官地碾压混凝土重力坝技施阶段温控措施研究

杨晨光，程福安，孙宝来

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610007）

官地水电站位于四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的打罗村境内，系雅砻江卡拉至江河口河段水电规划五级开发方式的第三个梯级电站。该地干湿季分明，温差较大，温控需重点研究。

大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1 334m，正常蓄水位1 330m，最大坝高168m，最大底宽153.2m。大坝混凝土总方量约344.5万m3（其中RCC约292.7万m3）。整个坝体共24个坝段，坝轴线长516m，自左至右分别布置左岸挡水坝段、左侧中孔坝段、河床溢流坝段、右侧中孔坝段、右岸挡水坝段。

碾压混凝土坝由于采用水泥用量少的干硬性混凝土和薄层碾压连续浇筑方法施工，其与用传统的柱状浇筑法施工的常态混凝土坝在水化热、散热条件和方式、温度应力的主要影响因素等方面有明显不同。为发挥碾压混凝土连续浇筑快速施工的优点，通常无纵缝通仓浇筑或横缝间距较大，从而浇筑块较长，上下层温差和基础温差引起的应力均较大。另外，碾压混凝土发热历时也较长，温升缓慢，自然温降时间也长，尤其是通仓浇筑的坝，无接触灌浆前的二期冷却，有时要几十年的天然冷却才能达到坝体稳定温度，所以内外温差将在相当长的时间内起控制作用[1][2]。制定合适的温控标准及控制措施是防止大坝裂缝最有效手段[3]。

1 基本资料

坝址气象水文资料见表1。坝体用到十余种混凝土，表2～3给出坝体内部所用到主要碾压混凝土热力学参数，其中绝热温升按双曲线公式模拟。

2 温控标准及主要温控技术要求

（1） 内部混凝土最高温度控制标准。混凝土允许最高温度取决于稳定温度、基础温差、内外温差和上下层温差等。为便于施工管理，通常将温差控制标准等转化为坝体混凝土的允许最高温度，并作为控制指标，详见表4。

（2）表面混凝土保护标准。气温骤降来临之前，对龄期未满60天的碾压混凝土、变态混凝土和龄期未满28天的普通混凝土可采用β≤10.8kJ/m2·h·℃保温材料进行全面保护（侧面和表面），并对棱角部位采取加强措施。日平均气温低于3℃或最低气温低于－3℃时，对龄期未满28天的混凝土进行保温。

表1 气象水文资料

表2 主要碾压混凝土热学参数

表3 主要碾压混凝土力学参数

表4 内部主要混凝土允许最高温度 单位：℃

（3）相邻浇筑块高差控制。坝体相邻块高差不大于12m，碾压混凝土相邻块混凝土浇筑时间间歇不大于21天。

3 主要温控措施对比研究

对于大体积通仓浇筑的碾压混凝土，主要是利用控制混凝土浇筑温度，混凝土表面散热，以及通水冷却等温控措施把内部混凝土最高温度控制在容许范围内，并结合表面混凝土养护等措施以防止大坝危害性裂缝的发生。然而温控措施的制定不仅要考虑施工期内部混凝土的温度分布及变化等因素，同时也要兼顾施工难度以及施工进度安排等。在温控标准基本确定的情况下，如何选择合适的温控措施，使得内部混凝土温度既能满足要求，且在施工上也切实可行是制定温控措施最需要考虑的事情。

现结合混凝土参数及实际边界条件等，利用有限元法给出各主要温控措施的仿真分析对比，包括浇筑层厚度、浇筑温度、间歇时间、通水温度及冷却时间等。并由此得出一些规律性的认识，据此初步制定官地水电站施工期温控措施，指导施工。

3.1 浇筑层厚

对于采取通仓连续浇筑的碾压混凝土，浇筑层厚度的选取不仅对最高温度和温度应力有显著的影响，也影响大坝施工工期。现采用有限元法分别对1.0m～3.0m浇筑层厚情况进行计算比较分析。其中：气温取年平均18.6℃，地温取年平均21.2℃；浇筑温度取18℃，浇筑间歇期7天；初期通14℃冷却水15天，冷却水管水平间距1.5m，铅直向间距根据浇筑层厚度确定。

