高寒区混凝土坝低温防裂温控措施的探讨

2021-02-03韩小妹邵剑南杨春宝

水利规划与设计 2021年1期

韩小妹，邵剑南，杨春宝

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

混凝土坝在施工期和运行期中，由于温度的变化经常会出现较大拉应力，往往使大坝发生裂缝，从而破坏大坝结构整体性，降低了结构耐久性，甚至产生大坝渗漏，带来较大的危害。许多在温和、湿热和干热等地区建设的混凝土坝出现了贯穿性裂缝、劈头裂缝，形成了“无坝不裂”[1]的尴尬情况。对于高寒地区混凝土坝在低温期进行混凝土浇筑和保温养护，如何建设无裂缝的大坝更是一个巨大挑战。

虽然我国现行规范[2-6]从温控标准、温控措施、施工期温度监测与分析等方面提出了混凝土坝低温温控措施规定，但是高寒地区全年最冷月份的平均气温在0℃以下，日平均温度在5℃以下的天数大于90d，最冷月份日温差在15℃以上，多年平均蒸发量达到1200～2000mm，多年平均寒潮次数多达20次以上，在这样恶劣的低温天气下建设和养护混凝土坝，温控措施需要更加系统。

本文通过总结我国已建的藏木、丰满、喀腊塑克、布尔津山口、拉西瓦、石门子、观音阁、冲乎尔、白石等高寒区混凝土坝的温控措施经验与教训，对比分析国外高寒地区混凝土坝低温温控措施，提出高寒区混凝土高坝在低温条件下温控防裂关键技术，对处于在建的叶巴滩和处于前期设计的马吉、松塔、龙盘等高寒区混凝土坝低温施工和养护具有借鉴意义。

1 混凝土坝低温施工温控措施规定

我国现行规范[3-4]规定，日平均气温连续5d在5℃以下或最低气温连续5d在-3℃以下时，应按低温季节要求施工；温和地区低温季节混凝土施工宜采用蓄热法，严寒和寒冷地区预计日平均气温在-10℃以上时，可采用蓄热法；预计日平均气温在-10℃以下时，可采用综合蓄热法等；日平均气温在-20℃以下时不宜施工。寒冷地区施工部位宜相对集中，不宜分散。已浇筑的、有保温要求的混凝土，应采取抗冻保护或越冬保温措施。原材料的加热、输送、储存和混凝土的拌和、运输、浇筑等设备与设施，应根据热工计算和实际气候条件，确定加热、保温、防冻措施。混凝土宜采用热水拌和，混凝土拌和时间应通过试验适当延长，同时应控制、并及时调整混凝土出机口温度且不低于5℃。混凝土浇筑完毕后，外露表面应及时保温。混凝土结构孔洞应封堵和挡风保温，防止冷空气对流。模板外挂保温层应牢固，模板内贴保温材料抗压强度应满足混凝土表面不变形的要求。模板拆除前应确保混凝土强度大于抗冻临界强度，拆模后混凝土表面应满足保温防裂要求。不得在夜间和预计气温骤降时段内拆模。应对施工期混凝土温度控制全过程进行监测，监测内容主要包括原材料温度监测、混凝土温度监测、浇筑仓气温及保温层温度监测等。低温季节浇筑混凝土和养护混凝土时，外界气温、暖棚内气温、原材料温度、混凝土出机口温度及浇筑温度测温频率有严格规定。

2 低温防裂温控措施及经验、教训

2.1 温控措施

我国已建的藏木[7]、丰满[8-10]、喀腊塑克[11-12]、白石[13-14]、观音阁[15]、拉西瓦[16]等高寒区混凝土坝，在低温条件下温控措施主要为：

(1)控制原材料、混凝土生产过程和浇筑温度

冬季11月—翌年2月，叶巴滩、拉西瓦采用预热骨料、加热水拌和等措施提高混凝土出机口温度，混凝土运输设备加设保温措施，缩短混凝土运距，减少倒运次数，降低热量损失。叶巴滩大坝混凝土出机口温度不低于10℃，浇筑温度不低于5℃。拉西瓦浇筑混凝土温度为5℃～8℃，混凝土自出机口至仓面浇筑坯被覆盖前的时间宜小于210min。

