魚洞壩水庫拱壩混凝土溫度動態分析及溫度控制措施

李太軍 劉春蝶

【摘要】拱壩產生裂縫的主要因素是當壩體混凝土內部及內外溫度不同，形成溫差進而產生溫度應力，當其超過了混凝土自身的抗拉應力時導致混凝土出現裂縫。本文針對拱壩結構特點及所處的地理氣候狀況，對壩體內部溫度進行動態了分析，以便根據分析結果采取相應的措施，從而控制混凝土拱壩裂縫的產生，保證壩體的整體性。

【關鍵詞】魚洞壩水庫；混凝土拱壩；溫度動態分析；溫度控制措施

1、概述

1.1 工程簡況

盤縣魚洞壩水利大壩樞紐工程位于貴州省六盤水市盤縣淤泥鄉境內，壩址位于珠江流域北盤江支流烏都河左岸一級支流淤泥河上，距縣政府所在地紅果鎮約66Km，距淤泥鄉約3Km，距雞場坪鄉約12Km。工程的主要任務是供水，并兼有農田灌溉、旅游。魚洞壩水利工程包括水庫、工業基地輸水及灌溉工程三部分。水庫正常蓄水位1705.00m，總庫容2610萬m3，水庫工程規模屬中型，工程等別為Ⅲ等。

大壩壩型為雙曲C2820常態混凝土拱壩，拱壩中心線方位角為N53.714°E，建基面高程1651.50m，最大壩高57m，壩頂高程1708.50m，壩頂寬5m，壩底最大寬度14.0m，大壩厚高比0.246，頂拱中心角89°，壩軸線長145.72m，左岸1699.00～1705.50m高程設重力墩。

1.2 水文氣象

魚洞壩壩址以上集雨面積101Km2，主河道河長14.36Km，主河道平均坡降9.5‰。據流域附近的盤縣氣象站多年資料統計，多年平均年降水量1393mm（其中5～9月占79.6%），多年平均水面蒸發量1526.7mm，多年平均氣溫15.1℃，最熱月七月平均氣溫21.9℃，最冷月一月平均氣溫6.3℃，區內氣候溫和，最高氣溫35.6℃，最低氣溫-7℃，全年無霜期約256天。多年平均風速1.7m/s，多年平均最大風速9.8m/s，實測最大風速為21.0m/s。

2、混凝土溫度動態分析

2.1 拱壩的溫度特征

混凝土拱壩與重力壩除了在結構、受力特點等方面不同外，其施工過程、溫控措施等也有明顯的差異，因此，拱壩的施工期溫度場至運行期溫度場經歷了相當復雜的過程。拱壩的溫度特性主要表現為：

（1）施工期拱壩的溫度變化過程：混凝土入倉，由于水化熱作用溫度迅速上升；施工期壩體混凝土的邊界條件動態變化，在新澆筑混凝土與已澆筑混凝土接觸區、二冷區與非二冷區接觸區等部位均有可能產生較大的溫度梯度。

（2）運行期的溫度變化：由于拱壩一般比較單薄，因此拱壩在運行期受氣溫和水溫影響敏感，壩內溫度變化比較大。

2.2 混凝土溫控分區

拱壩的大體積混凝土分為以下2個區：1區（強約束區）混凝土是指距基巖0.2L以內的混凝土，2區（一般約束區）混凝土是指距基巖（0.2～0.4）L范圍內的混凝土（L為澆筑塊的長邊）。除1、2區混凝土以外的混凝土為非約束區混凝土。1區混凝土澆筑層最大允許厚度為1.5m，2區和非約束區混凝土澆筑層最大允許厚度為3.0m。

2.3 混凝土溫度控制標準

（1）允許基礎溫差。控制基礎溫差是防止大壩發生裂縫的主要手段，根據對大壩的實驗室模擬計算分析，并考慮水庫所在地區的氣候環境及相關規范要求、工程經驗等，大壩混凝土允許基礎溫差限值控制見表 1。2區（弱約束區）在此基礎上提高 1℃～3℃控制。

注：L為澆筑塊長邊尺寸，混凝土為C2820，單位：℃

（2）壩體內部允許最高溫度值。壩體內部混凝土允許最高溫度限值隨外部環境溫度變化而變化，溢流壩段與非溢流壩段最高溫度限值也有所不同。

（3）上下層溫差控制范圍。為了防止壩體出現貫穿裂縫，下部混凝土澆筑超過 28d 的，在其上連續澆筑時，新老混凝土界面各自壩塊長度的 0.25倍的高度范圍內，其上下層溫差按 15℃～20℃控制。

3、混凝土溫度控制措施

根據工程施工條件，結合拱壩混凝土施工特點，當地氣候條件氣候溫和。為確保大壩混凝土順利施工，預防大壩混凝土產生裂縫，確保水庫大壩安全。對夏季高溫季節對混凝土拱壩采取骨料遮擋、制冷機制冷水拌合、倉面采取噴霧冷卻等措施，對冬季低溫季節采取加防凍劑防凍措施，對大壩采取分層分段跳倉澆筑，分層厚度為2.0米，基礎部分分層厚度為1.0米，用以混凝土拱壩溫度控制。具體混凝土溫控措施如下。

3.1 降低混凝土入倉溫度

外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高，混凝土溫度高將加速水泥的水化反應，混凝土達到最高溫度的時間縮短，因而減少了可利用的散熱時間，不利于降低混凝土的最高溫度和減小溫差。一般情況下，混凝土的澆筑溫度不宜大于28℃。

