大江口水庫除險加固工程碾壓混凝土壩溫控設計

熊劍明

（江西贛禹工程建設有限公司，南昌 330000）

0 引 言

溫度荷載是碾壓混凝土壩主要的荷載形式，大體積碾壓混凝土早期溫度升幅小，后期溫度升幅大，達到高溫所需時間以及高溫持續時間均較長。其極限拉伸值略低于同標號常規混凝土，徐彈比僅為常規混凝土的30%～60%。碾壓混凝土施工時一般不設橫縫、大倉面薄層澆筑，雖然其水化熱溫升不高，但溫度應力問題仍然存在。為全面了解水利工程碾壓混凝土壩溫度場及溫度應力，文章依托具體水庫工程應用ANSYS 有限元軟件構建起其碾壓混凝土壩仿真模型，并通過對大壩分層施工過程的模擬，研究混凝土材料熱學力學特性、冷卻水管通水降溫、誘導縫布設等對壩體溫度場和應力場的影響，為水利工程碾壓混凝土壩溫度控制提供借鑒。

1 工程背景

大江口水庫除險加固工程位于湖南省婁底市，其碾壓混凝土壩采用圬工雙曲拱壩形式，壩高82m，壩頂高程842m，正常庫容4188×104m3，集水面積102.2km2，正堰式溢洪道設置5 扇8×5.2m的鋼板弧形閘門，泄洪流量最大可達1189m3/s。右壩肩因地形高程和工程地質條件的限制，增設40.2m 長的重力墩。壩體上下游均采用變態混凝土，中間則為防滲碾壓混凝土，墊層、底孔、表孔等則采用常態混凝土。其中，碾壓混凝土量為34×104m3，在混凝土總量中占72%。

2 計算模型

采用三維有限元法展開該水庫除險加固工程碾壓混凝土壩溫度場及溫度應力仿真計算，壩體左右岸、上下游和底部均延伸至壩高的1.5 倍，坐標原點選擇拱冠梁剖面壩頂上游點；沿左右岸向為X 向，指向右岸為正；順水流向為Y 向，向下游為正；壩高方向為Z 向，向上為正。模型共包括69731 個單元和81446 個節點。溫度場計算時以地基底面、側面和兩岸壩肩側面為絕熱邊界，以水位以上壩體上下游面為固氣邊界，以水位以下為固水邊界[1]。應力場計算時地基底面按照固定約束處理，壩肩及地基左右岸、上下游側面分別按照X 向、Y 向約束處理。

3 碾壓混凝土壩溫控設計

3.1 碾壓混凝土配合比設計

混凝土配合比設計是碾壓混凝土壩溫度控制的關鍵，結合相關研究成果及大江口水庫除險加固工程實際，其壩體內部及上下游防滲區碾壓混凝土分別為C25 三級配和C25 二級配，結合強度等級、抗凍等級、抗滲等級、極限拉伸及密度，展開現場試驗，最終確定出的大壩碾壓混凝土配合比如表1所示，熱學及力學參數如表2 所示。

表1 大壩碾壓混凝土配合比

表2 大壩碾壓混凝土熱學及力學參數

3.2 分縫設計

結合設計規范，碾壓混凝土壩通常按照40～80m 設置橫縫，由于大江口水庫壩址區河道寬度較大，壩軸線長度超出400m，故不能簡單按照設計規范要求分縫[2]。經過對國內已建壩頂弧長較長的碾壓混凝土壩的分析，為盡量減少分縫，在初設階段僅設置2 條橫縫和5 條誘導縫，具體如圖2所示。經有限元溫度及應力仿真計算，表孔壩段下游溫度和應力指標均符合設計。

