高原混凝土溫控防裂與施工實踐研究

杜 長 劼， 黃 瑋， 楊 晨 光， 李 鵬， 李 心 睿

(中國電建成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著國民經濟持續健康發展和國家能源結構不斷優化，目前我國大型水電資源開發核心區域已逐漸轉向西藏、四川等高原和流域上游地區。這些地區通常具有高海拔、大溫差、氣候干燥、四季分明的特點。尤其體現出冬季寒冷，夏季高溫，日照充足，大風多發，晝夜溫差大，低溫季節長。與平原地區的氣候相比，形成高原地區特有的氣候條件，對水電站工程的混凝土防裂提出了更高的要求。因此，面對如此惡劣的氣候氣象條件，提高對混凝土溫控防裂的認識，分類研究混凝土拱壩、重力壩等大體積混凝土結構，以及導流洞、泄洪洞(襯砌)等薄壁混凝土結構勢在必行。同時需要我們對混凝土工程的施工、養護、運行提出更具針對性的溫控措施，利用施工實踐進行反饋指導，從而保證工程的安全性和耐久性。

統計顯示，大體積混凝土裂縫80%以上由變形荷載引起，溫度荷載又占變形荷載的很大比例。混凝土澆筑工程，溫控防裂費用約為工程造價的 3%；而處理裂縫的費用達到 5～10%，且影響工期造成更大的損失[1-3]。綜上所述，針對高原地區大型水電站混凝土工程，結合氣象條件進行全面的溫控研究，采取科學的溫控防裂措施具有重要意義。

1 研究方法

20世紀美國墾務局在針對胡佛拱壩的過程中，首次對大體積混凝土的溫控開始系統研究，逐漸形成了較為成型的設計和施工模式[4]；我國學者[5-7]也對大體積混凝土的溫控防裂展開了系統的研究，解決了混凝土水化熱及絕熱溫升過程的計算，提出了不同邊界下溫度場的差分解法。朱伯芳[8]對通水冷卻混凝土的情況提出降溫等效計算方法，也提出了加強混凝土施工質量控制、優化材料抗裂性能、適當提高抗裂安全系數、嚴格控制基礎溫差和內外溫差等指導思想，很大程度上優化了混凝土壩的設計工作。黃達海[9]等通過實驗研究了混凝土等溫傳濕過程，引入波函數法進行溫度場仿真。劉寧[10]等通過研究混凝土材料參數、環境邊界的隨機性，將隨機有限元法引入到大體積混凝土的應力計算中。

經過長期研究，大體積混凝土結構溫度場分析形成了理論解法、實用算法、數值分析法等多種方法。而基于計算機仿真和有限單元的分析已被廣泛應用。隨著對有限元的改進，該方法在工程中體現出針對性強而分析全面的價值。

混凝土內部的溫度是一個隨時間和空間變化而變化的瞬態物理量。混凝土自身放熱及與周邊環境的熱交換是持續發生的。熱交換和邊界導致溫度場的瞬時變化，在一定空間范圍內取微元體，非穩定溫度場T(x,y,z,t)滿足偏微分方程：

(1)

在整個過程中系統的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統內能隨時間發生變化。根據能量守恒原理，瞬態熱平衡可以用矩陣表達為：

(2)

式中K為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數；C為比熱矩陣，考慮系統內能的增加；T為節點溫度向量；T為溫度對時間的導數；Q為節點熱流率向量，包含熱生成。

由于混凝土等材料熱力學性能、邊界條件同樣變化，進行非線性分析計算。非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為：

(3)

本文采用有限元軟件ANSYS熱分析模塊、FZFX-3d軟件以及ADPL自編程序，用瞬態傳熱方法對高原地區大型水電站的大體積混凝土、薄壁混凝土工程實例分別進行分析。

2 實例分析

2.1 大體積混凝土結構

2.1.1 計算模型

三維有限元計算模型選取西南高原地區某大型電站導流洞進口大體積混凝土為研究對象，壩址平均海拔約3 000 m，屬地氣溫要素見表1。三維有限元模型如圖1所示。離散范圍：垂直水流X方向延伸100 m；順水流Y方向延伸50 m；高程Z方向延伸80 m。混凝土為三級配C25及襯砌二級配C40混凝土，圍巖類別以Ⅲ類為主。其參數參照相關材料物理性能取值。部分材料力學參數見表2。本實例混凝土澆筑計算時間為當年9～12月，歷時約100天。澆筑區底部寬21 m，高18 m，共分7層澆筑。溫控計算方案見表3。

圖1 結構整體及局部

考慮到混凝土材料的非線性，根據提供的特征時刻彈模擬合澆筑期內混凝土的彈模變化：

(4)

式中T為混凝土彈模；Em為混凝土計算終值彈模；t為齡期(d)；α為擬合參數；β為擬合參數。根據混凝土的彈模變化曲線，以時刻關系持續修正彈模。

混凝土絕熱溫升計算公式采用：

(5)

式中T為絕熱溫升值(℃)；Tm為最終溫升值(℃)；t為齡期(d)；t0為試驗參數；D為試驗參數。

本文混凝土應力控制標準采用：

σ

(6)