混凝土原材料中的水泥一般難以采用降溫措施。拌合用水可采用制冷水，砂石用量占混凝土的權重最大，常采用凈料堆存高度不低于6m的措施，以使砂、石溫度趨近或略高于旬平均氣溫。由于預冷砂的技術較復雜，因此常用的最有效的措施是預冷粗骨料。一般情況下，石子溫度下降1℃，可使混凝土出機口溫度下降0.6℃左右。加冰拌合也為常用的有效措施，一般情況下，每立方米混凝土加10kg冰，可使出機口溫度下降1℃左右。根據三峽的經驗，當出機口溫度為10℃左右時，入倉溫度可控制在7℃以內，即混凝土從拌合樓到倉面的溫升值可控制在5℃。

魚洞壩水庫工程通過骨料遮擋、制冷機制冷水拌合等方法，降低混凝土的出機口溫度，將拌和站布置在大壩右岸壩頂上游20米處，盡可能縮短運輸距離，從而降低混凝土入倉溫度。

同時，夏季在環境氣溫較低的晚上、早晨澆筑混凝土，盡量避開高溫時段施工。

3.2 倉面保溫

澆筑混凝土時，如果只降低入倉溫度，由于外部熱量回灌，可能會影響最高溫度降低的效果。低溫入倉在澆筑早期氣溫高于混凝土溫度，因此熱量回灌，抵消了預冷骨料、加冷水等措施的效果。因此采取適當的倉面保溫措施。

夏季澆筑混凝土采用倉面噴霧的方法降低倉面環境溫度。通過直管式噴霧器等設備在混凝土澆筑后，將低溫水霧化噴灑在倉面，形成一個小的被低溫水霧籠罩的小環境，使倉面混凝土在澆筑過程中減少陽光直射強度，降低倉面環境溫度，對減少混凝土在澆筑振搗過程中溫度回升有較好效果。

噴霧除可使倉面溫度降低從而達到降低混凝土溫度的目的外，還可以通過表面水分蒸發的方式，加大混凝土表面的散熱量。

3.3 表面保護

在適度控制溫度的條件下，混凝土拱壩仍可能發生一些裂縫，但絕大多數為表面性的。即使出現個別深層或基礎貫穿裂縫，也基本是由表面裂縫發展形成的。引起這些裂縫的原因主要是氣溫驟降，因此對壩體進行抵抗氣溫驟降的保護，是混凝土大壩溫控中不可缺少的一部分。

拱壩暴露面大，應根據設計表面保護標準確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。重視基礎約束區、倉面、上下游表面及其他重要結構部位的表面保護。尤其應重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前，還必須加以維護以及保護，以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應加強保護。

當日平均氣溫在2～4d內連續下降超過（含等于）6℃時，28d齡期內混凝土表面必須進行表面保溫保護。低溫季節如拆模后混凝土表面溫降可能超過6～9℃以及氣溫驟降期，應推遲拆模時間，否則須在拆模后立即采取其他表面保護措施，當氣溫降到冰點以下，齡期短于7d的混凝土應覆蓋保溫材料作為臨時保溫層。

3.4 表面保濕

如果不能保持混凝土表面濕潤或防止水分蒸發，那么最終會發生表面干操，產生干縮應變，從而產生干縮應力。防止混凝土開裂的一個重要原則是盡可能使新澆筑混凝土少失水分。混凝土表面干燥或水分蒸發過快時，可能產生干縮應力，引起表面混凝土開裂且裂縫會向內伸展。因此，盡量長時間地保持混凝土表面濕潤，讓其表面慢慢干燥，使混凝土能夠增長強度以抵抗拉應力。主要有蓄水養護和覆蓋灑水養護兩種方式，養護時間一般不少于4d。表面流水養護也是降低混凝土最高溫度的有效措施之一，采用表面流水養護可使混凝土早期最高溫度降低1.5℃左右。

4、溫控措施實施效果

魚洞壩水庫大壩于2011年1月2日開始填筑壩體，2011年4月30日達到度汛目標1666.0m高程，2011年10月18日完成溢流面1700.0m以下壩體混凝土填筑，2012年5月30日大壩正式封頂。壩體填筑過程中，分別在不同高程布置溫度計用于監測壩體溫度。具體位置、溫度計數量和監測結果如表2。

1）溫度監測

通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的溫度監測資料表明：砼澆筑后在2～15天達到最高溫度，溫差值在9.5℃～18℃之間，然后開始緩慢下降。溫度表現為中部溫度高于底部和上部溫度，拱圈中心溫度高于上下游壩面溫度，內外溫差滿足規范要求。

2）位移觀測

通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的位移監測資料表明：水平位移觀測、垂直位移觀測、壩基滲流、滲壓、基巖變位計實測結果滿足規范要求，表明壩體是穩定安全的。

5、結論

魚洞壩水庫大壩工程通過拌合系統混凝土澆筑前溫度控制，混凝土澆筑過程溫度控制，混凝土澆筑后溫度控制等措施，可以有效地防止混凝土內外溫差過大而在溫度應力的作用下發生裂縫。通過對大壩內外部溫度進行監測，內外溫差滿足規范要求，大壩至今沒有出現裂縫，順利通過大壩蓄水安全鑒定，通過完工驗收，蓄水一年多來，運行正常。該溫控措施對其他類似工程有一定的借鑒。

參考文獻：

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作者簡介： 李太軍（1972-），男（土家族），貴州省印江縣人，高級工程師，項目總監，工程碩士，從事水利水電工程施工監理工作。