圖2 分縫設計

4 溫度控制

4.1 溫控要求

根據《碾壓混凝土壩設計規范》，必須結合工程實際進行溫度控制設計的基礎上，進行此類混凝土壩基礎允許溫差值的確定。該水庫碾壓混凝土壩澆筑塊長度在40～50m 范圍內，結合規范，應按照表3 確定其基礎允許溫差值范圍。結合允許溫差值及溫度應力仿真結果，該水庫碾壓混凝土壩最高溫度應按表4 進行控制。

表3 基礎允許溫差值范圍

表4 最高溫度控制標準

水庫碾壓混凝土大壩裂縫主要為內外溫差過大而引發的表面裂縫，所以，控制內外溫差是避免混凝土壩表面裂縫的關鍵所在。根據設計規范，一般水庫混凝土壩內外溫差應不超出15～25℃，結合對大江口水庫碾壓混凝土壩仿真計算結果，其壩體內外溫差應不超出16.5℃。

該碾壓混凝土壩施工時為通倉澆筑，待1#倉澆筑結束按要求養護至設計強度后方能進行2#倉澆筑，而此時，下層混凝土溫度已經開始下降，新舊混凝土溫度差的增大必將引發層間結合裂縫。為此，應將該水庫碾壓混凝土壩上下層新舊混凝土溫度差控制在17℃以內。

4.2 溫控措施

4.2.1 澆筑溫度控制

結合該水庫碾壓混凝土壩不同區域溫度控制要求以及澆筑方案，對不同澆筑溫度展開仿真計算，以確定最合理的澆筑溫度范圍，結果見表5。

表5 碾壓混凝土壩澆筑溫度

為達到所要求的澆筑溫度，必須在施工現場采取有效的溫控措施：①出機口溫度控制：混凝土制備時出機口溫度不得超出12℃，而結合現場試驗，該水庫大壩施工期間，僅11 月—次年2 月出機口溫度在12℃以內，其余月份則均高出12℃。所以在其余月份主要通過摻加冰屑、冷水以及二次風冷粗集料的措施降低出機口溫度，控制效果見表6；②混凝土溫度回升控制：混凝土出拌和站后需要經運輸、入倉、攤鋪及碾壓工序，在各個環節均應控制混凝土升溫。該水庫除險加固工程碾壓混凝土壩施工主要通過自卸車和膠帶機使混凝土運輸入倉，期間應采取遮陽措施控制溫升；入倉后則通過噴霧保濕，并在倉面形成霧狀隔熱層，降低日照強度，降低溫度升高程度。

4.2.2 預埋冷卻水管

大江口水庫碾壓混凝土壩預埋的冷卻水管采用導熱系數≥1.0kJ/（m·h·℃）、單根水管長度不超出250m 的可彎曲塑料管，并按照S 形敷設，具體布置要求見表7；同時配備3 臺ACW3840 型冷水機組。通水冷卻分成3 個階段：初期通水水溫18℃，通水時間20d，混凝土日溫度降幅應小于1.0℃；中期通水安排在9～10 月，通水水溫控制在14～18℃，保證混凝土結構內部溫度降至20℃；后期冷卻則安排在拱壩接縫灌漿施工前30d，通水水溫8℃，應使混凝土內部溫度降至12～15℃。

表7 冷卻水管布置要求

4.3 溫度監測

4.3.1 監測頻次

大江口水庫碾壓混凝土壩溫度監測主要包括壩基溫度、上下游表面溫度、壩體內部溫度等方面，選擇5 個典型壩段為主監測斷面，埋設183 支溫度計。通過鉆孔形式在拱冠梁壩段基巖面以下10m、5m、3m、0.5m 處埋設4 支溫度計監測壩基基礎溫度、允許溫差、基巖對基礎溫度的傳遞及溫度分布。壩體溫度計設置在監測斷面中心位置，并按照高程梯級網絡布置，底部測點較密集，以便盡快掌握碾壓混凝土溫升規律及溫控措施效果。混凝土溫升階段每間隔2h 進行一次觀測，初期溫度下降階段每間隔4h 進行1 次觀測，持續兩周后按照每周1 次展開監測。