(2)合理利用施工时段，优化冬季浇筑混凝土施工方法

冬季日平均气温低于-20℃时，施工设备和施工人员的生产效率均大大降低，施工保温和养护难度大，成本高，出现裂缝几率大大增加，因此喀腊塑克、丰满、白石、白山、奋斗等大坝冬季停止混凝土施工，尽量利用春季和秋季、夏季夜间的低温时段内多浇、快浇混凝土。

叶巴滩拱坝在11月上旬—翌年2月底采用蓄热法或暖棚法施工。拉西瓦拱坝冬季混凝土浇筑，尽量避开夜间低气温时段开盘浇筑混凝土，12—1月采用暖棚法施工，10月下旬—11月和2—3月底采用综合蓄热法施工。综合蓄热法混凝土浇筑前，基面采用电热毯预热，浇筑过程中采用周边暖风加热，仓面保温覆盖。与常规的“暖棚法”相比，综合蓄热法更适合大型机械作业。冬季浇筑的混凝土适当推迟拆模时间，拆模时间为5～7d，并选在中午气温较高时段拆模，气温骤降期间禁止拆模，模板拆除后应立即覆盖保温材料，防止混凝土表面产生裂缝。

(3)严格控制浇筑层厚和间歇期

碾压混凝土在铺筑方式上宜优先选用连续均匀上升，使混凝土温度分布比较均匀，严禁在基础约束区范围内长期间歇。在满足碾压混凝土浇筑进度的同时，尽可能采用薄层、短间歇、均匀上升的施工工艺。薄层能充分散失水化热；短间歇能尽量减小寒潮的机会，但间歇时间太短又会妨碍水化热的散失。

丰满、藏木、奋斗、拉西瓦、叶巴滩在基础约束区浇筑层厚为1～1.5m，非约束区浇筑层厚小于3.0m，层间间歇期按5～7d控制，不超过10d。当下层混凝土龄期超过28d时，浇筑上层混凝土时应按基础约束区混凝土温控要求控制。

(4)控制内外温差，加强表面保护和养护

冬季需要采取多种综合措施对已经浇筑的混凝土表面进行临时保温和永久保温措施，越冬后首仓混凝土按强约束区要求浇筑，以便严格控制混凝土温差。部分混凝土大坝埋设水平越冬止水铜片。

丰满、喀腊塑克、布尔津山口、拉西瓦、冲乎尔、奋斗等混凝土坝上、下游面进行全年永久保温。丰满、喀腊塑克、布尔津山口上、下游面采用2mm厚的聚氨酯防渗涂层和黏贴8～10cm 厚的保温板进行永久保温，部分工程下游面还添加耐碱网格布或回填坡积物等进行保温。部分工程混凝土表面刷防腐面漆进行防渗，防止雨水或冰雪融水进入混凝土裂缝，影响混凝土耐久性。坝内孔洞结构(含廊道)应采取封堵进出口、表面挂帘保护等有效措施，防止空气对流。

由于高寒区寒潮频繁，丰满、喀腊塑克施工期间需要对大坝的裸露表面及浇筑间歇层面采取2～3cm厚聚氨酯保温被或1层2cm厚棉被+1层三防布进行临时保温。丰满、喀腊塑克、布尔津山口、冲乎尔、奋斗等混凝土坝越冬面采取一层塑料薄膜+8～10cm厚的保温被或板+一层三防帆布进行保温。布尔津山口在保温被之上再铺设15cm厚的棉被，在越冬层浇筑面上埋设止水铜片。观音阁坝基混凝土越冬采取蓄水保温，蓄水深度2～3m，降低了越冬保温投资。

当外界气温高于或等于越冬顶面混凝土温度时，可消除揭开时空气“冷击”产生的不利影响。根据温控理论计算，结合现场实际气温与混凝土表面实测温度，最终确定越冬保温层完全揭开时机。保温被一般在次年3月底或4月初，保温被一般需分多次逐步揭除，当越冬面混凝土温度与日平均气温温差小于3℃，可把保温被完全揭开。喀腊塑克越冬保温被分7次逐步揭开。

(5)合理进行坝体分缝，控制接缝灌浆温度

为了降低混凝土温控措施的压力，同时保证结构功能要求，应合理进行坝体分缝。横缝间距宜为15～25m，岸坡段由于侧向稳定，横缝间距稍大。横缝一般为垂直平面分缝，但在岸坡段有时设置“斜缝”。叶巴滩大坝两岸建基面岸坡角大于45°的部位，横缝采用“斜缝”，避免在浇筑过程中出现不规则的细长尖角，对浇筑块的温控防裂及施工带来不利影响。

