象鼻嶺碾壓混凝土拱壩溫控防裂研究及實施效果

張海超，楊 波，王曉峰

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

象鼻嶺水電站樞紐工程最大壩高141.5 m，正常蓄水位1 405 m，水庫總庫容2.63億m3，開發任務以發電為主，裝機容量240 MW。主要擋水建筑物為碾壓混凝土拱壩，壩體拱冠梁頂厚8.0 m，底厚35.0 m，拱端最大厚度38.0 m；拱壩厚高比0.247，上游面最大倒懸度0.148，下游面最大倒懸度0.151，最大中心角97.433°，壩體混凝土體積64.547萬m3。

1 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩溫控特點

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩溫控特點主要包括工程所在區域氣象特性、材料特性、結構特性及施工特性等。

(1)氣象特性。工程區屬暖溫帶高原季風氣候，特點為多風，晝夜溫差大，白天陽光直射，氣溫較高，造成碾壓混凝土在運輸、入倉、澆筑等過程中的溫度倒灌、水分散失等問題突出。

(2)材料特性。象鼻嶺碾壓混凝土料源巖性為玄武巖，混凝土配合比需水量大，從而引起膠凝材料特別是水泥用量大，大約比同類工程多20 kg，絕熱溫升達20～23 ℃，比同類工程約高2～3 ℃；自生體積變形呈收縮型。

(3)結構特性。象鼻嶺碾壓混凝土拱壩設置7條誘導縫、2條橫縫，縫距大約在41～70 m之間。

(4)施工特性。象鼻嶺碾壓混凝土拱壩整體澆筑段最長弧長約360 m；倉面面積大(約5 800 m2)；全斷面連續上升，層間間隔時間相對較長，溫度倒灌問題突出。

2 溫控防裂研究與設計

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩在溫控方面開展了大量試驗、研究與工程類比工作，并委托中國水利水電科學研究院開展溫控仿真研究，在此研究基礎上確定溫控設計標準，提出溫控措施。

圖1 拱壩拱冠梁內部溫度過程線

2.1 三維仿真計算

計算軟件采用中國水利水電科學研究院結構材料所開發的Saptis大型有限元分析軟件。首先，模擬實際的施工運行過程，考慮混凝土分層澆筑過程、入倉溫度、施工期間歇、混凝土及基礎彈性模量的變化、外界水溫及氣溫的變化、混凝土的自生體積變形及徐變影響等復雜因素。并且模擬縫的開、合迭代，仿真模擬橫縫啟裂、擴展、止裂全過程。

(1)溫度場。圖1繪制了不同高程拱冠梁內部點溫度歷時過程線。由圖1可知，受基坑過水以及外界氣溫影響，壩體內部大部分區域溫度在25 ℃以內，2016年6月，壩體澆筑進入高溫季節，壩體大部分區域溫度在28～32 ℃之間分布，壩體導流底孔周邊區域溫度超過32 ℃，最大達到35 ℃。

(2)應力場。壩體1 280.00 m高程以下部分區域應力超過1.5 MPa，存在較大開裂風險，這主要是1 280.00 m高程以下受2015年度汛時基坑過水引起內外溫差過大導致該區域拉應力超標；壩體內部絕大部分區域主拉應力均小于1.0 MPa，近上下游壩面存在應力超標區，下游面應力超標區深度大于上游面，深度基本在2.0 m以內，局部最大深度為2.5 m，可能引起表面裂縫，可通過增加表面保溫措施來解決；各縫面內部主拉應力不超過1.0 MPa，近壩面主拉應力基本在0.5 MPa。

(3)誘導縫。碾壓混凝土澆筑至壩頂時，兩條橫縫及靠近左右壩肩的兩條誘導縫均全部張開；其余誘導縫處于部分張開狀態，張開深度基本在2～5 m 左右。

(4)研究結論。結合壩體應力分布及誘導縫開合狀態可知，分縫方案能夠較好地釋放水化熱溫升引起的超標拉應力，使壩體不會出現危害性裂縫。

2.2 溫控設計標準及措施

通過開展本工程碾壓混凝土熱學性能、氣候特征、壩體結構、施工規劃、仿真研究、工程類比等方面研究，確定溫控設計標準如表1所示。碾壓混凝土溫度控制，從水泥(比表面積、入庫溫度、MgO含量等)、料倉(保護、高度、取料方式等)、出機口(最高不超過15 ℃)、運輸系統、澆筑溫度(最高不超過18 ℃)、倉面小氣候防止溫度倒灌、倉面保護、后期養護、通水冷卻等方面控制，分期冷卻溫度目標值見表2。

