简述高寒高海拔特殊气候条件下大坝碾压混凝土施工技术

特来提·艾尼瓦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉尔 843300)

1 概 述

混凝土坝裂缝长期以来是一种非常普遍的现象[1]，国内外许多专家学者致力于解决混凝土裂缝问题。施工过程中，完全防止裂缝的产生是很困难的，主要原因是缺乏对混凝土材料特性的深入了解、工程设计的安全裕度不足、成因机制不完善等[2]。因此，裂缝问题仍然是大坝建设中的一个关键问题。高海拔地区的基本气候特征是干燥的气候、显著的日温差和强烈的太阳辐射，在这些地区防止裂缝的形成比在温暖潮湿的低空地区修建混凝土坝更为困难。因此，本文采用三维有限元法，以新疆某混凝土重力坝为例，结合大坝一般裂缝形成机理和成因，通过方案的优化、比较、分析，选择科学、合理、操作性强的温控措施和方法，指导大坝设计和施工[3]。

2 研究区概况以及温控防裂难点

布仑口公格尔水电站地处海拔3 300 m的新疆帕米尔高原公格尔峰下，位于盖孜河流域，它是喀什噶尔河水系的第二大河。克孜勒苏柯尔克孜自治州所在的帕米尔高原是新疆南部的主要水源地之一，境内7条主要河流年平均径流超过140×108m3，是克州和喀什地区共同受益的综合利用水利水电工程。坝顶总长340 m，最大坝高117.0 m，坝基最大宽度99.8 m，坝段最大宽度32.5 m，大坝分为14个坝段。对重力坝资料的分析研究表明，重力坝具有以下特点和难点：材料性能对温度控制有不利影响；绝热温升高，热膨胀系数大。同时，重力坝的弹性模量和极限抗拉强度也没有优势。因此，该重力坝温控防裂难度较大。

3 温控防裂方案

在恶劣的环境条件和气候条件下，采用混凝土材料降低温度应力的主要方法是控制坝基温度、上层和下层温度、内外坝温度的差异。基于这3个方面，提出重力坝的整体温度控制概念：①根据强约束、弱约束和自由区，在空间高程方面制定温度控制标准和措施；②对地基温度差异的控制；加强强约束区；③加强温度梯度的控制；④降低浇注温度和最高温度；⑤有效保护表面保护。

此外，内外温差减小。根据这一概念，开发了4种温度控制方案，这些方案的区别主要体现在浇注温度和同时冷却区的高度上。

3.1 混凝土配合比及参数化模型

大坝混凝土配合比见表1，混凝土的热力学参数见表2。

表1 大坝混凝土配合比

表2 混凝土热力学参数

从表2中可以看出，混凝土的热膨胀系数偏大，对温控防裂有不利影响。绝热温升和弹性模量是两个最重要的热力学参数，式(1)和式(2)是进行模拟计算时使用的计算参数模型。

绝热温升模型：

(1)

弹性模量模型：

E(τ)=28.6×(1-e-0.33×τ0.334)

(2)

3.2 计算模型和边界条件

采用三维有限元法进行模拟计算，计算模型单元数为60 744个，节点数为71 049个，主要包括坝体本身和坝基下一定范围的基础。由于与气温或水温接触，混凝土表面的温度梯度较大，因此网格划分相对较细，内部网格较差，划分网格时采用空间六面体等参元。在计算温度场时，坝的上游和下游面是第三类边界；通过考虑局部温度和太阳辐射，将是蓄水后的第一类边界，即具有相应海拔的水库水温。作为实际基础无限大，应考虑基础模型的周围和底部是绝热边界，上表面是第三类边界条件，应考虑空气温度和太阳辐射。在进行计算时，结合工程实际情况，地基底部为三维约束，基础周围为正常约束，其他结构的边界面为自由变形面。三维有限元计算模型见图1，模型计算边界条件见图2。