常态混凝土坝顺河向长度超过40m时宜设置纵缝，纵缝间距宜为15～30m。混凝土重力坝顺水流向长度长，通常设置纵缝；拱坝顺水流向长度较短，通常不设置纵缝。

为了降低越冬温度应力，喀腊塑克、白石混凝土重力坝水平越冬层面设置一道铜止水，止水两端与横缝止水焊接。白石挡水坝上、下游面中部高程附近分别设置一条水平预留缝，缝深分别为1m和3m，上游缝内设两道水平止水。

有接缝灌浆要求的坝体，应选典型坝段进行接缝灌浆温度分区设计，并提出全坝的接缝灌浆温度。高寒区混凝土坝地处严寒地区，坝体稳定温度场较低，接缝温度相应较低。丰满、叶巴滩、拉西瓦混凝土坝坝体稳定温度为4～11℃，接缝灌浆温度为5～10℃。

(6)加强温度监测和天气预报，优化施工组织安排

低温季节各混凝土坝加强温度监测项目内容和频次，并及时分析温度监测资料，如发现温度监测结果不符合技术要求，应及时采取处理措施。

密切注视气象预报工作，确保在气温骤降前对各部位混凝土做好保温工作，特别是加强重要部位混凝土表面保温，在寒潮期间不开盘浇筑混凝土。

2.2 温控效果及经验、教训

丰满混凝土坝[8-10]厂房坝段上游面2016年8月底共发现8条裂缝；2017年厂房坝段常态混凝土施工部位共发现27条裂缝；2018年9月份在保温施工前，溢流坝段溢流面共发现15条裂缝。厂房坝段218m高程层面裂缝产生的主要原因为：碾压混凝土与常态混凝土分界面层间间歇时间过长、上下层温差过大、碾压混凝土与常态混凝土分界面存在局部振捣不完善、材料特性差异较大。

喀腊塑克混凝土坝[11-12]在固结灌浆施工过程中,主河床29#、30#坝段上游坝块产生贯穿上游二级配防渗区的竖向及水平向裂缝，裂缝部位常年处在库水位下。由于2007年5月20—23日连续4d降温11.3℃，降温期间因固结灌浆的干扰,未覆盖保温被，31#坝段固结灌浆盖板上游二级配区表面出现12cm左右的表面裂缝。2007年7月底气温骤降，36#坝段坝基固结灌浆盖板纵向桩号0+52.00附近及0+70.00附近出现两条平行坝轴线的裂缝，2007年8月下旬裂缝深度超过2m。

白石混凝土坝[13-14]于1996年冬季浇筑的17#～26#坝段、距坝轴线15～20m的基础约束区和廊道齿槽开挖坡角与坝基岩面接触的突变部位、18#～22#坝段断层边缘出现裂缝。这些裂缝说明了，应该合理安排施工时段，基础垫层混凝土浇筑时间宜安排在春季, 至少在入冬前浇筑完成,使基础垫层混凝土浇筑厚度超过基础强约束区,增大基础垫层混凝土抵抗产生裂缝的能力；建基面开挖应尽可能平顺,齿槽坡度宜不陡于1∶4；做好保温措施，控制混凝土表面内外温差。

观音阁大坝[15]上游坝面有裂缝53条, 除2条裂缝外,其余均为水平施工缝，缝长大小不等, 缝宽0.2～3mm,最大缝深达6.0m；下游坝面裂缝79条, 其中水平缝60条,竖缝19条；坝内裂缝共计194条,经研究不需处理的38条,需处理的156条；BL13、BL14坝段放水底孔产生的11条裂缝, 其中1条成“口”字型。观音阁大坝共计产生了326条裂缝，应处理的裂缝288条，裂缝数量多，裂缝严重，说明了观音阁浇筑温度偏高，冬季施工间隔期过长。

拉西瓦大坝[16]上游坝面向下游发展的劈头裂缝有1条，裂缝基本平行于坝横缝，且没有与廊道相贯穿；缝宽大于0.5mm、缝深3.0m

丰满混凝土坝[8-10]2015、2016、2017年越冬面混凝土裂缝分别发现15、26、8条。裂缝宽度在0.2～1.3mm之间，裂缝深度在0.6～3.9m之间，裂缝多以横河向为主，跨1个坝段至几个坝段不等，最长达88.3m，发生在14#～18#坝段2015年越冬层面上。白石混凝土坝[13-14]1998、1999、2000年越冬面裂缝分别发现22、18、12条，裂缝分布在底孔内面、坝体上游面、闸墩等部位。观音阁混凝土坝[15]上游坝面在1991—1994年3个越冬结合面上共发现51条裂缝，缝长大小不等, 缝宽0.2～3mm，最大缝深达6.0m。以上越冬面裂缝说明了大坝越冬面采取永久保温和临时保温的重要性。

