大古水電站大壩岸坡壩段溫度應力特性及澆筑溫度影響分析

陳 亮，頡志強，王首豪2，

（1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，拉薩 856200；2.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；3.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010）

0 引 言

大古水電站位于西藏自治區山南市桑日縣境內，工程主要任務為發電，水庫正常蓄水位3 447.00 m，為日調節水庫。電站裝機容量為660 MW。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程3 451.00 m，最大壩高118.0 m，是目前國內在建海拔最高的碾壓混凝土重力壩［1］。大古水電站壩址海拔較高（約3 500 m），呈現出“溫差大、氣壓低、輻射強、空氣干燥、大風頻繁”等典型高原氣候特征，對該地區混凝土結構防裂提出了更高的要求［2-5］。

裂縫是困擾混凝土壩建設質量的頑疾，經過數十年的研究與實踐，我國已在大體積混凝土防裂領域取得了大量有價值的研究成果和先進經驗［7］。然而，水利水電工程作為復雜的系統工程，各工程所處的地理氣候環境、所采用的混凝土材料、結構形式、施工方式、運行條件都大有不同，因此混凝土裂縫仍然普遍存在。目前，國內已逐步形成了包括：材料改進、結構優化和自動化、智能化［8，9］施工措施在內的成套溫控防裂方案。在施工措施中，控溫澆筑與表面保溫、通水冷卻同等重要［10-12］。然而，包括：膠材留置、骨料風冷、加冰拌和、運輸隔熱等在內的混凝土控溫生產、澆筑措施，會大幅增加施工成本。對于規模相對較小的工程，過于嚴格的澆筑溫度控制指標，雖能起到較好防裂效果［13］，但會大幅增加施工成本。因此，從實際出發，在確保防裂效果前提下，優化澆筑溫度控制指標是必要的。鑒于此，本文依托大古工程，選取其岸坡壩段為對象，通過數值模擬，系統研究了其在施工過程中的溫度、應力及抗裂特性，在此基礎上，研究了澆筑溫度對防裂的影響，提出了澆筑溫度指標合理化建議。

1 分析方法及工具

混凝土結構溫度場、應力場仿真一般采用三維非線性有限元法，相關理論已較成熟［7］，這里不再贅述，僅簡要介紹分析采用的軟件。本文采用長江水利委員會長江科學院自主研發的混凝土結構溫控仿分析軟件Ckysts1.0，該軟件是在長江科學院大體積混凝土結構溫度場和溫度應力三維有限元仿真計算程序包（包括溫度場程序3DUSTEMP、應力程序3DCRCPCG 及前后處理程序）基礎上完善升級而成。后者是1992年長江科學院材料所為滿足三峽工程建設相關研究需要自主研發，先后應用于三峽、南水北調穿黃工程、丹江口大壩加高工程、隔河巖、水布埡、構皮灘、彭水、廣西平班、廣西長洲、沐若、向家壩、溪洛渡、烏東德、引江濟淮等大型工程的溫控防裂研究及方案設計中。在三峽工程建設中，該軟件包完成了所有主體結構（大壩、廠房、船閘、升船機等）的溫控仿真分析，成果獲各方一致認可和好評。如今，該軟件包已經發展成為一整套完全自主知識產權的大型水工數值分析工具Ckysts，并完成了CPU+GPU 的異構并行化改造［14-16］。

2 基本資料

2.1 計算模型

選取岸坡壩段（高97 m）作為研究對象，地基選取范圍為上下游方向各選擇1.5 倍大壩長度；深度方向選取1.5 倍壩高，建立三維有限元模型（見圖1）。坐標軸X方向為順水流方向，下游為正；坐標軸Y方向為壩軸線方向（橫河向），左岸為正；坐標軸Z方向為豎直向，向上為正。模型采用8節點六面體單元，節點157 040 個，單元141 835 個，采用改進埋置冷卻水管單元法［17］模擬通水冷卻（見圖2），水管單元共計52層。