图1 三维有限元计算模型

图2 计算模型的边界条件

3.3 温度控制措施的时间优化

为了优化温控措施，混凝土的温度变化主要应在混凝土硬化发展过程中或及时进行控制，使混凝土能够按照设定的温度变化过程进行开发。可采取保温措施，限制混凝土内外温度差，减少混凝土附近环境温度变化的影响。水管的措施可以降低内部温度，以限制地基温度、内部温度和外部温度的差异。冷却过程也可分为3个冷却阶段。每个相都有一个模水温、流速和冷却速率，以满足理想冷却过程的需要。从图3可以看出，混凝土的温度变化过程是严格控制的。分为3个阶段，每个阶段对目标温度和冷却速度有严格的要求，实现了混凝土的缓慢冷却，保证了随时间变化的较小温度梯度，防止裂缝的产生。

图3 混凝土温度变化的控制过程

3.4 大坝温控措施的空间优化

在空间优化温度控制措施中，混凝土的温度变化主要可控制在结构空间，特别是在基础约束区混凝土和高温季节浇筑的混凝土。控制限制了基础和上层、下层引起的约束，以降低温度应力：①降低基础约束区的浇注温度，冷却水管的加密，最高温度的控制，以及地基温度差的限制；②同时冷却区的设置和上下层温度下温差的降低。随着混凝土向高方向浇筑，通过控制各层的冷却方式，协调各层的冷却过程，进而控制高方向混凝土的温度梯度，降低混凝土之间的相互约束，最终，减少开裂的风险。

3.5 不同温控措施的效果比较

温度控制措施可以在时间上进行优化，产生效果显著。计算结果表明，在3级水管冷却条件下，混凝土的温度变化是稳定的，防止了混凝土早期应力随温度的快速下降而超标。此外，还可以避免随后由于显著的温度下降而引起的过度应力。考虑到第一阶段和中期的强烈冷却效果，第二阶段的冷却时间应适当延迟，防止最大应力的出现，以强调混凝土的蠕变效应，减少随后在该过程中经历的应力(从1.49 MPa到1.40 MPa)。同时，混凝土强度不断提高，相应地混凝土的安全系数也显著提高。见图4和图5。

图4 不同方案下典型特征点的温度/过程时间曲线

图5 不同方案下典型特征点的应力/过程时间曲线

温度控制措施可根据空间分布进行优化，显著降低应力。由计算结果(图5)可知，同时冷却区的最大高度为27 m，3个灌浆区可从中期冷却开始同时冷却。此外，由于上下灌浆区之间的温差较小，且同时变形，对混凝土的限制相对较小，最大应力达1.40 MPa。从二期冷却开始，同时冷却区的高度达到18 m，强约束区的最大应力增加至1.48 MPa。如果同时冷却区高度达到18 m，且从中期冷却开始温度下降，则最大应力为1.49 MPa。方案1和方案3明显优于方案2。

基于时空优化的温控措施，可以降低浇注温度，降低最高温度。因此，应在允许的工程条件下降低浇注温度，以有效地控制温度，防止裂缝的形成(方案1和方案2的比较)。

4 结 论

1)考虑到高海拔地区的基本气候特征，混凝土坝的温控防裂措施难以实施。此外，大坝的尺寸、体型和结构与其他大坝相似，但大坝混凝土的材料性质与其他大坝混凝土有很大不同。虽然弹性模量参数适中，但绝热温升和热膨胀系数较大，因此大坝混凝土的材料参数对抗裂措施不利。

2)根据研究结果，在施工过程中应按照“早保温、小温差、慢冷却”的原则进行温度控制，并在空间和时间上优化温控措施。基础温度、上层和下层温度以及内部和外部温度的差异也应减少。

3)智能供水系统有助于温度下降过程的合理化和优化。根据实时测得的温度，对所需流量进行反馈、计算、调整，方便自动干预冷却水供应，使温度得到有效控制。建议大坝在施工过程中采取智能化供水降温措施。