3 国外高寒区混凝土坝温控措施

前苏联大部分地区气候寒冷，年均气温有半年以上是冬季，所以一直提倡全年施工。早在1929—1932年建设德聂泊水电站[17]时，冬季混凝土施工量就占总混凝土施工量的16%左右，主要采用暖棚法施工，仅仅在最后一年冬季，以试验的方式用蓄热法浇筑混凝土。此后在古比雪夫水利枢纽、斯大林格勒水利枢纽、科霍夫水电站以及卡姆河水电站的冬季施工中，当天气没有达到严寒且无风的条件下，对无金属预埋件的混凝土采用露天蓄热法浇筑。当外界气温低于-10℃时，在暖篷内浇筑混凝土，并在暖棚内养护2～3d，同时对混凝土表面进行覆盖。

1956年施工的布赫塔明斯克水电站[1]早期采用了蓄热法施工，混凝土约束区出现开裂现象，之后采用活动暖棚，才解决约束区混凝土裂缝问题。1958—1959年修建的布拉兹克水电站施工中，只有当外界气温低于-40℃时才停止混凝土浇筑，自10月1日至次年4月末不得拆模，但是在施工过程中依旧产生了大量裂缝。前苏联部分水电站混凝土冬季浇筑施工方法详见表1[17-18]。

表1 前苏联部分水电站混凝土冬季浇筑施工方法

美、加、日三国[1,18]广泛采用热风机加热骨料和充气暖棚保温措施的冬季施工方法。暖棚内温度可达20 ℃，适合混凝土养护。

4 国内外低温温控措施对比分析

前苏联、欧美、日等国建设混凝土坝的历史比我国早，较早提出了综合、完整的低温温控措施，值得我们借鉴。

随着我国近几十年来大坝建设发展，我国结合国外混凝土坝低温温控经验基础上，研究提出了更为完善、系统的温控措施。现行规范的低温温控措施主要包括低温施工保温措施和越冬面保温措施。低温施工温控措施包括原材料温度加热、生产混凝土保温，控制浇筑温度、混凝土临时保温，模板拆除时段选择、温度监测、气象预报和施工组织等措施；越冬面保温措施包括大坝上下游面永久保温、横缝侧立面、顶面和孔洞的越冬面临时保温等措施。

我国现行规范规定日平均气温在5℃～20℃区间采用蓄热法或综合蓄热法施工，日平均气温在-20℃以下不宜进行施工。由于冬季浇筑混凝土生产效率低下，施工保温措施代价大，冬季混凝土出现裂缝几率大，且加热过程引起安全生产事故风险高，因此目前我国国内大部分高寒地区混凝土坝冬季日平均气温-10℃以下停工，目前高寒地区混凝土坝只有少量工程采取特殊施工方法在冬季继续混凝土浇筑，如白山大坝采用装配式暖棚法，拉西瓦、叶巴滩采取综合加热措施。我国高寒地区混凝土坝在冬季工作重点是对已浇筑混凝土进行永久保温和越冬面临时保温。

5 高寒区混凝土坝低温防裂温控关键技术

由于混凝土内部水化热演变是一个缓慢、长期的过程，而高寒区低温时期日平均气温低，日温差大，混凝土表面内外有温差，因此各高寒区混凝土坝低温时期主要围绕提高混凝土早期抗拉强度和降低混凝土后期内外温差两方面采取一系列综合温控措施。加热骨料、热水拌和混凝土、提高混凝土生产温度和混凝土浇筑温度、加热法养护混凝土，主要目的是提高混凝土早期抗拉强度和抗裂能力；混凝土临时保温、永久保温和混凝土约束区浇筑时机选择，主要目的是降低混凝土内外层、上下层之间的温差和拉应力。高寒区混凝土坝低温浇筑和养护，需要结合当地气象条件、地形地质条件、混凝土坝温度应力特性和施工组织安排等因素，进行技术经济综合分析，确定合理的温控措施，严格执行温控措施管理规定，才能建设成为无裂坝。