圖1 有限元模型及分層（地基未顯示）Fig.1 Finite element model and pouring layer

圖2 冷卻水管布置Fig.2 Layout of cooling pipe

2.2 材料參數

2.2.1 混凝土配合比及力學參數

岸坡壩段采用三種混凝土，相應的配合比及力學參數見表1。

表1 混凝土配合比及彈性模量Tab.1 Mix proportion and elastic modulus of concrete

2.2.2 熱學參數

根據材料性能試驗成果，混凝土熱學性能參數見表2。

表2 混凝土熱學性能參數Tab.2 Thermal performance parameters of concrete

2.3 環境溫度

仿真計算所采用的環境溫度，根據壩址區歷史氣象資料擬合如下式：

式中：Tc(t)為t時刻溫度，℃；t為時間，d。

2.4 混凝土澆筑溫度控制

仿真計算中，各層澆筑溫度嚴格按照設計要求（見表3）模擬，根據當地平均溫度提前30年起進行溫度場計算至澆筑時刻，得到地基初始溫度場。

表3 澆筑溫度控制值Tab.3 Pouring temperature requirements

2.5 通水冷卻

仿真計算中，通水冷卻過程按照設計要求模擬，岸坡壩段混凝土下料即開始一期通水冷卻；基礎約束區進口水溫不超過10 ℃，自由區不超過12 ℃；碾壓混凝土降溫速度不大于0.5 ℃/d，進口水溫與最高溫度之差不超過20 ℃；常態混凝土降溫速度不大于1 ℃/d。溫差不超過25 ℃；通水時間不少于28 d；高溫季節（4月上旬-10月上旬）澆筑的混凝土入冬前進行中期通水。9月開始，對本年度高溫季節澆筑的混凝土進行中期降溫，目標溫度16 ℃。

2.6 表面保溫

仿真計算中，各層保溫措施嚴格按照設計要求（見表4）模擬。

表4 表面保溫要求Tab.4 Surface insulation requirements

2.7 分層及間歇期

澆筑分層按照設計及實施性進度計劃模擬：常態混凝土強約束區層厚不宜超過1.5 m，間歇5～7 d；弱約束區和自由區層厚不宜超過3.0 m，間歇7～10 d。碾壓混凝土強約束區層厚不宜超過1.5 m，間歇10 d；弱約束區和自由區層厚不宜超過3.0 m，間歇12 d。

2.8 特征點

各澆筑層布置3個特征點，分別位于各澆筑層中心線上（左右和高程均位于中心），上下游面特征點分別距離表面50 cm，中心點位于倉面中心。

2.9 抗裂安全度

混凝土抗裂安全度按式（2）定義，后續分析中“最小抗裂安全度”為計算周期內（2019年7月澆筑至2020年3月越冬結束期間的溫度應力場）的k最小值：

式中：t為混凝土齡期，d；k（t）為齡期t時混凝土抗裂安全度，1；f（t）為齡期t時混凝土強度（本次分析中采用虛擬強度），MPa；σ1(t)為齡期t時的混凝土第一主應力，MPa。結合以往工程經驗，抗裂安全度指標取1.8。

3 岸坡壩段溫度應力特性分析

3.1 岸坡壩段溫度場時空分布特性

根據進度，在設計溫控措施下，2019年7月底至9月初澆筑的3 355.5～3 375 m 高程內各澆筑層均溫統計見表5。結果表明，由于連續澆筑，溫度分布基本均勻，層間溫差不大。各層均溫峰值多在21～23 ℃；各層一冷降溫速率基本不大于0.3 ℃/d，一冷結束時，各層溫度基本在17～18 ℃。10月初進行中期冷卻，大壩溫度持續降低至16～17 ℃；此后越冬，絕大多數澆筑層持續降溫，至次年3月底，各層溫度基本在13 ℃左右，且越冬期降溫緩慢，溫降幅度2～3 ℃左右，降溫速率滿足防裂要求。

