雅砻江杨房沟水电站拱坝混凝土温控防裂设计研究

郭传科 刘西军 殷亮 黄熠辉

摘要：针对雅砻江杨房沟水电站拱坝混凝土温控防裂，根据坝址气候条件、拱坝结构特征、混凝土施工条件、混凝土材料特性等基本参数，分析了拱坝温控设计的气温、水温边界条件，提出了温度控制标准，并研究了温控防裂措施。通过对拱坝混凝土施工期温度控制仿真计算，分析了拱坝混凝土从浇筑至拱坝封拱后的温度场、温度应力状态及变化历程，评价了拱坝混凝土各时期的抗裂安全状态，推荐了温控措施综合方案。研究结果可为拱坝混凝土温控设计、施工提供参考。

关键词：拱坝;混凝土;温控;防裂;雅砻江;杨房沟水电站

中图法分类号：TV642.4文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.006

文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0031 - 04

1 工程背景

杨房沟水电站是我国首座采用EPC总承包模式建设的百万千瓦级大型水电工程。工程位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段，控制流域面积8.088万km2，多年平均流量896 m3/s，年径流量282.76亿m3。杨房沟水电站工程的开发任务为发电。水库总库容为5.125亿m3，正常蓄水位2 094 m。电站总装机容量为150万kW，保证出力52.33万kW，多年平均发电量为68.557億kW·h。杨房沟水电站为I等工程，工程规模为大（1）型。枢纽主要建筑物由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝高155 m;泄洪消能建筑物由坝身表孔+中孔+坝后水垫塘及二道坝组成，结构复杂。引水发电系统布置于河道左岸山体内，地下厂房采用首部开发方式，尾水洞出口布置在杨房沟沟口上游侧[1]。

杨房沟水电站大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 102 m，坝高155 m。拱冠梁顶厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206;最大拱端厚度34.96 m，最大中心角87.01°。坝顶中心线弧长362.17 m，弧高比2.34，共分为18个坝段。杨房沟水电站拱坝坝体混凝土约80.22万m3，方量巨大，混凝土温控防裂要求高。

裂缝是长期困扰混凝土坝安全的难题之一。大坝裂缝会降低大坝的整体性与耐久性，裂缝处理还会耽误工期，严重的裂缝甚至影响大坝安全。虽然我国已成为混凝土高坝建设大国，但仍面临“无坝不裂”的困局，西南某拱坝还曾出现了大规模的温度裂缝[2-4]。因此，研究杨房沟水电站拱坝混凝土的温控特点，并提出合理的温控标准与温控措施，对于保证混凝土质量与大坝结构安全意义重大。

2 气象特征

雅砻江流域地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候区，主要受高空西风环流和西南季风影响，干、湿季分明。流域内多年平均气温-4.9 ℃～19.7 ℃。杨房沟水电站坝址区每年11月至次年3月为旱季，旱季降水少、日照多、湿度小、日温差大;4～10月为雨季，降雨量约占全年的97%以上，雨季气温高、湿度大、日照少、日温差小。

基于坝址气候特征，杨房沟水电站拱坝混凝土温控主要有以下特点：

（1） 坝区夏季温度较高，混凝土浇筑需要采取骨料预冷、水管冷却等措施，才能控制混凝土的温度不超标。冬季月平均气温7.9 ℃～12.0 ℃，混凝土入仓温度低、散热条件好，因此冬季浇筑有助于防止危害性裂缝的发生。

（2） 气温日变幅大及气温骤降是混凝土产生表面裂缝的重要原因[5]，杨房沟水电站坝址区年平均气温骤降情况频发，混凝土表面防裂问题突出。

（3） 坝址区干湿季节变化分明。冬季干燥、日照多、温差大，需要加强混凝土养护，防止混凝土干裂;夏季气温高、多雨，需要做好混凝土雨季浇筑的仓面降温及防水工作。

3 混凝土材料特性

拱坝坝体采用两种不同强度等级的混凝土，分别为 C9030、 C9025。混凝土采用42.5 MPa中热水泥、宣威Ⅰ级粉煤灰、花岗闪长岩骨料，混凝土材料参数如表1所示。表1中，t为龄期，d。