4.3.2 監測結果

2020 年10 月壩基溫度計埋設完成，所測得的基礎混凝土溫度最高值為22.8℃，且測值穩定，混凝土澆筑初期下層溫度較低，上層溫度普遍較高。在后期通水冷卻的作用下，2021 年1 月開始壩基溫度開始下降，此后便維持在18℃左右，符合設計。

根據對表面溫度計測點過程線的分析，低溫季節溫度驟降，混凝土表面溫度降幅遠遠大于內部降溫幅度，故碾壓混凝土壩內外溫差最大值通常出現在低溫季節。該水庫碾壓混凝土壩在壩體上下游面粘貼50mm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫，處理后的表面混凝土溫度最低為8℃，比壩址區同期2.8℃的溫度均值高，保溫效果較好。

預埋冷卻水管通水后高溫季節降溫塑率達到1.1℃/d，初期降溫速率滿足設計要求，降溫效果良好。而在低溫季節，最大降溫速率不超出0.5℃/d，且隨著高程的增大，降溫速率減小，后期冷卻溫度和效果基本滿足規范要求。

5 計算結果

5.1 溫度場計算結果

結合大江口水庫上下游正常水位以及1 月及7月水溫、氣溫，所得到的1 月和7 月準穩定溫度場計算結果見圖3 和圖4。考慮到該水庫除險加固工程碾壓混凝土壩厚度較薄，壩體在持續運行5a

圖3 大壩1 月份溫度場云圖

5.2 應力場計算結果

溫度應力是以碾壓混凝土溫度變化所引起的應力，主要有溫差、徐變、體積變形等產生的應力，結合對溫度應力場的模擬結果，基礎約束區、壩頂附近及、兩岸壩肩及施工期內長間歇面附近溫度應力均較大。壩體應力變化較規律：高溫季節壩體表面應力主要表現為壓應力，低溫季節則表現為拉應力，且表面應力隨環境溫度變化而呈簡諧變化。溫度下降后，拱端上游面拉應力變大，拱冠上游面拉應力減小；結合壩體上游面應力云圖，臨近兩岸壩肩處的區域拉應力較大；隨著溫度升高，拱冠上游面拉應力變大，拱端上游面拉應力減小。低溫季節，壩體表面溫差增大，其最大應力值也隨之增大。

水庫蓄水后，因壩體表面溫度會驟降至水溫溫度，溫差的增大使應力值隨之增大，故壩體表面應力值表現出突變。壩體設置2 條橫縫和5 條誘導縫后最大主應力值降低0.5～1.0MPa，壩體應力分布更加均勻。

6 結 論

綜上所述，澆筑溫度是水庫碾壓混凝土壩溫度場高度的決定性因素，從基礎至壩頂，壩體溫度變后溫度場基本接近準穩定溫度，且準穩定溫度場因受到外界溫度變化、時間作用、壩段上下游面水位以下溫度變化的影響后呈周期性變化；水位以上溫度與各月平均溫度基本一致。按照設計，該水庫碾壓混凝土壩強約束區、弱約束區、無約束區最高溫度均滿足設計規范所要求的碾壓混凝土壩基礎允許溫度范圍。形主要受到兩岸基礎約束。碾壓混凝土壩的溫控防裂必須從初期壩體結構設計時著手，借助三維有限元模型展開大壩施工期間溫度場及應力場模擬，鎖定裂縫最易發生的薄弱環節，通過結構尺寸的調整及溫控方案設計予以優化。為加強溫度控制，避免較大溫差和溫度應力產生，應盡可能選擇在低溫季節澆筑基礎強約束區混凝土。根據模擬結果及實際監測結果，文章所提出的溫控措施實施后，壩體內部溫度除夏季因設備故障而造成部分溫控指標超標外，其余時段溫控效果均較好，溫控方案切實合理，措施到位。