表5 各澆筑層平均溫度統計Tab.5 Summary of average temperature of each pouring layer

溫度分布方面，按實施性進度及溫控措施，上下游面不同高程峰值溫度在28 ℃左右，各層內部峰值溫度基本在20～21 ℃左右（圖3）。水管有效控制了內部峰值溫度。上下游面附近采用常態混凝土（機制變態，膠材用量大），同時表面采用了EPS板保溫，因此其峰值溫度高于內部（見圖4、5）。越冬期，壩體溫度降至最低值（圖6），表面8 ℃左右，而中心15～17 ℃之間，中心溫度隨高程上升而略有上升。

圖3 不同高程特征點最高溫度Fig.3 Maximum temperature of typical points at different elevations

圖4 最高溫度包絡圖（單位：℃）Fig.4 Maximum temperature envelope

圖5 最低溫度包絡圖（單位：℃）Fig.5 Minimum temperature envelope

圖6 不同高程特征點最低溫度Fig.6 Minimum temperature of typical points at different elevations

溫度發展歷程方面，以中間高程3 360.5 m 特征點為例，表面和內部溫度均經歷了先上升后下降直至穩定的過程。早期水泥水化放熱混凝土升溫，此后在冷卻降、散熱、導熱作用下，溫度下降。一冷結束后，內部溫度降溫至16 ℃左右，并在此后保持基本穩定。外部由于存在持續散熱作用，溫度因此進一步降低，越冬期間溫度降低至8 ℃左右（見圖7）。

圖7 高程3 360.5 m不同位置特征點溫度歷程Fig.7 Temperature history of typical points at different locations with an elevation of 3 360.5 m

3.2 岸坡段應力場時空分布特性

圖8、9 為2019年8月至2020年3月，岸坡段應力及抗裂安全度分布。現有施工進度及溫控措施下，岸坡段最大應力集中在上下游面，尤其在與基巖接觸的貼角部位（開裂風險最高），最大應力超過了2.5 MPa，壩段內部應力較小。不同高程特征點最大應力及最小抗裂安全度分布見圖10、11。各部位最大應力受所在高程位置及澆筑進度影響比較明顯。3 362 m 高程以下，隨高程上升（距離底部約束越遠），最大主應力逐漸減小，至3 362 m高程時，根據進度安排，存在較長間歇期（15 d左右），下部混凝土約束較大，其上部混凝土早期最大應力較大。此后，隨高程上升，應力逐漸變小。3 374 m 高程時，存在較長間歇期（20 d 左右），其上混凝土早期最大應力增大更為明顯。上述結果表明，間歇期越長，對混凝土防裂越不利。

圖8 最大應力包絡圖（單位：MPa）Fig.8 Maximum stress envelope

圖9 岸坡段最小抗裂安全度分布Fig.9 Minimum crack safety distribution

圖10 不同高程特征點最大主應力Fig.10 Maximum temperature of typical points at different elevations

圖11 不同高程特征點最小抗裂安全度Fig.11 Maximum temperature of typical points at different elevations

現有措施下，上下游面尤其是貼角部位，在越冬期很難達到1.8 的抗裂安全度，尤其是下游面靠近底部墊層位置，最小抗裂安全度1.0 左右（開裂風險極高）。相比之下，大壩內部應力很小，最大應力均在一冷期間，最小抗裂安全度均大于2.0，說明內部再開裂風險極低。由典型高程特征點應力歷程（見圖12）可知，上下游面出現抗裂安全度小于1.8 主要是越冬期降溫所產生的應力超過了相應的允許應力所致。因此，在施工期可通過適當減小表面保溫力度（切忌盲目大力度保溫，確保有一定散熱能力）以控制峰值溫度，減小基礎溫差。此外應適當延長中期通水時長，減小內外溫差，提升表面抗裂安全度。

圖12 3 360.5 m高程不同位置特征點第一主應力σ1歷程Fig.12 Stress σ1 history of typical points at different locations with an elevation of 3 360.5 m