4 温度控制标准

4.1 稳定温度场

拱坝稳定温度场是指坝体运行期最终的平均温度场。拱坝建成水库蓄水后，坝体年平均温度逐渐趋于稳定。采用有限元法对拱冠梁剖面坝体及基岩进行计算分析，确定其稳定温度场，计算结果见图1。

4.2 温度控制标准

根据拱坝的稳定温度场，采取适度低温封拱，封拱温度可采用12 ℃～15 ℃，自下而上沿高程分布，基础容许温差控制标准见表2，内外温差控制标准为17℃。由拱坝的封拱温度加基础容许温差，并参考工程经验，确定混凝土施工期最高温度控制标准为：基础强约束区不超过29 ℃、基础弱约束区不超过31 ℃、自由区不超过33 ℃（表3）。冬季低温月份考虑内外温差的控制，最高温度适当降低。

5 混凝土温控防裂措施研究

5.1 浇筑温度选择

混凝土浇筑温度是指混凝土经过平仓振捣后，覆盖上层混凝土前，在距混凝土5～10 cm深处的温度。浇筑温度是控制混凝土最高温度的关键因素之一。结合杨房沟水电站坝址气候条件，根据其他工程经验，拟定不同浇筑温度方案，经过仿真计算，可分析不同浇筑温度时大坝的最高温度及应力状态，以6，10号坝段分别代表陡坡坝段、河床坝段[6-7]，不同浇筑温度时的坝体温控计算结果见表4。

由表4分析可知，浇筑温度增加2.0 ℃后，最高温度增加约1.1 ℃～1.4 ℃，约束区最大应力增加约0.1 MPa，安全系数有所降低，符合一般规律。根据计算成果，结合工程规模与施工条件，大坝基础约束区浇筑温度可采用15 ℃～17 ℃，自由区不超过19 ℃。

5.2 水管冷却措施研究

混凝土坝施工一般要求连续、有序地进行，以充分利用混凝土的强度和徐变发展，即在混凝土缓慢降温期间，在一定的施工时段，将逐步积累的温度应力在混凝土徐变过程中逐步释放。随着混凝土筑坝技术的发展和对混凝土温控认识的进步，对于高混凝土坝，冷却分期需采用“小温差、早冷却、缓慢冷却”的方式[8]，即在早龄期开始冷却，一期冷却与二期冷却可连接起来，并提前进行二期冷却，采用连续冷却延长总冷却时间，使水温由高到低逐步降低。由于采用小温差、延长冷却时间，徐变可充分发挥，显著减小温度应力。具体操作如下。

大坝水管冷却分3期进行[9-10]，一期冷却在浇筑混凝土时即开始，主要目的是削减水化热温升，降低混凝土最高温度;中期冷却在一期冷却结束后开始，以控温为主，主要目的是防止一期冷却结束后混凝土温度快速回升，避免加大二期冷却的降温差;二期冷却在封拱灌浆开始，以将混凝土温度降低至封拱温度。

（1）水管间距敏感性分析。为了采用合理的冷却水管布置方案，分别计算了几种水管间距方案的混凝土温度控制和应力情况，成果见表5。冷却水温按10 ℃，冷却水管间距每加密0.5 m，混凝土的最高温度相应可减小1.0 ℃～1.5 ℃。冷却水管间距采用1.5 m×1.5 m时，抗裂安全系数达到1.80，而增大水管间距至1.5 m×2.0 m时，应力增大至1.75 MPa，安全系数明显降低。

