某枢纽工程表孔坝段温控仿真分析及温控措施研究

任海平 崔建华 田龙斌 张伟

摘 要：以某枢纽工程表孔坝段为研究对象，模拟坝体混凝土施工过程，进行三维温度场与温度应力仿真计算，分析大体积混凝土温度场与温度应力分布规律，针对出现较大应力的部位提出温控防裂措施建议。结果表明：坝体混凝土大部分区域最高温度满足设计允许最高温度要求，各向应力均较小；下游面附近区域应力水平较高，应采取一定的温控防裂措施；对于高程414.5 m临时过流面及下游溢流面混凝土，建议加强保温或尽可能提前浇筑上层混凝土等措施，避免裂缝产生。研究成果可为类似工程混凝土温控防裂措施的制定提供参考。

关键词：表孔坝段；温度应力；仿真；防裂；温控措施

中图分类号：TV642.2                                             文献标志码：A

0 引 言

碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，以低热著称，过去人们不太关注其温度控制问题。但由于外界条件的复杂性，碾压混凝土重力坝裂缝问题依旧突出，温度应力是混凝土产生裂缝的主要原因。近几十年来，国内外学者在大体积混凝土温控防裂研究方面取得了显著的成果[1-6]，在碾压混凝土筑坝技术方面，张国新[7]从碾压混凝土的材料特性、施工特点、温度场及温度应力的变化特征入手，介绍了碾压混凝土仿真分析方法和应注意的问题。邢坦等[8]通过对街需碾压混凝土坝的温控研究，提出一冷结束后应进行必要的控温，且在入冬前对混凝土进行必要的中期降温。任金珂等[9]通过多方案的比较分析，推荐内部通水、表面保温的溢流坝温控段优化方案，林鹏等[10]结合智能通水技术对低热水泥碾压混凝土坝适应性智能通水策略进行了研究。雷升云[11]研究了气温年变幅大等特殊气候条件下的碾压混凝土施工过程中温控措施。黄艳梅[12]结合乌弄龙大坝研究了碾压混凝土高坝大升层施工温控技术。这些研究成果大大推动了碾压混凝土坝温控防裂技术的进步。但混凝土坝的抗裂性能受结构、材料、环境、施工等多种因素影响，温控设计时，仍需根据现场情况及各种条件开展相关研究，提出有针对性的温控措施，达到温控防裂的目的。本文针对汉江上游某水利枢纽表孔坝段，结合工程现场的环境特点和施工安排，通过多方案的温度场与温度应力仿真对比，分析施工中各种温控措施对坝体混凝土工作性态的影响，为混凝土施工温控措施优化提供技术支撑。

1 计算模型及计算条件

1.1 计算模型

该工程表孔坝段共有4个坝段，从温控不利角度考虑，选取宽度较大的10＃坝段为研究对象，计算模拟范围包括坝体和部分基础，其中基础在上下游及深度方向各模拟1.5倍坝高。坝段顺水流向长度为46.05 m，坝段宽度为30.0 m，最大坝高为65.0 m，闸墩厚度为5.5 m，建基面高程为392.0 m，堰顶高程为425.0 m。计算模型见图1。

温度场计算中，基础各侧面、底面取绝热边界。混凝土与气温接触的边界，按第三类边界条件处理。汛期及后期运行期，水面以下部位取为水温边界，其它部位取为气温边界。应力计算中，基础左右两侧面、基础下游面取法向约束，基础底面取三向约束。考虑到各坝段间设有横缝，坝体两侧面取为自由面。

1.2 混凝土与基岩力学、热学性能参数

表孔坝段下部岩体为闪长岩微新岩体，基岩弹性模量取为27.5 GPa，泊松比取0.25，不计自重。坝体内部内部采用碾压混凝土，在坝体建基面、上下游面、溢流面部位采用常态混凝土，形成一种“金包银”的包裹剖面型式，坝体材料分区见图2。

各类混凝土弹性模量采用表达式（1）拟合，拟合系数见表1。

式中：E0为混凝土最终弹模（GPa）；t为混凝土龄期（d）。

各类混凝土绝热温升采用式（2）拟合，拟合系数见表2。

式中：θ（t）为混凝土绝热温升（℃）；t为混凝土龄期（d）。

1.3 边界温度条件

根据坝址区附近气象站年平均气温统计数值以及坝址区高程位置，计算得到坝址区年平均气温为15.2 ℃，1月份月平均溫度最低为2.9 ℃，7月份月平均温度最高为26.5 ℃。根据2018—2019年坝址区实测河水温度统计，结合类似工程经验分析，得到坝址区江水年平均水温为16.2 ℃，1月份月平均水温最低为3.9 ℃，7月份月平均水温最高为27.5 ℃。

1.4 施工措施

1.4.1 施工进度控制

表孔坝段混凝土于1月开始浇筑。当年5月底，混凝土全线浇筑至414.5 m；6月至10月，坝体度汛；第二年1月，继续浇筑上部混凝土，其中溢流面高程418.0 m以下、418.0 m以上混凝土分别于4月中旬和下旬浇筑；第二年5月底，全线上升至446 m高程，汛期由表孔泄流度汛，坝体继续浇筑；第二年7月底，表孔坝段全线浇筑至坝顶高程455 m。