表1 大壩混凝土設計允許最高溫度 ℃

表2 拱壩澆筑過程中分期冷卻溫度目標值 ℃

3 實施跟蹤情況

3.1 壩體溫度計實測情況

壩體內部各高程實測溫度如圖2所示。

圖2 壩體溫度計實測溫度

從圖2可以看出：

(1)2015年4月～5月澆筑1 280 m高程以下混凝土，安裝壩體溫度計TCb-1～TCb-6，溫度上升峰值至36 ℃，比設計控制標準高約7 ℃，并在地基、大氣、固結灌漿等影響下溫度快速下降至26～30 ℃，汛期過水、2015年冬季后壩體溫度降至24～26 ℃。

(2)2015年12月～2016年5月澆筑壩體1 280～1 340 m高程混凝土，安裝壩體溫度計TCb-7～TCb-12，溫度上升峰值至36 ℃，比設計控制標準高約4 ℃。特別是3月、4月、5月澆筑的混凝土，由于澆筑溫度未能有效控制，達25～30 ℃，又未能進行有效一期通水冷卻，部分還受周邊常態混凝土影響(Tcb10、Tcb12)，所以峰值溫度偏高，且澆筑后大部分處于高溫季節，混凝土較長時間處于較高溫度狀態，后經二期冷卻通水降低至封拱溫度。

(3)2016年9月～12月澆筑1 340～1 380 m高程壩體混凝土，安裝壩體溫度計TCb-20～TCb-23，處于較低溫季節施工，溫度上升峰值至35 ℃，隨后進入寒冬季節、二期冷卻后溫度降低至封拱溫度。

(4)2017年4月～5月澆筑1 380～1 400 m高程壩體混凝土，安裝壩體溫度計TCb-25～TCb-26，澆筑溫度、一期通水冷卻降溫未能有效控制，峰值達40～45 ℃，由于屬于壩體上部較薄區域，一二期冷卻通水相繼進行，溫度降速快，在2017年12月溫度降低至封拱溫度。

3.2 溫控效果評價

由于未能在砂石料、拌制等環節控制溫度，澆筑溫度普遍偏高，又在一期控制與冷卻階段出現通冷卻水流量不足、管路堵塞等情況，造成混凝土峰值溫度較高。但本工程區域氣溫常年普遍較高，沒有造成較大內外溫差而形成較多的表面或深層裂縫，但可能在二期冷卻降幅過大，造成溫度應力超標而產生裂縫。

3.3 二期冷卻實施方案

鑒于混凝土澆筑完成溫度普遍偏高情況，建設各方高度重視二期冷卻，研究采取了以下措施：

(1)在2016年10月初開始對1 340 m高程以下混凝土進行二期冷卻，將溫度降幅控制在0.3 ℃/d，二期通水不進行時間控制而按目標控制，持續時間達5～6個月。這樣安排主要解決2個問題，一是，在入冬前將壩體降溫至25 ℃以下，減少由于寒潮到來后的內外溫差造成表面裂縫；二是，緩慢、長時間冷卻，充分利用混凝土徐變降低溫度應力減少產生裂縫的風險。

(2)采取 “橫向相同；縱向先高溫區后低溫區”的冷卻方案，防止壩體冷熱不均造成溫度梯度過大而產生裂縫，需要結合壩體冷卻要求加大設備資源投入和管控力度。

通過以上科學冷卻方案和精心組織實施，有效控制了深層裂縫的產生，無貫穿性裂縫，僅在下游表面出現數條較深裂縫。2017年3月左右，結合悶溫數據、監測數據綜合分析1 340 m高程以下壩體溫度基本達到封拱溫度的控制要求，隨即開始接縫灌漿。

4 結 語

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂充分考慮其材料熱學性能特性、氣候特點、壩體結構、施工組織，聯合科研院、高校采用較為先進的三維仿真理論分析，并類比了大量類似工程，提出了嚴格的混凝土防裂控制參數、合理的壩體防裂結構、溫控標準及溫控措施。

在施工過程中，由于各種原因一期冷卻效果不佳，造成壩體溫度總體較高，持續時間長，給二期通水冷卻造成較大難度，最后通過“早啟動、長時間”和“橫向相同；縱向先高溫區后低溫區”的冷卻方案，有效控制了深層裂縫特別是貫穿性裂縫的發生。基礎約束區混凝土由于在澆筑時間短而又受各種因素影響溫度快速下降，在拱冠處產生一條深層貫穿性裂縫外，后期施工期壩體橫縫、誘導縫有效張開，未再發現貫穿性裂縫。

筆者認為，應高度重視碾壓混凝土拱壩溫控防裂工作，通過優選原材料及配合比，提高防裂性能，研究合理分縫方案，采取科學合理冷卻措施、配備足夠設備資源、精心組織管理等實現壩體防裂的最終目標。