3.3 澆筑溫度對岸坡壩段溫度應力的影響

在其他條件不變情況下，澆筑溫度在設計澆筑溫度基礎上提高2～5 ℃進行分析。

在對澆筑層平均溫度的影響方面，澆筑溫度上升高2 ℃和5 ℃，岸坡段不同澆筑層的峰值溫度分別上升1～3 ℃左右（見圖13），沿高程峰值溫度均勻，澆筑溫度提高，溫峰時間略有提前。一冷后各層平均溫度差異在1.0 ℃，降溫速率差別在0.1 ℃/d 以內。越冬結束后，各層平均溫度差異極小（0.5 ℃左右）。

圖13 澆筑溫度對澆筑層均溫峰值的影響Fig.13 Influence of pouring temperature on peak average temperature

對應力影響方面，從澆筑至次年3月份，表面及內部第一主應力的最大值隨著澆筑溫度升高而增大。澆筑溫度提高2 ℃和5 ℃，上、下游面力分別增加0.1 到0.2 MPa。對應的抗裂安全度方面，澆筑溫度越高，內部（圖14）及上、下游面（圖15～圖16）最小抗裂安全度值越低。岸坡段靠近底部墊層的下游面最小抗裂安全度在1.0 左右，澆筑溫度上升5 ℃后，早期抗裂安全度僅為0.95，開裂風險極高。因此，對上下游面的機拌變態混凝土（常態混凝土），必須嚴格控制澆筑溫度。而對于占壩體主要方量的碾壓混凝土，在現有的溫控措施下，澆筑溫度提高2～5 ℃，對內部抗裂安全度影響較小。綜合考慮，提高碾壓混凝土澆筑溫度控制指標，對抗裂安全影響小且可以大幅節約成本。

圖14 澆筑溫度對中心特征點最大應力影響Fig.14 Influence of pouring temperature on maximum stress of center typical points

圖15 澆筑溫度對上游面特征點最大應力的影響Fig.15 Influence of pouring temperature on maximum stress of upstream typical points

圖16 澆筑溫度對上游面裂安全度最小值的影響Fig.16 Influence of pouring temperature on maximum stress of upstream typical points

4 結 論

（1）采取設計溫控措施條件下，岸坡段溫度場分布基本均勻，各澆筑層間的平均溫度差別不大。內部峰值溫度基本控制在20～21 ℃，一期通水冷卻結束時，普遍在16 ℃左右，外部在越冬結束時表面能夠達到8 ℃左右，峰值溫度、降溫速率均滿足設計要求。

（2）應力方面，根據目前的施工進度及防裂方案，岸坡段混凝土最大應力基本出現在上下游表面，開裂風險最高的是表面與貼角部位。內部點最大應力很小，歷史最大應力均出現在一期通水冷卻時，且無開裂風險。兩個較長的施工間歇面上下混凝土應力較大，建議調整施工進度安排，縮短施工間歇。

（3）對于岸坡壩段而言，一期通水后岸坡段內部溫度在16～17 ℃，建議延遲岸坡段通水冷卻時長，進一步減小越冬期的內外溫差。同時對于4-10月澆筑的混凝土，切忌在施工期間盲目大力度表面保溫，要確保表面抵御晝夜溫差變溫前提下有一定的散熱能力，否則越冬期表面開裂風險更高。

（4）澆筑溫度方面，澆筑溫度對峰值溫度和溫峰時間有一定影響，但對降溫速率、一期結束時的壩體平均溫度影響有限。應力方面，澆筑溫度上升對上下游面防裂不利，但由于岸坡段內部應力水平較低，澆筑溫度適當上升對岸坡段內部應力及抗裂安全影響有限。因此，建議嚴格控制機拌變態混凝土澆筑溫度前提下，岸坡段碾壓澆筑混凝土控制標準可提高2～5 ℃，以控制成本。