式中σ為各種溫差所產生的溫度應力之和；εp為混凝土極限拉伸值；EC為混凝土彈性模量；Kf為安全系數。

2.1.2 計算結果

方案一在無溫控情況下，混凝土最大溫升超過30℃。最大溫升超過類似工程的控制要求，故不采取無溫控措施。

表1 屬地氣溫要素表

表2 材料力學參數

表3 溫控設計方案

澆筑方案二～四均為溫控方案。對比方案二和方案三，其溫升過程相似，但溫度極值、到達極值時間均不相同。澆筑溫度下降2℃，底高程溫度極值下降1.3℃，出現時間提前約1天。中高程溫度極值下降0.8℃，出現時間提前約0.5天。

對比方案三和方案四，對早澆筑混凝土無影響。對后澆筑混凝土有溫度回升。方案二～四中底部高程在通水期可見明顯快速溫降。

混凝土允許水平拉應力按劈拉強度/1.65 、極限拉伸×彈模/1.65兩者比較后取小值控制。選取不同高程特征位置，圖2給出了各澆筑方案內部C25混凝土特征點順河向應力時程曲線。無冷卻通水方案中，內部點拉應力極值將超過允許值標準。

圖3給出了各澆筑方案外側C40襯砌混凝土特征點溫度時程曲線。澆筑溫度降低有利于邊墻外側點應力極值的減小。加強后期保溫后，由于溫降幅度及速率有所減小，其應力極值相應減小。

2.1.3 分析小結

采取通水冷卻、降低入倉溫度、加強越冬期保溫后，使方案四的溫度應力極值符合了應力允許值標準。針對大體積混凝土，通過調整冷卻水管布置間距、入口溫度、換向時機等，采取合理的通水方案，能有效控制混凝土溫度過程。降低澆筑溫度有利于溫度極值、應力極值的降低，并影響其出現時間。采用通水冷卻后，對混凝土內部應力影響較邊墻外側顯著。越冬期加強保溫措施，雖對后澆部分特征點的溫度極值有微小提升，但可控制內外溫差、延緩整體降溫速率，對溫度應力的控制有利。更改表面保溫措施后，對邊墻的應力影響較內部點顯著。

圖2 各澆筑方案內部特征點應力時程曲線

圖3 各澆筑方案邊墻特征點應力時程曲線

2.2 薄壁混凝土結構

2.2.1 計算模型

三維有限元計算模型選取同一大型電站的導流洞洞身為研究對象，三維計算網格及混凝土分區如圖4所示，其中建基面高程以下、頂拱以上基巖厚度約30 m，洞身軸線上、下游側順河向范圍約30 m。X軸橫河向，垂直水流由右岸水平指向左岸；Y軸順河向，由上游水平順水流指向下游；Z軸鉛直向上。計算按照先整體澆筑邊墻及頂拱，再澆筑底板的方法。邊頂拱澆筑時間采用進度計劃的冬季施工。

混凝土襯砌頂拱采用C30混凝土，邊墻地板采用C40混凝土。混凝土熱學特性參數見表4，力學特性參數見表5。

圖4 洞身段三維模型及材料分區

該工程冬季襯砌混凝土在澆筑時面臨突出的環境問題，洞內環境溫度低、晝夜溫差大，洞內干燥且對流風大。根據工程實際情況，擬定了表6所示的溫控設計計算方案。同時加強冬季覆蓋保溫和流水養護。

2.2.2 計算結果

表4 材料熱學參數

表5 材料力學參數

表6 溫控設計方案

本文溫度應力控制標準見表7。因篇幅限制，只列出方案甲和方案丁的溫度、應力極值包絡分布，如圖5～6。

方案甲混凝土最高溫度澆筑后3天內達到，底板及邊墻內部最高溫度約28℃～32℃，頂拱內部最高溫度31℃～34℃。由最大應力包絡云圖所示，底板及邊墻最大順河向拉應力2.9 MPa，最大鉛直向拉應力3.6 MPa，超允許抗拉強度要求，開裂風險大。

(a) 方案甲溫度極值包絡云圖(單位：℃)

(b) 方案甲順河向及鉛直向應力極值包絡云圖(單位：MPa)圖5

(a) 方案丁溫度極值包絡云圖(單位：℃)

(b) 方案丁順河向及鉛直向應力極值包絡云圖(單位：MPa)圖6

方案丁底板和邊墻采取中熱水泥，底板及邊墻內部最高溫度約29℃～35℃，比低熱水泥最高溫度高約4℃；頂拱內部最高溫度30℃～35℃。由于中熱水泥絕熱溫升值與普硅水泥接近，整體內部極值的分布較均勻。

方案丁底板及邊墻順河向最大拉應力1.9 MPa，最大鉛直向拉應力2.1 MPa(安全系數1.65時，允許拉應力1.97 MPa)，順河向應力極值未超過允許抗拉強度要求，沿直向應力極值略超允許抗拉強度要求，開裂風險較小。