1.4.2 浇筑温度控制

11月至次年3月，浇筑温度为12.2℃以下；4月、10月，浇筑温度控制在18℃以下；5—9月浇筑温度控制在22℃以下。

1.4.3 施工温控措施

（1）水管布置。冷却水管在混凝土内按蛇形并垂直水流方向布置，水管内径为28.0 mm，壁厚2.0 mm。基础约束区混凝土内埋设冷却水管进行初期通水冷却，冷却水管间距一般为1.5 m×1.5 m，基础强约束区水平间距加密至1.0 m，对于2.0 m以上层厚中间增加一层冷却水管。

（2）保温材料及保温措施。夏季采用洒水降温。冬季两侧采用2 cm厚聚乙烯泡沫板，浇筑层表面采用黑心棉。

2 计算方法

混凝土及基岩视为均质各向同性体。温度场计算遵循固体热传导规律，采用常规方法求解[2]，在空间上用有限元离散，在时间上采用向后差分的隐式差分格式。温度应力的计算采用有限元法分时段进行计算，用初应变法考虑混凝土徐变效应[2]。计算中模拟大坝浇筑过程，各个浇筑块的单元组根据浇筑顺序依次生成。

3 混凝土温度场及应力场时空分布规律

仿真计算中，浇筑温度取拟定浇筑温度，通水水温取为12 ℃，通水流量取为1.0 m3/h，通水时长为14 d，不进行表面保温。

3.1 坝体温度场分布

图3为下部大体积混凝土最高温度。可知，垫层部位混凝土最高温度为21.3 ℃，下部混凝土基本在23.0 ℃以下，继续往上由于浇筑温度及环境温度的升高，混凝土最高温度依次增大，中间高程处最高温度约为27 ℃，高程414.5 m临时过流面以下混凝土最高温度约为29.5 ℃。堰顶下部以及下游结构混凝土部位温度较高，最高温度分别为31.7 ℃、38.0 ℃，主要原因是两个部位的混凝土绝热温升相对偏高，而且高程414.5 m以下结构混凝土浇筑时，外界气温较高。坝体温度场分布总体规律是碾压混凝土区域温度较低，满足设计允许最高温度，下游面常态混凝土区域温度较高，后期降温中过程可能会产生较大的应力。

图4为对称面各浇筑层中间点的温度历程。可知，各浇筑层中心点温度变化规律基本一致。以高程401.0 m特征点为例，该浇筑层浇筑温度为18 ℃，第4d达到最高温度26.6 ℃，由于通水作用，温度降低至23.0 ℃。之后由于上层混凝土的浇筑，温度回升至25.2 ℃，后期降温过程较为缓慢，准稳定温度约为15.4 ℃。由于坝体尺寸相对较大，坝体内部混凝土降温较慢，基本在第8～9年达到准稳定状态，稳定温度约在15.4 ℃。高程413.0 m接近高程414.5 m长间歇面，早期受气温影响波动较大，第二年1月受上部混凝土浇筑，温度回升到21.0 ℃，后期由于接近溢流面边界，受外界温度变化影响，仍有小的温度波动，变幅约0.9 ℃。

3.2 坝体混凝土应力场分布

图5为坝体对称面顺流向和横流向应力最大值云图。可知，碾压混凝土内部应力较小，顺流向和横流向拉应力最大值分别为1.07 MPa、1.10 MPa，高程414.5 m区域应力较大，两个方向拉应力最大值分别达到2.72 MPa、2.10 MPa。坝体上游面、下游面处横流向拉应力较大，最大值分别为1.82 MPa、2.27 MPa。这些应力较大部位存在一定的开裂风险，需进行必要的研究，提出相应的温控措施。

图6为坝体不同高程处特征点顺流向应力历程。可知，下部高程（高程392.8 m、401.0 m）特征点整个历时过程应力均较小，后期随气温年变化呈波动状态。高程414.5 m（浇筑层顶面）混凝土应力较大，当年年底最大应力值达到3.0 MPa，该浇筑层中间部位应力最大值为1.83 MPa，后期由于上层混凝土的浇筑，层面处应力有明显减小，中间部位应力最大值约为1.09 MPa，随年气温变化波动。该部位产生较大应力的主要原因是当年10月汛期过后至第二年年初，表孔坝段未继续往上浇筑，该时间段高程414.5 m层面一直祼露，属施工长间歇，在年温变化影响下，混凝土表面产生了较大的应力，超过混凝土的允许抗拉强度，有较高开裂风险，须对该层面应采取必要的温控防裂措施。

4 温控防裂措施影响研究

4.1 浇筑温度的影响

分别计算拟定浇筑温度、升高2℃、升高4℃时的坝体温度场和温度应力。可知，浇筑温度升高时，坝体温度场和温度应力分布规律接近。当浇筑温度升高2 ℃时，坝体内部温度上升值在1.10～1.70 ℃。基础约束区温升值约为1.25 ℃，中间高程处温升值约为1.36 ℃。当浇筑温度升高4 ℃时，坝体内部温度上升值在2.59～3.40 ℃。当浇筑温度升高2 ℃时，坝体内部顺流向和横流向最大应力增加值均约0.1 MPa。当浇筑温度升高4 ℃时，坝体内部顺流向和横流向最大应力增加值均约为0.2 MPa。

