 ℃，采用自动监测，每小时读数1 次。在仓面上已完成堆放的堆石中挑选合适位置的堆石钻孔到规定深度，然后将温度传感器放入孔内，用钻孔产生的石粉填充孔内剩余空间，使传感器探头被石粉包裹且固定，然后封孔。所选传感器埋设堆石粒径一般在300 mm 左右，为对比，在第2 仓上游侧选择了一块粒径在700 mm 左右的大堆石，分别在50、100 和150 mm 埋设温度计（测点M9、M10、M11）。

本文试验在监测断面的上游侧、坝体中部与下游侧分别布置测点，所有测点均布置在离右岸坝肩约15 m 的断面上，共27 个测点，测点布置见图1。图中，实心圆代表堆石内部测点，空心圆代表HSCC 测点。第1 仓各测点距离仓面顶部约200 mm；第2 仓各测点位于仓面不同高度；第3 仓各测点距离仓面底部约200 mm。第2 仓为重点监测仓面，布置了较多传感器，其中，堆石内部测点除M9、M10、M11 以外，M14、M15 钻孔深度为50 mm，M16、M17 钻孔深度为100 mm，其余各堆石内部测点钻孔深度均为150 mm，近似在堆石内部中心位置。需要说明的是，M18、M19 两个测点由于浇注过程中受到损坏，11月6日18∶00 以后无数据。为了监测气温，采用同传感器在坝头拌合楼一层监测室外布置了气温传感器，传感器在露天，与仓面条件相近，但由于遮蔽条件不同，受日光直射时间不同，监测的气温与仓面不同位置的气温有一定差异。试验的3 仓浇筑时间分别为2018年10月27日、2018年11月5日 和2018年11月12日。

图1 测点布置

3 HSCC 浇筑后的堆石混凝土温度变化过程

图2 给出了施工期临时温度监测数据。第1 仓、第2 仓、第3 仓数据分别以蓝色，棕色和绿色表示，气温用红色表示。第1 仓入仓时，气温约20 ℃，随后几日的气温日变幅较大，最大气温日变幅接近20 ℃，第1 仓测点接近堆石混凝土上表面，浇筑以后，前3 d 测点温度与气温密切相关，且有一定滞后。随后测点温度变幅日趋减少，与后仓开始堆石，改变了上表面边界条件有关。堆石入仓时，各测点温度与气温相近，HSCC 入仓后，温度急剧上升，说明HSCC 入仓温度明显高于气温和堆石温度，温度差别在第2 仓时达到5 ℃左右。另外，还可以观察到后仓堆石混凝土浇筑时，前仓测点明显温度上升，特别是散热较快，埋设深度较浅的测点，受后仓影响大，温度上升幅度大，甚至超过其自身的水化热温升幅度。

图2 施工期监测数据

为了更清晰表示堆石混凝土浇筑后早龄期温度变化，图3（a）给出了第1 仓浇筑后前140 h 的施工期临时监测温度变化过程，蓝色系代表HSCC 测点，棕色系代表堆石内部测点。浇筑开始以后，HSCC 入仓温度较高，温度测值迅速上升，能够看到HSCC 测点上升3 ～4 ℃，堆石内部测点上升1 ～2 ℃。因测点埋设较浅，受外界气温影响，进入夜间后，温度测值下降或小幅升温，测点温度变化均比气温有2 ～3 h 的滞后。浇筑5 d 以后，堆石温度与HSCC 温度已趋向均匀，表面温度测点散热条件好，水化热温升很小。为对比施工期临时监测与永久监测结果，相互验证测量可靠性，分析了高程820.0 m 拱圈永久监测测点T28、T29、T30，它们离第1 仓施工期临时监测测点距离近，浇筑时间也相近。对比图3（b）中的永久监测点数据可以看到，永久测点观测次数较少，从刚浇筑时的每日2 ～3次到每日1 ～2 次，不能准确给出施工期温度快速变化细节，但两组测点总体趋势相近，浇筑前温度测值相近，均在18 ～20 ℃左右；浇筑后永久监测数据有迅速上升，对比施工期监测数据，可以判断这是由于HSCC 入仓温度较高带来的。永久监测测点的水化温升为2 ℃左右。

