三河口碾压混凝土拱坝温控设计与实践

王家明，郭 恒，燕军乐

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710010)

1 概述

三河口水利枢纽位于汉江支流子午河峡谷段，枢纽包括水库工程、电站工程、泵站工程及坝后连接洞。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高为141.5 m，水库总库容为7.1亿m3。

三河口拱坝具有“一高一长一大”的特点，是继万家口子碾压混凝土拱坝后国内第二高碾压混凝土拱坝；坝顶轴线弧长为472.15 m，是目前已建碾压混凝土拱坝中弧长最长的；坝体混凝土总量为110万m3，同样处于国内领先地位。但是，这些因素叠加起来，却对大坝温控设计及施工带来很大困难。为此，工程人员对三河口碾压混凝土拱坝进行了大量的研究[1-3]，通过三维有限元模拟提出了大坝施工期的温控指标，并对浇筑温度和通水冷却等进行分析计算。但这些研究未能系统地总结三河口碾压混凝土拱坝温控方面的技术成果。鉴于此，本文结合现场监测数据，详细总结了三河口碾压混凝土拱坝的温控设计、现场施工和动态监测等方面的温控技术经验，研究成果可供工程人员参考借鉴。

2 碾压混凝土配合比设计

混凝土配合比设计是碾压混凝土坝体温控防裂的首要问题。崔进[4]统计了国内碾压混凝土拱坝坝体混凝土配合比指标，指出坝体内部三级配碾压混凝土水胶比控制为0.47～0.55，二级配防渗区为0.42～0.50。人工骨料三级配碾压混凝土砂率为32%～34%，二级配砂率为36%～38%。三级配碾压混凝土粉煤灰掺和料掺量为50%～60%，二级配为50%～55%。

三河口拱坝碾压混凝土包括坝体内部C25三级配混凝土和上下游防渗区C25二级配混凝土，按照设计要求(强度等级、级配、抗渗等级、抗冻等级、密度和极限拉伸值等)，在现场完成了碾压混凝土配合比试验，最终确定了碾压混凝土配合比参数(见表1)，对应的碾压混凝土热、力学参数见表2～表3。

表1 碾压混凝土配合比参数

表2 碾压混凝土热学参数

表3 碾压混凝土力学参数

2 坝体结构分缝设计

一般而言，碾压混凝土拱坝一般每40～80 m设置1条横缝(或诱导缝)。考虑到三河口坝址区河道较宽，拱坝坝轴线长度超过了400 m，坝体分缝问题需详细研究。经调研，国内已建的碾压混凝土拱坝中，坝顶弧长超过400 m的有3座：万家口子、善泥坡和白莲崖大坝[5-7]。其中万家口子拱坝最大分缝段长度为82.96 m，善泥坡拱坝最大分缝段长度为48.30 m，白莲崖拱坝最大分缝段长度为49.00 m。三河口拱坝结构设计时，为尽量减少分缝，在初步设计阶段只设置了4条横缝和4条诱导缝(见图1)，其中表孔坝段全长为85.9 m，但经三维有限元温度及温度应力仿真计算，表孔坝段下游靠近坝基区域温度应力超过了允许值，不能满足设计要求。为此，设计人员在表孔坝段增设1条横缝(见图2)，将坝段分缝长度控制在50 m以内，经计算，温度和应力指标均满足设计要求。

图2 三河口拱坝坝体分缝示意

3 温度控制标准

1) 基础容许温差

《碾压混凝土坝设计规范》[8]指出，碾压混凝土坝的基础容许温差值需根据工程的具体条件经温度控制设计后确定。三河口拱坝浇筑块边长为40～50 m，经分析并结合朱柏芳[9]给出的建议值范围，碾压混凝土的基础容许温差控制见表4。