浇筑温度每升高1℃，混凝土温升值约为0.55～0.85 ℃，应力最大值增大约0.05MPa。说明浇筑温度的升高会引起坝体温度的升高，导致后期坝体内部各向应力的增大，施工过程中应尽量降低浇筑温度。

4.2 通水冷却的影响

相对于不通水情况，采用1.0 m3/h进行通水时，浇筑块的温升峰值降低值约为5 ℃，后期坝体内部温度也相对较低。通水情况下，混凝土早期应力略有升高，后期应力较小。需要注意的是，如果初期通水流量较大、通水时间较长，会导致混凝土早期降温过大，使得混凝土初期应力较大，增大初期开裂风险。

4.3 表面保温的影响

高程414.5 m为长间歇面，在当年10月份之后对该表面进行保温，可使混凝土表面温度年变幅减小，从而混凝土内外温差减小，顺流向应力有明显减小，最大值从2.47 MPa减小至1.93 MPa，减小值约为0.54MPa。同样，对于下游面附近混凝土，在保温情况下横流向应力减小值约为0.60 MPa。发生气温骤降，温降幅度为9 ℃时进行表面保温，高程414.5 m表面温度变幅从6.45 ℃减小为1.04 ℃，产生的顺流向应力从1.63 MPa减小为0.67 MPa。可知，保温是减小坝体表面附近大应力的有效手段，建议在冬季降温前或气温骤降前对大坝裸露面进行必要保温。

4.4 浇筑时间的影响

按照初步拟定的混凝土施工过程，高程414.5 m以上混凝土于第二年1月開始浇筑，高程414.5 m表面一直裸露，由于年气温变化的影响，冬季时表面附近会产生较大的应力。考虑将高程414.5 m以上混凝土开始浇筑时间提前至上年11月中旬，结果表明，当上层混凝土浇筑时间提前时，该处混凝土顺流向应力由3.0 MPa减小至2.43 MPa，减小值约为0.57 MPa。同样对于溢流面混凝土，按照最初拟定的混凝土施工过程，于4月上旬浇筑，受年气温变化影响，冬季混凝土表面横流向应力接近3.0 MPa，应力水平较高，如将该部位混凝土提前至3月中旬浇筑，特征点横流向最大应力减小值约为0.58 MPa，开裂风险明显降低。

5 結 论

采用大型三维水工数值分析工具，对表孔坝段大体积混凝土结构温度场和温度应力时空分布规律以及各类温控防裂措施对坝体应力的影响进行了仿真计算分析。主要结论如下。

（1）坝体大部分区域混凝土的最高温度满足设计要求。坝体内部应力相对较小，开裂风险较低。在高程414.5 m长间歇面以及下游面附近混凝土应力较大，应采取表面保温、加大通水力度、适当改变混凝土浇筑时间等措施减小混凝土应力，降低开裂风险。

（2）浇筑温度的升高会引起坝体温度的升高，导致后期坝体内部各向应力的增大，施工过程中应尽量降低浇筑温度。

（3）进行通水能够有效降低混凝土温升峰值，降低后期应力，但应适当控制通水流量及通水时长，避免早期开裂风险。

（4）保温能有效降低坝体表面附近的应力，建议在冬季降温前或气温骤降前对大坝裸露面进行必要保温。

（5）条件允许情况下，可适当调整特定区域混凝土浇筑时间，降低混凝土开裂风险。

总体而言，坝体碾压混凝土区域绝热温升较低，采取一定的通水措施即可满足温控要求，但对于溢流面、上下游面部位，出于防渗或抗冲磨等目的，通常采用高标号常态混凝土，对其温控问题，仍需给予高度重视。

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Temperature Control of Dam Concrete at Surface Sluice of a Hydropower Station：Simulation and Measures

REN Haiping1，CUI Jianhua2，TIAN Longbin1，ZHANG Wei1

（1. Sinohydro Bureau 12 Co.，Ltd.，Hangzhou 310004，China；2. Center for Information Technology，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：The temperature field and temperature stress of dam concrete at the surface sluice of a hydrojunction project were computed by simulating the concrete construction process. The distribution regularities of temperature field and temperature stress of mass concrete were examined，and crack prevention measures were proposed for areas subjected to large stresses. Results indicate that the maximum temperature in most areas of the dam concrete stays within the maximum allowable design value，and stresses in all directions are small. However，due to high stress levels near the downstream face，specific temperature-controlled anti-cracking measures should be taken. To mitigate potential cracks，heat preservation or pouring the upper layer concrete as early as possible should be taken for the temporary and the downstream overflow surface at elevation 414.5 m. The findings offer a reference for designing temperature-controlled anti-cracking measures for concrete in similar projects.

Key words：surface sluice dam；temperature stress；simulation；crack prevention；temperature control measures