图3 第1 仓浇筑后监测数据

图4（a）给出了第2 仓所有测点的数据，蓝色系代表HSCC 测点，棕色系代表堆石内部测点。浇筑开始前，堆石温度与气温相近，随着入仓温度较高的HSCC 到达监测点，温度有明显上升，并且受堆石吸热影响，HSCC 温度随后会略有降低。

图4（b）给出了第2 仓HSCC 测点数据，蓝色系代表埋设深度大的测点，棕色系代表埋设深度较浅的测点。浇筑过程中HSCC 有两次显著的覆盖过程，第一次覆盖时，埋设深度大的3 个HSCC 温度监测点M8、M12、M21首先被覆盖，这些测点埋设深度较深，且M8离上游防渗层较近，与中部M12一样，散热条件差，水化热温升较大，可达到6 ℃左右；M21 靠近下游面，散热条件略好，水化热温升不到2 ℃。埋设深度较浅的M20、M13、M7，受气温影响，初始温度较低，首次覆盖时有温度上升，但随后仍然受气温影响，在第二次覆盖时，才完全覆盖，温度快速上升到18 ℃左右，特别是上游侧测点M7明显在第二次覆盖时温度才开始上升，与当时仓面宽度较小，从仓面中部开始浇筑的施工记录吻合。

图4（c）为第2 仓堆石内部监测数据，同一位置不同深度的堆石温度有一定差异，但温度差异一般在1 ～2 ℃，总体差异较小。其中，300 mm 粒径堆石内部不同深度温度差异小于1 ℃，700 mm 粒径堆石差异在2 ℃左右，符合一般认知。

图4 浇筑后监测数据

图4（d）给出了第3 仓监测温度，蓝色系代表HSCC 测点，棕色系代表堆石内部测点。堆石内部测点温度仍然与气温相近，约11 ℃左右。由于HSCC 到达监测点后才开始测量， HSCC 测点显示入仓温度约14 ℃左右，比气温高4 ℃左右，入仓后与温度较低的堆石产生热交换，温度略有降低。第3 仓所有测点埋设较深，其中上游侧M22 点临近防渗层，水化热温升在浇筑2 d 后达到峰值，温升约6 ℃。随后缓慢下降，中部的M24 点温升也接近5 ℃，但最高温升发生时间略延后2 d 左右，下游的M26 点接近下游面，散热较好，温升约3 ℃。堆石内部的温度初始温度较低，但水化温升的规律类似，上游M23 点温升约5 ℃，中部M25 点温升约3 ℃，但时间延后，下游M27 点温升仅2 ℃。堆石内部的温度与相邻的HSCC 测点温升规律相同，但温升幅度略小。经过5 d 左右，堆石内部温度与HSCC 温度仍有5 ℃左右的差别，但有明显趋于均匀的趋势。

4 堆石混凝土入仓温度分析

图5（a）为施工单位记录的HSCC 入仓温度与拌合用水温度，HSCC 入仓温度比拌合水温度高出6 ～8 ℃，说明水泥等原材料温度较高。其中夏季HSCC 入仓温度高达30 ～35 ℃，特别是7—8月，HSCC平均入仓温度达33.5 ℃，比多年月平均气温26 ℃高7.5 ℃左右；4月、10月HSCC 平均入仓温度为25.3 ℃，比多年月平均气温16.3 ℃高9 ℃左右；3月、11月HSCC 平均入仓温度为22 ℃，比多年月平均气温11.1 ℃高11 ℃左右。

图5 施工温度分析

施工单位记录了施工日早、中、晚三个时刻的温度资料，但缺失数据较多。为准确估计日平均气温，首先对所有浇筑日早、中、晚气温监测值齐全的数据进行分析，取平均值得到这些浇筑日的日平均气温。计算日平均气温与早、中、晚气温比值的分别为1.156、0.870、1.044，再利用这个比值对早、中、晚气温测值缺失的施工日平均气温进行估算，有两个测值的，取其平均值作为气温估计值。同时，收集施工期间遵义市气温历史数据的日最高气温、日最低气温，对于超过当日气温历史数据的最高、最低气温值的气温估计值进行适当修正，得到的日平均气温值为图5（b）棕色线所示。图5（b）中红色连续曲线为永久温度监测记录中的气温过程线，黄色为当地气温历史记录的气温中值。可以看到，不同渠道获得的气温数据比较接近，说明本文方法得到的施工日平均气温值合理可信。