表4 三河口拱坝碾压混凝土基础容许温差

2) 最高温度

根据基础容许温差标准，结合三维有限元温度及温度应力仿真计算结果，三河口拱坝碾压混凝土最高温度控制指标见表5。

表5 坝体最高温度控制指标

3) 内外温差

混凝土坝出现的裂缝绝大部分是表面裂缝，表面裂缝产生的主要原因是内外温差过大。因此，控制内外温差是防止混凝土表面裂缝的关键。《混凝土拱坝设计规范》[10]指出，一般工程内外温差可按照15℃～25℃控制。根据三河口拱坝仿真计算结果，碾压混凝土内外温差不宜超过16.5℃。

4) 上下层新老混凝土温差

碾压混凝土坝施工，通仓浇筑面积大，工序复杂，1仓混凝土浇筑完后，需等待较长时间才能进行第2仓混凝土浇筑，此时，由于下层老混凝土已处于温降过程，而新浇筑混凝土处于温升阶段，可能产生较大的新老混凝土温差，导致层间结合产生裂缝。为保证新老混凝土层间结合质量，三河口拱坝的碾压混凝土上、下层温差不宜大于17℃。

4 温控措施

4.1 浇筑温度

根据三河口拱坝不同区最高温度要求，结合大坝浇筑方案，采用仿真计算对不同浇筑温度进行对比分析，确定浇筑温度。计算结果见表6。

表6 三河口拱坝碾压混凝土各月浇筑温度 ℃

按照设计要求的混凝土浇筑温度，现场对混凝土浇筑前采取了相应的温控措施。

1) 控制出机口温度

现场混凝土制备中，设计要求碾压混凝土出机口温度控制在12℃以内。而现场试验表明，碾压混凝土自然拌和条件下，11月—次年2月碾压混凝土出机口温度均低于12℃，其他月份均高于12℃。为此，通过采取加制冷水和冰屑、粗骨料二次风冷的措施可将各月出机口温度控制在12℃以内(见表7)。

表7 三河口拱坝碾压混凝土混凝土出机口温度 ℃

2) 控制预冷混凝土温度回升

混凝土出拌合站后，经过运输、入仓、摊铺、碾压等工序，在此过程中，必须严格控制混凝土温度回升。三河口碾压混凝土采用自卸汽车和胶带机运输入仓，通过遮阳措施在高温季节控制混凝土运输过程温度回升。入仓后，采取喷雾保温措施[11]，在仓面上空形成1层雾状隔热层，减少在浇筑过程日照强度，雾滴水分蒸发降低仓面环境温度和降低混凝土浇筑温度回升。

4.2 通水冷却

三河口拱坝采取预埋冷却水管进行通水冷却。按照设计要求，冷却水管采用金属管或可弯曲的塑料管，其导热系数λ≥1.0 kJ/(m·h·℃)，单根水管的长度不大于250 m。冷却水管按蛇形布置，间排距见表8。

表8 三河口拱坝碾压混凝土冷却水管布置

通水冷却分为3个阶段：初期冷却要求通水水温为18℃，通水时间不超过20 d，初期冷却混凝土日降温幅度不超过1.0℃。中期冷却为每年9—10月，9月份通水水温为18℃，10月份通水水温为14℃，要求混凝土内部温度冷却至20℃。后期冷却为拱坝接缝灌浆前30 d进行，通水温度为8.0℃，要求坝体混凝土内部温度冷却至封拱灌浆温度12℃～15℃。

施工过程中，三河口拱坝配备了3台ACW3840冷水机组，每台冷水机组控制高度为50 m，同时采用移动式冷水站对出水进行循环利用。为达到混凝土温控标准，高温季节新浇混凝土初期通水水温控制在10℃左右，低温季节新浇混凝土采用天然河水通水冷却，通水时间为15 d。10月初对高温季节浇筑混凝土进行中期冷却，采用天然河水冷却30 d。后期冷却通水水温控制在6℃～8℃，通水时间为30 d。

