不同间歇期下昼夜温差及仓面保温对拱坝的影响

2023-12-01韩申秋岳加利吴建明

浙江水利科技 2023年6期

徐晓，朱昆，韩申秋，岳加利，厉杨，吴建明

（1.缙云县水利局，浙江缙云 323000；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江杭州 310020）

0 引言

大体积混凝土浇筑通常采取分层浇筑，以削减温度应力对目标结构的影响。浇筑过程中主要通过仓面散热和浇筑层之间的热量交换，实现水化热消散，同时配合浇筑间歇期内的冷却通水，完成对已浇混凝土的温度控制和强度提升。但当前5～15 d的设计浇筑间歇期在实践中难以完全贯彻，有时最长延期可达15 d 左右。随着间歇期延长，基础约束作用增大，加之薄层坝块热传导速度较快，至冷却后期全断面普遍处于拉应力状态，特别是临近仓面处的混凝土弹性模量增大较快，一旦间歇期内遭遇寒潮或气温骤降等不利条件，混凝土表面将率先形成超标的拉应力，极大地增加了仓面开裂风险，为深层裂缝形成埋下隐患[1]。

目前，大体积混凝土浇筑过程中的间歇期时长问题，在国内外均有广泛研究。首先，率先展开研究的是朱伯芳院士，他通过自己建立的等效传热方程，对大体积混凝土的水化放热就浇筑层厚度和间歇时长2 方面进行研究，得到在不同间歇期下不同浇筑层厚和不同间歇期下混凝土水化热的分布规律[2]；董福品对浇筑层不同间歇期坝体温度和温度应力进行研究，得出在只改变间歇期的情况下，坝体内部的最大水化热温升和最大水化热温度应力都随着间歇时间的延长而减小[3]；谢微对混凝土浇筑坯层厚度和坯层间歇时间对温度应力的影响展开研究，得出坯层中最大拉应力与混凝土水化热达到一半时的龄期的关系[4]；黄夏秋等人通过工程经验提出混凝土大坝应按不同部位的受气温影响程度、施工复杂程度对浇筑层间间歇期进行区分，减小混凝土的开裂风险[5]。同时，我国通过一系列的高拱坝实践后，对高拱坝浇筑层间间歇期的研究也更加透彻[6-9]。溪洛渡拱坝浇筑时，间歇期的设置为在5～28 d；到乌东德拱坝浇筑时，间歇期的设置一般变为5～10 d，不宜超过14 d；等到白鹤滩拱坝施工时，正常浇筑间歇期为5～7 d，最大不超过20 d，可见随着施工技术的成熟与施工经验的增加，对拱坝浇筑间歇期的要求越来越严格。

基于上述研究后，对不同间歇期下拱坝仓面应力变化情况进行分析，得到各个间歇期下拱坝的仓面开裂风险，同时考虑多种特殊天气对拱坝仓面造成的影响，方便建设单位和施工单位根据天气情况以及拱坝自身情况及时调整，有利于提高大坝的整体安全性能，促进“无缝大坝”的建设。

1 工程概况

白鹤滩水电站位于我国西南地区，属于亚热带季风区。坝址区常年平均温度21.9 ℃，3—10 月为高温季节，平均温度高于或接近22.0 ℃，其余月份为低温季节，最低月平均气温 13.3 ℃。坝址区存在极端气温温差大、昼夜温差变化明显、干燥大风、高温多雨等环境影响。坝址区温度骤降幅度大，3 d 温度骤降6 ℃以上年平均次数约24 次。同时，全坝使用低热水泥混凝土，低热水泥混凝土相比于中热水泥混凝土，早期的强度发展速度较慢，需要做好早期保护措施。

2 计算原理

2.1 计算模型与边界

计算主要模拟白鹤滩拱坝在不同浇筑间歇期下的开裂风险，选取拱坝下部基础约束区的浇筑块进行说明。拱坝混凝土温控施工技术要求中规定：基础约束区是在基岩以上0～0.4L高度范围内的混凝土，其中L为浇筑块最大边长（m）。基础约束区范围的混凝土受到基岩的强约束作用，受力条件更为复杂，且由于现在浇筑都采取的通仓浇筑，下部仓的面积较大，仓面更容易产生裂缝。故本次计算采用的模型（见图1），运用六面体八节点等单元，单仓长40 m，宽20 m，高3 m，共5 仓。其中单元960 个，节点1 377 个。

图1 大有限元计算模型图

同时，计算过程中考虑在浇筑的混凝土拱坝内部均埋设冷却水管，混凝土内的水管冷却将与仓面散热同时对混凝土降温。

本次计算考虑自重荷载和温度荷载的影响，计算时温度和应力耦合场考虑边界情况见图2。其中S1 为坝面发生对流交换，同时考虑太阳辐射影响和周边发生辐射换热；S2 为地面地基深部地温变化，长期变化较小，近似恒定，可将基底视为一类边界；S3 为地基侧壁取绝热边界。坝区各类材料热力学参数见表1。

