严寒地区拱坝温控防裂研究和实践

卢冰华

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

混凝土拱坝一般较薄，对环境温度的变化比较敏感，坝内温度变化和内外温差比较大，温控防裂是混凝土拱坝施工中的关键技术之一，控制不当，将会直接产生危害性裂缝[1]。本工程地处高寒地区，气候条件恶劣，温控防裂难度很大，应根据坝址气温、水温、地温等自然条件，制定合理的温度控制标准及温控防裂措施[2]。在坝体混凝土浇筑初期进行一期冷却以削减混凝土内部最高温度，对混凝土龄期满足要求的混凝土进行中期冷却，使坝体温度继续降低，削减混凝土内外温差，入冬前以及封拱灌浆前对当年浇筑的混凝土进行后期冷却，使坝体温度降至封拱温度，以便进行坝体封拱灌浆[2-4]。同时，对混凝土采用全龄期养护、全过程表面保温、三期冷却等综合措施有效防止坝体产生裂缝[5]。

1 工程概况

严寒地区某混凝土双曲拱坝，最大坝高94m。坝址区多年平均气温为5.0℃；极端最高气温39.4℃；极端最低气温-41.2℃；多年平均降水量为153.4mm；多年平均蒸发量为1619.5mm；多年平均风速3.7m/s；极端最大风速32.1m/s。其特征是：气候干燥，夏季炎热，冬季严寒，气温年较差悬殊，日较差明显，寒潮出现次数多，日温差大[6]。

2 基本资料

拱坝坝址区气象要素见表1，气温骤降详见表2。

表1 坝址区气温要素表 单位：℃

表2 坝址区气温骤降特征表

3 温控防裂措施

温度应力对拱坝安全影响非常显著，加之工程位于高维度严寒地区，气温日较差年较差均较大，给温控防裂和安全封拱带来极大的挑战。

采用典型坝段与全坝分析相结合的方式来进行仿真分析。即首先对典型坝段进行仿真分析，初步拟定温控方案，然后再对全拱坝进行仿真计算分析，研究施工期及运行期全拱坝的温度及应力变化规律，据此确定温控总体方案。

严寒地区混凝土高拱坝，在坝体冷却及封拱灌浆时机选择存在几个难点：①坝体混凝土多年平均温度6～8℃，设计封拱温度2～4℃，需解决降温过快带来应力超标问题；②设计封拱温度较低，采用人工制冷水无法实现；③混凝土冬季长间歇，当年浇筑的混凝土在年底无法实施封拱灌浆，影响坝体挡水。

针对上述问题进行专题研究。采用多期冷却有效地避免了温度下降过快产生过大的温度应力，大大减少了混凝土开裂的风险。封拱前的坝体冷却采用冬季低温河水，解决了人工制冷水无法将坝体温度降到4～6℃的难题。

在混凝土浇筑前，依据现场实际条件对大坝进行温控繁衍仿真计算，并对已浇坝段依据监测数据进行反馈分析，以指导和调整现场温控施工措施[7-8]。在大量计算分析的基础上，结合施工期温控仿真繁衍计算，并对温控措施进行敏感性分析，得出优化改进后的温控措施方案，针对关键坝段提出不季节合理可行的温控措施和温控梯度控制要求[9]。关键坝段施工期温度控制措施见表3。

表3 大坝主河床坝段混凝土施工期温控制措施

4 温控措施效果分析

大坝温度监测、应力监测、变形监测等数据显示，综合温控措施完全满足混凝土防裂要求。

4.1 坝体温度反馈分析

结合灌浆要求和温控需要，对重点坝段进行了温度和横缝开合度的监测，对施工期、蓄水期和运行期坝体内部及其边界温度分布和变化情况进行跟踪和反馈，同时，为施工期温控措施效果分析提供科学依据。重点坝段温度监测特征值见表4。

由表4可知，实测温度体现了混凝土浇筑以后在水化热作用下的升温和降温过程，这一过程也很好地反映了温控措施的作用。混凝土浇筑后，根据温控要求，进行了一期、中期和后期冷却，且混凝土日降温速度控制在每天0.5～1.0℃范围内，整体看通水冷却降温幅度控制较好，3个重点坝段日降温控制达标率为91.7%，部分超标，原因是一期冷却水采用天然河水，其水温无法控制。根据实测混凝土温度来看，一期冷却降温幅度满足设计要求，中期冷却后混凝土温度均在18℃以下，也满足设计要求。

表4 重点坝段温度特征值统计表

另外根据施工进度及封拱灌浆要求，对6#、9#、13#坝段满足一期灌浆和二期灌浆要求的灌区的坝体温度进行了统计，坝体平均温度与封拱温度对比见表5。

表5 6#、9#、13#坝段坝体平均温度与封拱温度对比表 单位：℃

由表6可知，一期灌浆时温度偏高，二期灌浆时因刚经历过一个冬天，封拱温度较一期明显降低，均满足设计要求，同时也说明后期冷却措施效果较好。

4.2 坝体横缝变形反馈分析

拱坝是整体受力，对坝体整体性要求较高[10]。根据坝体灌浆和封拱要求，对重点坝段进行了横缝灌浆前后开合度的监测，灌浆前后横缝开合度特征值见表6。

由表6可知，灌浆之前横缝随着温度的降低或升高发生张开或者闭合的变化，变形与温度的负相关性十分显著。灌浆以后则不然，虽然温度仍然发生着升降变化，横缝却从此进入稳定状态，不再发生开合变化，趋于稳定，说明缝隙两侧的坝体已经连接起来，成为一个连续的整体。

表6 灌浆前后横缝开合度特征值统计表

4.3 坝体接缝灌浆反馈分析

坝体接缝灌浆成果进行了统计，并对其进行钻孔取芯和压水试验。坝体接缝灌浆成果见表7。

表7 坝体接缝灌浆成果表

根据钻孔取芯检查孔，能看见明显的结石，结石的岩芯中，岩芯与混凝土之间胶结率达到100%，冲填率达100%，结石平均厚度3mm。说明灌浆质量效果较好。

5 结语

本工程在混凝土浇筑前，依据现场实际条件对大坝进行温控仿真计算，并对已浇坝段依据监测数据进行反馈分析，以指导和调整现场温控施工措施。采用多期冷却有效地避免了温度下降过快产生过大的温度应力，大大减少了混凝土开裂的风险。封拱前的坝体冷却采用冬季低温河水，解决了人工制冷水无法将坝体温度降到封拱温度的难题。大坝温度监测、应力监测、变形监测等数据显示，综合温控措施完全满足混凝土防裂要求。

本工程采用多期冷却及在冬季进行后期冷却并进行封拱灌浆的方法，解决了严寒地区混凝土拱坝顺利封拱挡水难题，创造了巨大的经济效益，为我国同类地区混凝土拱坝建设积累了经验，具有较强的借鉴意义。