表5 不同浇筑层厚下的混凝土最高温度成果

浇筑层厚分别取1.0、1.5、2.0、3.0m进行计算，有限元法算得各方案最高温度成果如表5。由表5所示的散热效果对比分析可知：

（1）混凝土最高温度随浇筑层厚度的减小而降低，降低浇筑层厚度能有效降低混凝土最高温度。

（2）表面自然散热效果随浇筑层厚度的增加而降低。浇筑的季节不同，层面散热的效果也不同，浇筑气温越低，层面散热效果越好，冬季的层面散热效果比夏季高出一倍以上；在高温季节，环境温度较高，表面散热效果相对将较不理想，因此有必要在高温季节采用水管冷却。

（3）对于3m的浇筑层厚度，采用双层水管冷却 （水管垂直间距都是1.5m）的降温效果要优于单层水管，虽然浇筑层厚度提高一倍，但最高温度却只增加了1.49℃。

3.2 浇筑温度

正确选择大坝混凝土的浇筑温度是防止混凝土开裂的关键。对温控而言，浇筑温度越低，混凝土的最高温度就越低，对混凝土的抗裂越有利。但是，浇筑温度的降低需要高昂的降温费用，从骨料的预冷，到加冰拌和等一系列降温措施，温降越多，费用越高。因此浇筑温度的选择需要综合考虑最高温度限制、费用和技术上的可行性等各种因素，在满足温度要求的前提下，尽量采用较高的浇筑温度。浇筑层厚度通常为1.5～3m。为选择合适的浇筑温度，分浇筑层厚1.5m及3.0m情况进行了不同浇筑温度的最高温升计算。其中：基础约束区浇筑层厚取1.5m，非约束区取3.0m；浇筑时间选在有代表性的夏、冬和春秋季，即7月、1月、及11月，相应的气温为23℃、11℃和14.6℃，浇筑间歇期7天。通水采用14℃制冷水15天，冷却水管间距：1.5×1.5m(水平×垂直)。

浇筑温度取为14℃～20℃分别进行计算，有限元计算成果如下表6。

表6 不同浇筑温度时的混凝土最高温度成果

根据不同浇筑温度的最高温度成果可知：

（1）浇筑层厚1.5m时，浇筑温度每提高1℃，混凝土最高温度约增加0.3～0.5℃；浇筑层厚3.0m时，浇筑温度每提高1℃，混凝土最高温度约增加0.5～0.7℃。可见，对于浇筑层较厚情况，较低浇筑温度对控制最高温度较为有效。而浇筑层较薄时，表面散热效果体现的更为明显，控制浇筑温度对减小最高温度效果相比浇筑层较厚情况要小。

（2）分析结果知：对于3m层厚，基础强约束区混凝土浇筑温度不超过18℃，弱约束区混凝土浇筑温度不超过20℃，最高温度能满足相应温控要求。

3.3 浇筑层间歇期

碾压混凝土发热一般较常态混凝土缓慢，在有水管冷却等措施情况下其最高温度通常出现在浇筑后5～7天，超过7天以后，温升呈下降趋势。

选择合理的浇筑间歇对控制混凝土最高温度、施工强度、工程工期有重要意义。间歇期过短势必增加混凝土生产、浇筑、碾压、立模、拆模的强度。过长的层间间歇会对新老混凝土结合不利，增加层间结合处理难度，并影响到混凝土浇筑的施工工期。同时，基础约束区长间歇，在遇到气温骤降等极端天气下更容易导致过大温度应力而产生裂缝。为选择合适的浇筑层间歇时间，对各个时间段浇筑的混凝土分别进行了不同浇筑间歇时间下的最高温度计算。其中：浇筑温度取18℃，冷却水管间距：1.5m×1.5m，冷却水温度14℃，冷却通水时长15天。