表7 混凝土允許水平拉應力

方案乙對比方案甲，環境溫度上升5℃～10℃后，溫度極值增加1℃，應力減小約為0.4～0.5 MPa。方案丙對比方案乙，澆筑溫度下降4℃，溫度極值下降約3℃，應力減小約為0.1～0.5 MPa。方案丁對比方案丙，采用中熱水泥后，溫度極值增加，但應力減小約為0.4 MPa。

2.2.3 分析小結

表8 溫控設計方案計算結果

表8列出了四個溫控設計方案的計算成果。計算工程實例中襯砌為薄壁結構，混凝土散熱條件好且易于散熱，其溫度極值相對較低，且溫度極值出現的時間相對大體積混凝土較為提前。混凝土特性、澆筑溫度、環境溫度變化對薄壁混凝土的應力大小敏感。就工程實例的中熱水泥和低熱水泥相比，低熱水泥水化熱降低帶來的優勢不足以抵扣其自生體積變形較大帶來的劣勢，故本例的中熱水泥綜合溫控性能強于低熱水泥。

基于上述計算結果，對于冬季襯砌抗沖磨混凝土提出主要技術要求及措施如下：

(1)采用中熱水泥；

(2)控制澆筑溫度不高于12℃，間接控制最高溫度；

(3)控制混凝土內部和外表溫差；

(4)采取人工方法干預，提升冬季環境溫度平均為10℃；

(5)拆模后采用保溫材料持續保溫、采取溫水養護；

(6)控制水膠比，盡量采用低坍落度混凝土澆筑；

(7)薄壁結構在尺寸較大時可埋設冷卻水管。

3 施工反饋和防裂機制

3.1 計算實例的實施

根據計算實例推薦的溫控方案(方案丁)，該工程導流洞洞身襯砌混凝土澆筑按計劃施工。在冬季澆筑的試驗S1(試驗1)倉至S5(試驗5)倉的澆筑情況匯總見表9。

表9 推薦方案澆筑試驗結果

圖7給出了試驗S2倉的監測點溫度變化過程。對比前述仿真計算，采取溫控方案丁，底板及邊墻內部最高溫度約29℃～35℃，頂拱內部最高〗溫度30℃～35℃。數值模擬的溫度極值為34.25℃(圖6(a))各試驗倉溫度極值的平均值34.48℃接近。模擬極值出現位置也與實際接近。溫控分析計算具有較明顯的指導價值。

圖7 試驗S2倉監測點溫度過程

3.2 高原條件的溫控防裂對策

分析實例表明，澆筑溫度每降低1℃，溫度極值將降低0.4℃～0.7℃，一般大體積混凝土澆筑也符合類似規律。通水冷卻是控制溫升的過程，通過水管間距、布置形式、冷卻水溫等參數控制，可有效降低混凝土最高溫度。但實際工程施工中效果差異較大。保溫保濕主要涉及混凝土養護工作，冬季保溫主要是控制晝夜溫差、寒潮等低溫影響，夏季保溫主要是防止外部熱量倒灌。保濕不僅能改善混凝土表面質量，通過水溫調節，在一定程度上也可以起到冬季補溫、夏季降溫的效果。高原地區氣候干燥，且大風增加對流，混凝土表面的保濕養護尤為重要。

控制薄壁混凝土開裂風險，關鍵在原材料、混凝土溫差、降溫速率等因素。要嚴格控制澆筑溫度及最高溫度。控制混凝土內部最高溫度的目的一方面是降低內外溫差和混凝土早期開裂風險；另一方面是降低混凝土施工期早期應力，后期減小運行期混凝土與水溫溫差所產生應力的疊加值，從而降低運行期混凝土開裂風險。因此，薄壁混凝土溫控防裂主要從混凝土特性、澆筑溫度、環境溫度方面以及水泥用量、通水冷卻和保溫養護條件等方面提出具體要求和措施。

在實際施工過程中，須提高對施工工藝、施工質量、施工過程控制的認識。根據前期分析論證，合理規劃混凝土的澆筑時間，在高溫和寒冷季節采取有效的措施，從材料控制、材料溫度控制、澆筑分層分區設計、混凝土運輸、澆筑質量、振搗質量、保溫保濕、養護監測等方面全過程嚴格把控，能有效控制高原地區大型水電站混凝土結構的溫度應力及裂縫發育發展。

4 結 論

(1)在有限元分析中，需根據工程和結構特點建立不同精度的模型，材料參數擬定要基于試驗和相似工程類比，適當進行反演。結合實際氣候條件進行邊界輸入，把實際施工過程充分反映到計算中，對關鍵參數進行敏感性分析，對主要控制要素(如冷卻水管的模擬)采取多種手段來實現。重視施工反饋，以期真實反映工程實際并科學地指導施工。

(2)針對高原地區大型水電站工程的大體積混凝土結構，溫度控制的主要措施有：低溫澆筑、通水冷卻、保溫保濕和環境控制。需結合工程特點，通過綜合方法進行溫控防裂。

(3)混凝土薄壁結構散熱條件好，溫度極值相對較低，極值出現的時間較早。控制薄壁混凝土開裂風險，關鍵在優選材料、控制混凝土溫差和降溫速率，尤需注意保溫保濕。