对比2018年10月27日—11月12日期间进行的第3 仓施工期温度监测数据，施工单位记录的HSCC 入仓温度为27.0、24.0 和20.6 ℃，施工期临时监测推算的HSCC 入仓温度分别在24、20 和18 ℃左右，大约有3 ℃的差异，可能反映了HSCC 浇筑填充流动过程中，不断与堆石体发生温度交换。可以认为，施工单位记录的HSCC 入仓温度结果是可信的。

根据施工单位记录推算的日平均气温分别是19、13 和11 ℃，相应施工期临时监测的堆石温度在17、15 和13 ℃，差距在2 ℃左右。考虑到日变幅和日光直射等诸多影响因素，浇筑前的堆石入仓温度可以认为与日平均气温接近。

HSCC 比热高于堆石，且堆石率为53%，可以给出堆石混凝土入仓温度TRFC的简易计算公式：

式中：TRock为堆石入仓温度，可以认为是平均气温；THSCC为HSCC 入仓温度。

按照式（1）计算了堆石混凝土入仓温度的变化过程，见图6。从图6 可以看到，采用本文分析方法得到的日平均气温与实际测量的HSCC 入仓温度高度相关，夏季HSCC 入仓温度30 ～35 ℃，相应堆石混凝土入仓温度在27 ～32 ℃之间，大约低3 ～4 ℃。冬季HSCC 入仓温度会降低到20 ℃以下，相应堆石混凝土入仓温度会降到10 ～15 ℃，大约低6 ～8 ℃左右。

图6 堆石混凝土入仓温度与HSCC 实测入仓温度的关系

表1—表3 为永久监测测点的施工期温度数据，其中覆盖后温度体现了HSCC 与堆石的温度交换，可以近似认为代表了堆石混凝土的入仓温度。表1 中，高程790.0 m 拱圈施工时的HSCC 入仓温度为28.0 ℃，相应日平均气温20.6 ℃，堆石混凝土入仓温度为24.2 ℃，混凝土覆盖后温度为24.8 ℃，仅相差0.6 ℃，吻合较好。表2 中，2018年6月24日，高程805.0 m 右拱圈施工的日平均气温为24.9 ℃，堆石混凝土入仓温度为28.2 ℃，覆盖后温度28.5 ℃，非常吻合，仅相差0.3 ℃；2018年7月10日，处于盛夏，高程805.0 m 左拱圈施工的当日最高气温32 ℃，日平均气温26.1 ℃，堆石混凝土入仓温度为29.0 ℃，永久温度监测的气温31 ℃，应该是接近中午时刻的气温，覆盖后温度29.0 ℃，相差0 ℃，吻合很好。表3 中，2018年10月5日和6日，高程820.0 m 右拱圈施工的日平均气温分别为18.5 ℃和18.2 ℃，相应堆石混凝土入仓温度为21.8 ℃和21.5 ℃，永久监测气温为17 ℃和18 ℃，覆盖后温度为20.3 ℃和19.4 ℃，分别相差1.5 ℃和2.1 ℃，吻合较好。2018年10月17日，高程820.0 m 左拱圈施工的日平均气温15.4 ℃，堆石混凝土入仓温度18.6 ℃，与覆盖后温度18.4 ℃吻合非常好，仅差0.2 ℃。进一步分析各月的堆石混凝土入仓温度，4月、6月、7月、10月的堆石混凝土入仓温度平均值分别为21.8、27.0、29.7 和19.8 ℃，与永久监测的施工期温度也具有较好的相关性。这些数据的相互对比验证了本文建议的堆石混凝土入仓温度估计方法基本反映了堆石混凝土实际浇筑情况。