表1 坝区各类材料热力学参数表

图2 大坝边界条件示意图

2.2 间歇期和昼夜温差设计原理

我国大体积混凝土浇筑经过多年实践，得出薄层浇筑更有利于混凝土散热。根据已有工程文献，当混凝土浇筑层厚度达到5.0 m 时，混凝土水化热基本上不能散发，而当对浇筑层采用3.0 、1.5 、1.0 m 层厚时[10]，混凝土水化热通过浇筑层顶面就可以散发总量的30%、50%和60%。当大体积混凝土采用薄层长块浇筑时，基础约束作用大，与厚块相比，相同的温差可引起更大的拉应力；同时，冷却速度快，到了冷却后期，全面受拉，一旦遭遇过大昼夜温差，出现表面裂缝，极易发展成为贯穿性裂缝[11-12]。在经过一系列高拱坝的浇筑后，现在施工时不仅对上下游采取苯板和聚氨酯进行保温，而且对横缝面也会采取相应的保温措施。同时，在混凝土各阶段温度也有了明确的控制，但在有些方面仍有不足。例如在基础约束区部位进行薄层混凝土浇筑，经历长间歇却未进行任何保温措施，遭遇过大昼夜温差，从而产生裂缝。丹江口工程在基岩上浇筑时，采用3.0 m 层厚的浇筑层，间歇期最长达46 d，期间遭遇温度骤降，最终产生贯穿裂缝。我国拱坝浇筑间歇期正常控制在5～7 d，最大不超过20 d，当层间间歇超过28 d 时，该层的混凝土就应当按照老混凝土进行处理。同时，按照SL 282—2018《混凝土拱坝规范》中的规定，混凝土各层之间的浇筑时间间隔宜小于28 d。

通过引言所述，结合已有的规范和现有的施工经验，本次计算时考虑把间歇期分为4 种，分别为7、14、21 和28 d。并且，计算时考虑保温和不保温情况下温度骤降对仓面的应力影响。计算时根据白鹤滩实际天气情况进行仿真模拟，2017—2019 年白鹤滩3 d 内昼夜温差统计情况（见图3），根据实际气温变化情况，把昼夜温差分为2 种，分别是昼夜温差6 ℃和10 ℃。由于新混凝土入仓温度只有12 ℃，会对老混凝土造成冷击，所以在间歇期的最后阶段设置大幅度昼夜温差，可以把2 种温降相互叠加，造成最大应力影响，有效知晓仓面的抗裂性能。

图3 坝址区温降统计图

在计算时，根据实际施工情况，上游坝面喷4 cm 厚聚氨酯进行保温，下游坝面粘贴3 cm 厚聚乙烯挤塑保温板，横缝暴露面覆盖5 cm 厚聚乙烯卷材进行保温，仓面保温时，会在浇筑层面覆盖1～2 层2 cm 厚保温被。对于各个情况下的仓面散热系数可以参考朱伯芳院士关于边界条件的理论，固体表面在空气中的散热系数可用以下公式计算：

式中：V为风速，m/s。

2.3 计算工况

工况设计见表2。

表2 工况设计表

3 结果分析与应用

3.1 计算结果分析

根据计算结果，仓面保温时，在昼夜温差达到10 ℃情况下，间歇期7、14、21、28 d 的混凝土仓面最大应力分别为0.403、0.540、0.566 和0.580 MPa（见图4），随着间歇期的加长，混凝土应力逐步增加，但增加幅度较小且都处于安全范围。在保温情况下，当昼夜温差低于10 ℃时，对混凝土仓面的应力影响较小，不存在开裂风险。

图4 昼夜温差10 ℃时应力变化图（保温情况）

仓面不保温时，在昼夜温差达到6 ℃情况下，7、14、21、28 d 的最大应力为0.701、0.908、1.057、1.133 MPa（见图5），随着间歇期的加长，起初应力变化较大，后续变化较小，都处在2.0 安全曲线值附近，存在一定的开裂风险，且应力值随着时间的增长不断增加；当昼夜温差到达10 ℃时，应力变化急剧增大，7、14、21、28 d 的最大应力值分别为1.030、1.363、1.574、1.733 MPa（见图6），随着间歇期的加长，应力不断增大，远超2.0 安全曲线值，开裂风险极高。

图5 昼夜温差6 ℃时应力变化图（不保温）

图6 昼夜温差10 ℃时应力变化图（不保温）

根据计算结果，间歇期控制宜在7～14 d 内。间歇期过短，混凝土强度得不到充分发展；间歇期过长，遭遇过大昼夜温差和寒潮时，混凝土仓面应力过大，易产生开裂风险。同时，间歇期长度不应超过28 d，当间歇期超过28 d，遭遇温度骤降时，仓面混凝土开裂风险极高。

3.2 计算结果应用

在施工现场，施工单位会根据施工技术要求进行仓面保护，对于新浇的浇筑层铺设1～2 层保温被进行保护，同时浇筑层中的坯层需要进行隔热保护，在遭遇温度骤降和长间歇情况下会覆盖5 cm 厚度的聚乙烯卷材进行保温。在技术要求中仅说明仓面保温方法，却未曾对各个情况下如何操作进行说明。因此，可以根据仿真计算结果，建立分层保温措施。当昼夜温差达到6 ℃时，间歇期达到14 d 的铺设1 层保温被；当昼夜温差达到10 ℃时，间歇期超过14 d 的铺设2 层保温被，低于14 d 的铺1 层保温被；当昼夜温差大于10 ℃时，间歇期超过14 d的覆盖5 cm 厚度的聚乙烯卷材，低于14 d 的铺2 层保温被。

通过建立分层防护措施，可以借助天气预测手段，提前备好保温材料，减小昼夜温差过大带来的影响，提升大坝仓面的安全性。