表7 不同浇筑间歇的混凝土最高温度成果

为研究不同间歇期的影响，选取了1.5m、3.0m两种浇筑层厚，分别对1月、7月、11月三个典型月份不同进行不同间歇期浇筑方案下的混凝土最高温度的计算。综合考虑浇筑进度安排及规范建议取值，初步拟定不同方案间歇期时间为3～14天，各方案最高温度计算结果见表7。

根据不同浇筑间歇期的最高温度成果可知：

（1）较长的浇筑间歇期可以增加混凝土表面散热效果，因而间歇期越长混凝土最高温升越低。但靠增加间歇期来提高表面散热效果有限，当间歇期超过5～7天以后，对降低最高温度的作用有限。

（2） 浇筑层越厚，表面散热效果越弱，且增加间歇时间对降低最高温度的作用衰减越快。因此对于浇筑层较厚情况，在满足浇筑强度情况下可缩短间歇 （不小于5天）从而提高浇筑进度。

3.4 冷却水温和通水时间

影响通水冷却效果的因素包括冷却水温、通水持续时间、水管间距、通水流量等。一般说来采用较低的水温及较大流量能取得更好的冷却效果，但过低的水温会导致温降速率过大，在水管周围的混凝土中产生较大的拉应力，可能产生温度裂缝。因此在制定混凝土温控方案时，需要在考虑浇筑的其它重要因素的同时，制定合适的水管间距并选择合适的冷却水温、流量及相应的通水时长。

为减小通水冷却敏感性分析工作量，水管间距及流量不做敏感性分析，考虑到实际浇筑所需通水能力，水管间距初步定为1.5m×1.5m，通水流量初步定为1.2～1.5 m3/h。水温及通水持续时间通过对比研究分析拟定。

其它主要计算参数如下：边界条件设置为绝热，浇筑温度20℃，计算成果见表8。

不同水温及通水时长的冷却效果分析表明：

（3） 对于碾压混凝土，由于其发热缓慢，持续时间长，且绝热温升小的特点，在通水的选择上，应尽量选择能够满足温控标准条件下水温较高而通水时间较长的方案，从而避免前期温降过大，而后期温度容易反弹的问题。

4 结语

综合以上对主要温控措施的敏感性分析，并结合快速施工的需要，在满足温控标准的基础之上拟定主要温控措施如下：

（1）浇筑层厚采用3.0m，浇筑间歇8～10天。

（2）3～10月浇筑温度基础约束区17～19℃，初期通12～14℃制冷水冷却20天；非约束区浇筑温度不大于23℃，初期通16℃制冷水冷却20天，采取仓面喷雾和仓面保温措施。

（3） 11月～翌年2月，混凝土自然入仓 （即以该月平均气温＋2℃为浇筑温度），初期通天然河水冷却15～20天。

表8 不同冷却水温、通水时长混凝土最高温度成果

（1）在其它条件一致情况下，冷却水水温越低，内部混凝土达到最高温度越低，降温幅度及降温速率也越大。冷却水温采用7℃时，虽算得最高温度最小，但最大砼水温度过大，达到21.6～23.6℃，同时降温幅度及降温速率也均较大，易导致裂缝产生。冷却水温采用10～14℃时，最大砼水温差相应较小，混凝土最高温度及温降速率等也都基本满足温度控制要求。

（2） 通水时间的选择，原则上是在混凝土最高温度后，再冷却一段时间，保证混凝土后期水化温升不超过前期的最高温度。一期冷却时间约在10～15天。

对于以上提出的主要温控措施，经官地水电站典型坝段进行了三维有限元温度以及温度应力仿真计算，并验证了该套温控措施能够满足大坝技施阶段温控标准。并以此为基础制定了更为详细的温控措施，指导施工。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社,1999

[2]朱伯芳.大体积混凝土非金属水管冷却的温降计算[J].水利水电技术,1997.

[3]丁宝瑛.混凝土坝温度控制设计的优化[J],水利学报,1982.