4.3 混凝土表面保护

三河口拱坝地处秦岭南麓，月平均气温最高为23.8℃，最低为1.9℃。结合坝址气候条件及施工情况[12-13]，工程人员对混凝土表面进行了保温保湿养护。

1) 表面养护

设计要求，混凝土在浇筑过程中应采取措施保持仓面湿润，对混凝土永久暴露面养护时间不少于 28 d。现场施工中，针对高温季节浇筑的混凝土，仓面在终凝后开始采用自动喷淋系统喷水养护，直至上层混凝土开始浇筑为止。上、下游坝面采用花管长流水挂壁持续养护28 d。

2) 表面保温

设计要求，大坝仓面采取临时保温，上、下游坝面采取全年保温，保温后的混凝土表面等效放热系数β≤5.0 kJ/(m·h·℃)。现场施工中，大坝仓面采用3 cm厚的聚乙烯保温卷材外套塑料防雨布进行保温，上、下游坝面采用3～4 cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板进行全年保温。

5 温度监测

为了掌握施工中碾压混凝土的温度变化情况，及时调整温控措施，达到混凝土防裂要求，三河口拱坝在施工期间沿坝轴线方向布设5个温度监测横断面，每个监测断面上，沿高程方向每隔15 m水平布置2～4支温度计。本文选取了高程EL527 m、EL545 m、EL560 m和EL574 m共48支温度计的监测数据，并对数据进行总结分析。

1) 最高温度

选取的4个高程切面均处于非约束区，其中EL.527 m和EL.574 m为高温季节浇筑的混凝土，高程EL.545 m和EL.560 m均为低温季节浇筑的混凝土。4个高程的不同位置最高温度监测统计见表9～表12。

由表9～表12可知，高温季节浇筑的高程EL.527 m和EL.574 m处的温度计最高温度分别为42.2℃和33.4℃。低温季节浇筑的高程EL.545 m和EL.560 m处的温度计最高温度分别为27.9℃和28.1℃。从最高温度分布规律来看，高温季节浇筑的混凝土(EL.527 m 和EL.574 m)的最高温度较高。从最高温度分布位置来看，最高温度集中出现在距离坝体表面2 m的位置；从最高温度出现时间来看，最高温度多出现在4～7 d。

表9 EL.527 m不同位置最高温度监测统计

表10 EL.545 m不同位置最高温度监测统计

表11 EL.560 m不同位置最高温度监测统计

表12 EL.574 m不同位置最高温度监测统计

从最高温度监测数据来看，高程EL.527 m的坝内混凝土温度很难满足温控设计要求。通过原因排查和数据分析，导致混凝土温度较高的主要原因是浇筑过程冷水机组和喷雾设施出现了故障。通过更换设备后，高程EL.545 m、EL.560 m和EL.574 m浇筑的混凝土最高温度均能满足设计要求。

2) 通水冷却

本文选取了初期通水冷却的温度监测数据进行分析。设计要求初期冷却通水通水时间不超过20 d，混凝土日降温幅度不超过1.0℃。施工期3个高程不同位置混凝土降温速率变化情况详见表13～表15。

表13 EL.527 m不同位置初期通水冷却监测数据

表14 EL.545 m不同位置初期通水冷却监测数据

表15 EL.560 m不同位置初期通水冷却监测数据

由表13～表15可知，初期冷却通水后，坝体温度逐渐降低，降温幅度为0.9℃～11.4℃，所测点位的降温速率为0.27～0.73℃/d，均在1℃/d以内，表明初期通水冷却能够满足设计要求，不用调整温控措施。

6 结语

本文对三河口碾压混凝土拱坝的温控设计方案及施工期温度监测数据进行了分析总结：①混凝土的温控防裂宜从初期坝体结构设计时着手考虑，通过三维有限元模型模拟拱坝施工过程中的温度场及温度应力场，找出混凝土容易出现裂缝的薄弱区，通过调整结构尺寸和温控方案进行设计优化。②施工期的温度监测至关重要。测点数据能实时反映坝内混凝土的温度变化情况，便于工程人员及时发现温控设计方案的不足和施工过程中暴露的问题，随时调整施工方案，保证碾压混凝土的温度处于受控状态。