大江口水库除险加固工程碾压混凝土坝温控设计

熊剑明

（江西赣禹工程建设有限公司，南昌 330000）

0 引 言

温度荷载是碾压混凝土坝主要的荷载形式，大体积碾压混凝土早期温度升幅小，后期温度升幅大，达到高温所需时间以及高温持续时间均较长。其极限拉伸值略低于同标号常规混凝土，徐弹比仅为常规混凝土的30%～60%。碾压混凝土施工时一般不设横缝、大仓面薄层浇筑，虽然其水化热温升不高，但温度应力问题仍然存在。为全面了解水利工程碾压混凝土坝温度场及温度应力，文章依托具体水库工程应用ANSYS 有限元软件构建起其碾压混凝土坝仿真模型，并通过对大坝分层施工过程的模拟，研究混凝土材料热学力学特性、冷却水管通水降温、诱导缝布设等对坝体温度场和应力场的影响，为水利工程碾压混凝土坝温度控制提供借鉴。

1 工程背景

大江口水库除险加固工程位于湖南省娄底市，其碾压混凝土坝采用圬工双曲拱坝形式，坝高82m，坝顶高程842m，正常库容4188×104m³，集水面积102.2km2，正堰式溢洪道设置5 扇8×5.2m的钢板弧形闸门，泄洪流量最大可达1189m³/s。右坝肩因地形高程和工程地质条件的限制，增设40.2m 长的重力墩。坝体上下游均采用变态混凝土，中间则为防渗碾压混凝土，垫层、底孔、表孔等则采用常态混凝土。其中，碾压混凝土量为34×104m³，在混凝土总量中占72%。

2 计算模型

采用三维有限元法展开该水库除险加固工程碾压混凝土坝温度场及温度应力仿真计算，坝体左右岸、上下游和底部均延伸至坝高的1.5 倍，坐标原点选择拱冠梁剖面坝顶上游点；沿左右岸向为X 向，指向右岸为正；顺水流向为Y 向，向下游为正；坝高方向为Z 向，向上为正。模型共包括69731 个单元和81446 个节点。温度场计算时以地基底面、侧面和两岸坝肩侧面为绝热边界，以水位以上坝体上下游面为固气边界，以水位以下为固水边界[1]。应力场计算时地基底面按照固定约束处理，坝肩及地基左右岸、上下游侧面分别按照X 向、Y 向约束处理。

3 碾压混凝土坝温控设计

3.1 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温度控制的关键，结合相关研究成果及大江口水库除险加固工程实际，其坝体内部及上下游防渗区碾压混凝土分别为C25 三级配和C25 二级配，结合强度等级、抗冻等级、抗渗等级、极限拉伸及密度，展开现场试验，最终确定出的大坝碾压混凝土配合比如表1所示，热学及力学参数如表2 所示。

表1 大坝碾压混凝土配合比

表2 大坝碾压混凝土热学及力学参数

3.2 分缝设计

结合设计规范，碾压混凝土坝通常按照40～80m 设置横缝，由于大江口水库坝址区河道宽度较大，坝轴线长度超出400m，故不能简单按照设计规范要求分缝[2]。经过对国内已建坝顶弧长较长的碾压混凝土坝的分析，为尽量减少分缝，在初设阶段仅设置2 条横缝和5 条诱导缝，具体如图2所示。经有限元温度及应力仿真计算，表孔坝段下游温度和应力指标均符合设计。

图2 分缝设计

4 温度控制

4.1 温控要求

根据《碾压混凝土坝设计规范》，必须结合工程实际进行温度控制设计的基础上，进行此类混凝土坝基础允许温差值的确定。该水库碾压混凝土坝浇筑块长度在40～50m 范围内，结合规范，应按照表3 确定其基础允许温差值范围。结合允许温差值及温度应力仿真结果，该水库碾压混凝土坝最高温度应按表4 进行控制。

表3 基础允许温差值范围

表4 最高温度控制标准

水库碾压混凝土大坝裂缝主要为内外温差过大而引发的表面裂缝，所以，控制内外温差是避免混凝土坝表面裂缝的关键所在。根据设计规范，一般水库混凝土坝内外温差应不超出15～25℃，结合对大江口水库碾压混凝土坝仿真计算结果，其坝体内外温差应不超出16.5℃。

该碾压混凝土坝施工时为通仓浇筑，待1#仓浇筑结束按要求养护至设计强度后方能进行2#仓浇筑，而此时，下层混凝土温度已经开始下降，新旧混凝土温度差的增大必将引发层间结合裂缝。为此，应将该水库碾压混凝土坝上下层新旧混凝土温度差控制在17℃以内。

4.2 温控措施

4.2.1 浇筑温度控制

结合该水库碾压混凝土坝不同区域温度控制要求以及浇筑方案，对不同浇筑温度展开仿真计算，以确定最合理的浇筑温度范围，结果见表5。

表5 碾压混凝土坝浇筑温度

为达到所要求的浇筑温度，必须在施工现场采取有效的温控措施：①出机口温度控制：混凝土制备时出机口温度不得超出12℃，而结合现场试验，该水库大坝施工期间，仅11 月—次年2 月出机口温度在12℃以内，其余月份则均高出12℃。所以在其余月份主要通过掺加冰屑、冷水以及二次风冷粗集料的措施降低出机口温度，控制效果见表6；②混凝土温度回升控制：混凝土出拌和站后需要经运输、入仓、摊铺及碾压工序，在各个环节均应控制混凝土升温。该水库除险加固工程碾压混凝土坝施工主要通过自卸车和胶带机使混凝土运输入仓，期间应采取遮阳措施控制温升；入仓后则通过喷雾保湿，并在仓面形成雾状隔热层，降低日照强度，降低温度升高程度。