将所有根据施工监测数据推算的月平均气温、HSCC 入仓温度和堆石混凝土入仓温度汇总于表4。

表1 高程790.0 m 拱圈永久温度计监测的温度值 （单位：℃）

表2 高程805.0 m 拱圈永久温度计监测的温度值 （单位：℃）

表3 高程820.0 m 拱圈永久温度计监测的温度值 （单位：℃）

表4月平均气温、HSCC 入仓温度和堆石混凝土入仓温度与水化热温升 （单位：℃）

分析表1 可以看到，高程790.0 m 高程上游侧的T10、T13、T16 因为靠近自密实混凝土防渗层，防渗层无堆石，水化热温升较高，因此，T10、T13、T16 测点的温升较高。T11、T14、T17 位于坝体中部，散热条件较差，所以温升比T10、T13、T16 测点略低。T12 和T18 靠近下游面，散热条件好，所以，水化热温升较低。T15 也靠近下游面，水化热温升较高，比较异常，可能与该测点附近堆石少，埋设位置离下游面较远有关，尚需进一步分析。

分析表2 可以看到，上游侧与自密实混凝土防渗层接近的测点T19 和T25，水化热温升分别达到9 和13 ℃，比坝体中部的T20、T23、T26 水化热温升5.6、6.9 和7.5 ℃，靠近下游侧的T21 和T27 水化热温升6.2 和5.4 ℃显著偏高，说明由于上游防渗层没有堆石，其水化热较堆石混凝土明显偏高。上部拱圈变薄，中部与下游侧散热条件差异的影响要小于防渗层材料水化热高的影响。

分析表3 可以看到，上游侧与防渗层相近的测点T28、T31、T34 和T37 水化热温升分别为2.7、3.5、6.8 和6.6 ℃，靠近下游侧的T30、T33、T36 和T39 水化热温升为2.5、3.5、7.8 和4.5 ℃，可以看到上部拱圈较薄，散热条件好，这两仓的温升相对平均，所以，综合考虑可以用两仓总体平均值代表整体的水化热温升值，为4.5 ℃。将永久监测温度计测到的水化热温升值与施工期温度临时监测结果对比，除第1 仓测点均在表面，水化热温升缺乏代表性以外，第2 仓、第3 仓的内部测点水化热温升与4.5 ℃的数值大致等价，可以相互验证。

5 主要结论

本文结合整体浇筑的绿塘堆石混凝土拱坝施工期临时监测数据、施工单位记录的施工温度数据、永久监测温度计测量数据，通过相互验证，证明了监测数据的可靠性。分析这些数据，加深了堆石混凝土拱坝施工期温度过程的认识，总结如下：（1）绿塘拱坝堆石混凝土水化热温升低，最高水化温升大都发生在浇筑后3 ～4 d，春秋季节浇筑的堆石混凝土水化热温升约4.5 ℃，夏季浇筑的堆石混凝土水化热温升约为7 ～8 ℃。（2）绿塘拱坝处于气候温和地区，完全不采取温控措施，堆石入仓温度接近于日平均气温，高自密实性能混凝土（HSCC）入仓温度显著高于气温，应与水泥等原材料温度较高有关。（3）堆石混凝土入仓温度可以根据HSCC 入仓温度与气温加权平均得到，因此，夏季施工时，可适当采取措施降低水泥等原材料温度，从而降低堆石混凝土入仓温度，有助于降低坝体温度应力。

绿塘堆石混凝土拱坝已建成，但受移民影响尚未蓄水。分析永久温度监测数据，经过2 个冬天，坝体温度已接近稳定温度场。在验收时对大坝开展了全面的质量检测，未发现裂缝，钻孔取芯的结果也表明堆石混凝土质量良好,绿塘堆石混凝土拱坝采取不分横缝整体浇筑，是成功的创新实践，可以在气温温和地区推广应用。

致谢：本文施工期监测资料、永久监测温度资料来自遵义市水利水电工程建设总公司、贵州省大坝安全监测中心和遵义水利水电勘测设计研究院；施工期现场温度监测由赵云天完成；周虎、黄杜若、何涛洪、娄诗建、曾旭等参加讨论，贡献了有益意见。