（2）冷却水温敏感性分析。选用合适的冷却水温，既能达到冷却效果，又能降低温控费用、提高通水冷却经济性。冷却水管间距采用1.5 m×1.5 m时，分别采用10 ℃、12 ℃、15 ℃几个水温方案，研究不同冷却水温时坝体混凝土的最高温度及应力情况，计算结果见表6。结果表明，一期冷却水温每降低1.0 ℃，最高温度可降低约0.2 ℃。一期冷却水温采用10 ℃时抗裂安全系数最高，为1.80，采用12 ℃时抗裂安全系数为1.78，采用15 ℃时抗裂安全系数为1.73，建议一期冷却水温采用10 ℃。

（3）中期冷却目标温度敏感性分析。由于混凝土降温产生的拉应力直接与温度降幅、降温速率相关，为研究3个降温阶段合理的降温幅度，拟定几种不同的中期冷却温度目标温度，计算各方案的混凝土拉应力状态与抗裂安全性，分析中期冷却目标温度的敏感性。由于二期冷却末期是混凝土拉应力水平最高、安全系数最小的时期，故重点分析二期冷却末期混凝土的应力情况，计算结果见表7。中期冷却目标温度不同，导致的二期冷却降温幅度每增加1 ℃，二期冷却末期的拉应力就会增大约0.05 MPa。推荐基础强约束区目标温度采用20 ℃，弱约束区和自由区目标温度采用22 ℃。

5.3 混凝土温度场温度应力仿真分析

分析各温控措施组合情况下大坝混凝土的温控状态。对典型坝段进行施工期全过程仿真计算分析[6-7]。计算采用中国水利水电科学研究院开发的程序SAPTIS[10]，三维有限元模型见图2。

经仿真计算，基础强约束区、弱约束区、自由区的最大顺河向应力分别为1.36，0.94，1.28 MPa，均发生在该部位二期冷却到封拱温度时，抗裂安全系数分别为2.24，3.23，2.20。大坝表面最大轴向应力1.38 MPa，安全系数为2.20，均满足混凝土抗裂要求。

6 结 语

杨房沟水电站为我国首座采用EPC总承包模式建设的百万千瓦级大型水电工程，高拱坝混凝土温控防裂要求高，经温控计算研究，大坝混凝土最高温度采用如下标准较为合适（分高温、低温季节）：强约束区按27℃～29 ℃、弱约束区按27 ℃～32 ℃、自由区按27℃～33 ℃控制。推荐温控措施主要有：控制混凝土浇筑温度为15 ℃～19 ℃;水管分三期通水冷却，水管间距1.5 m×1.5 m，并加强混凝土养护与表面保护。经仿真计算分析，混凝土具有较高的抗裂安全系数，满足抗裂设计要求。

参考文献：

[1] 徐建军，殷亮. 杨房沟水电站枢纽布置设计及主要工程技术[J]. 人民长江，2018，49（24）：49-54.

[2] 刘毅，张国新. 混凝土坝温控防裂要点的探讨[J]. 水利水电技术，2014（1）：77-83.

[3] 马洪琪.  小湾水电站建设中的几个技术难题[J]. 水力发电，2009，35（9）：17-21.

[4] 张国新，刘有志，刘毅，等.  特高拱坝施工期裂缝成因分析与温控防裂措施讨论[J]. 水力发电学报，2010，29（5）：45-51.

[5] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京：中国电力出版社，1999.

[6] 华东勘测设计研究院. 杨房沟水电站可行性研究阶段坝体混凝土温控防裂专题报告[R].  杭州：华东勘测设计研究院，2012.

[7] 中国水利水电科学研究院. 楊房沟水电站可行性研究阶段大坝施工期、运行期混凝土温控研究[R].  北京：中国水利水电科学研究院，2011.

[8] 朱伯芳.  小温差早冷却缓慢冷却是混凝土坝水管冷却的新方向[J]. 水利水电技术，2009，40（1）：44-50.

[9] 张国新，刘毅，李松辉，等. “九三一”温度控制模式的研究与实践[J]. 水力发电学报，2014（2）：179-184.

[10] 张国新. SAPTIS：结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用（之一）[J]. 水利水电技术，2013（1）：31-35.

（编辑：李 慧）