4.2.2 预埋冷却水管

大江口水库碾压混凝土坝预埋的冷却水管采用导热系数≥1.0kJ/（m·h·℃）、单根水管长度不超出250m 的可弯曲塑料管，并按照S 形敷设，具体布置要求见表7；同时配备3 台ACW3840 型冷水机组。通水冷却分成3 个阶段：初期通水水温18℃，通水时间20d，混凝土日温度降幅应小于1.0℃；中期通水安排在9～10 月，通水水温控制在14～18℃，保证混凝土结构内部温度降至20℃；后期冷却则安排在拱坝接缝灌浆施工前30d，通水水温8℃，应使混凝土内部温度降至12～15℃。

表7 冷却水管布置要求

4.3 温度监测

4.3.1 监测频次

大江口水库碾压混凝土坝温度监测主要包括坝基温度、上下游表面温度、坝体内部温度等方面，选择5 个典型坝段为主监测断面，埋设183 支温度计。通过钻孔形式在拱冠梁坝段基岩面以下10m、5m、3m、0.5m 处埋设4 支温度计监测坝基基础温度、允许温差、基岩对基础温度的传递及温度分布。坝体温度计设置在监测断面中心位置，并按照高程梯级网络布置，底部测点较密集，以便尽快掌握碾压混凝土温升规律及温控措施效果。混凝土温升阶段每间隔2h 进行一次观测，初期温度下降阶段每间隔4h 进行1 次观测，持续两周后按照每周1 次展开监测。

4.3.2 监测结果

2020 年10 月坝基温度计埋设完成，所测得的基础混凝土温度最高值为22.8℃，且测值稳定，混凝土浇筑初期下层温度较低，上层温度普遍较高。在后期通水冷却的作用下，2021 年1 月开始坝基温度开始下降，此后便维持在18℃左右，符合设计。

根据对表面温度计测点过程线的分析，低温季节温度骤降，混凝土表面温度降幅远远大于内部降温幅度，故碾压混凝土坝内外温差最大值通常出现在低温季节。该水库碾压混凝土坝在坝体上下游面粘贴50mm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温，处理后的表面混凝土温度最低为8℃，比坝址区同期2.8℃的温度均值高，保温效果较好。

预埋冷却水管通水后高温季节降温塑率达到1.1℃/d，初期降温速率满足设计要求，降温效果良好。而在低温季节，最大降温速率不超出0.5℃/d，且随着高程的增大，降温速率减小，后期冷却温度和效果基本满足规范要求。

5 计算结果

5.1 温度场计算结果

结合大江口水库上下游正常水位以及1 月及7月水温、气温，所得到的1 月和7 月准稳定温度场计算结果见图3 和图4。考虑到该水库除险加固工程碾压混凝土坝厚度较薄，坝体在持续运行5a

图3 大坝1 月份温度场云图

5.2 应力场计算结果

温度应力是以碾压混凝土温度变化所引起的应力，主要有温差、徐变、体积变形等产生的应力，结合对温度应力场的模拟结果，基础约束区、坝顶附近及、两岸坝肩及施工期内长间歇面附近温度应力均较大。坝体应力变化较规律：高温季节坝体表面应力主要表现为压应力，低温季节则表现为拉应力，且表面应力随环境温度变化而呈简谐变化。温度下降后，拱端上游面拉应力变大，拱冠上游面拉应力减小；结合坝体上游面应力云图，临近两岸坝肩处的区域拉应力较大；随着温度升高，拱冠上游面拉应力变大，拱端上游面拉应力减小。低温季节，坝体表面温差增大，其最大应力值也随之增大。

水库蓄水后，因坝体表面温度会骤降至水温温度，温差的增大使应力值随之增大，故坝体表面应力值表现出突变。坝体设置2 条横缝和5 条诱导缝后最大主应力值降低0.5～1.0MPa，坝体应力分布更加均匀。

6 结 论

综上所述，浇筑温度是水库碾压混凝土坝温度场高度的决定性因素，从基础至坝顶，坝体温度变后温度场基本接近准稳定温度，且准稳定温度场因受到外界温度变化、时间作用、坝段上下游面水位以下温度变化的影响后呈周期性变化；水位以上温度与各月平均温度基本一致。按照设计，该水库碾压混凝土坝强约束区、弱约束区、无约束区最高温度均满足设计规范所要求的碾压混凝土坝基础允许温度范围。形主要受到两岸基础约束。碾压混凝土坝的温控防裂必须从初期坝体结构设计时着手，借助三维有限元模型展开大坝施工期间温度场及应力场模拟，锁定裂缝最易发生的薄弱环节，通过结构尺寸的调整及温控方案设计予以优化。为加强温度控制，避免较大温差和温度应力产生，应尽可能选择在低温季节浇筑基础强约束区混凝土。根据模拟结果及实际监测结果，文章所提出的温控措施实施后，坝体内部温度除夏季因设备故障而造成部分温控指标超标外，其余时段温控效果均较好，温控方案切实合理，措施到位。