构皮滩水电站拱坝混凝土温度应力分析及控制措施

姚国虎

（中国水利水电第八工程局有限公司，四川崇州 611237）

1 概述

构皮滩水电站是乌江流域梯级电站之一，年均设计发电量约 97亿度。电站所在地为贵州省余庆县与湄潭县交界处（构皮滩镇）。该地区属云贵高原气候，高温季节较长，5～9月份平均气温在 20度以上，每年冬季和春季时有寒潮发生，对混凝土表面防裂极为不利。

大坝为双曲拱型混凝土坝，坝顶水平长度为525m，顶部高程为640.5m，最低基岩面至坝顶高度为232.5m，混凝土总量272万方。该电站是迄今为止喀嘶特地区修建的最大混凝土高拱坝。整个大坝从左到右设置27个坝段，位于中部的11～17#为溢流坝段，其它坝段为非溢流坝段（图1）。

图l 大坝立面图

2 温度与温度应力控制限值

2.1 温度控制限值

（1）允许基础温差。控制基础温差是防止大坝发生裂缝的主要手段，根据对大坝的实验室模拟计算分析，并考虑电站所在地区的气候环境及相关规范要求、工程经验等，大坝混凝土允许基础温差限值控制见表 1。弱约束区在此基础上提高 1℃～3℃控制。

表1 基础温差允许限值表

（2）坝体内部允许最高温度值。坝体内部混凝土允许最高温度限值随外部环境温度变化而变化，溢流坝段与非溢流坝段最高温度限值也有所不同。

表2为利用有限元法计算所得到的不同部位及不同月份坝体内部混凝土允许最高温度值。

表2 不同部位及月份坝体内部混凝土允许最高温度值

（3）上下层温差控制范围。为了防止坝体出现贯穿裂缝，下部混凝土浇筑超过28d的，在其上连续浇筑时，新老混凝土界面各自坝块长度的0.25倍的高度范围内，其上下层温差按 15℃～20℃控制。

2.2 温度应力控制标准(施工期)

对于混凝土基础浇筑部位，可利用有限元法或影响线法确定其水平徐变温度应力，按公式(1)确定其应力控制标准：

实验结果表明，坝体混凝土水平徐变温度应力最大值通常发生在中后期通水冷却结束时。公式(1)计算结果见如表3。

根据计算结果，大坝混泥土施工期温度应力都在许可的范围内。

表3 施工期温度（室内弹性模量试验成果）应力标准

3 坝体混凝土温度场施工期分布情况

3.1 准稳定温度场

根据对当地水文气象站的观测和记录数据进行分析，大坝蓄水后水库表面水温年平均值取18℃，根据气温多年平均变化情况，水库表面水温年变幅取10.2℃；对于库水温的变化深度，由于在坝体中部设置有泄洪中孔，所以取值 75m；大坝下游水面年均温度取 17℃，年变幅取 10.2℃，坝体下游底部年均水温取14℃。

通过对典型坝段 14#坝段的日标准稳定温度场进行分析（图2、图3），混凝土强约束区标准稳定温度为12℃～14℃，混凝土弱约束区标准稳定温度为12℃～16℃。

坝体上下游面受水温和外环境气温影响存在一定幅度的变化，坝体内部混凝土温度基本稳定在14℃～17℃。

3.2 温度在施工期的变化特点及冷却分析

浇筑混凝土后，内部温度受水泥水化热影响逐渐升高，将会达到一个最高温度峰值，因此在浇筑后的12 h对坝体进行通水冷却，以削弱混凝土最高峰值。早期水泥水化热较大，浇筑后的3～5 d内，内部温度将达到早期最高值，当冷却水吸收的热量大于水泥水化热热量后，坝体温度逐渐降低。但是在停止初期冷却通水后，因混凝土内仍有少量水泥水化热产生，混凝土内部温度会有少量回升。

降温过程见图4。

图2 14#坝段1月15日准稳定温度场

图3 14#坝段7月15日准稳定温度场

图4 通8℃冷却水混凝土降温过程

3.3 施工期最高温度

图5 典型坝段最高温度分区布置图

据图 5分析，最高温度在 14＃坝段，范围在22℃～32℃，高程456～465m区存在第一个高温区，总计4个高温区；21＃坝段最高温度值在19.1℃～32.0℃，范围与14＃坝段基本一致，总计3个高温区，均位于夏季高温季节浇筑混凝土区域。其余坝段最高温度分布规律与14、21＃坝段类似。

由于各坝块混凝土浇筑时间不同，造成各个不同坝段高温区分布的高程范围有所不同，如岸坡 20＃和 21＃坝段基础强约束区的早期混凝土平均温度相对设计允许温度有所偏高，而在 16＃和 17＃坝段的基础弱约束区，超过值0.8℃～2.0℃，产生的原因是该部位混凝土是在3月和11月所浇筑，混凝土浇筑温度（15℃）相对偏高，该时段河水温度为15.6℃，而又采用通河水进行初期冷却所致。对于 11月份浇筑的基础约束区，必须采用通冷水进行冷却，其它坝段可采用通江水进行冷却。

3.4 中后期通水冷却

中期通水主要是进入低温季节后，针对已经浇筑的混凝土内部温度仍然较高的部位进行再次通水冷却，使其内部温度与表面环境温度温差减少，降低因坝体内外温差造成的温度应力，避免坝体发生温度裂缝。对上年10月至当年4月浇筑的混凝土需在11月进行中期通水，对当年5至9月浇筑的混凝土在10月进行通水冷却。针对当地气候情况，直接通江水，将混凝土温度冷却至22℃即可。

后期通水是为了使坝体混凝土通过降温进一步收缩，使相邻坝段接触面张开到一定宽度（不小于2mm），从而达到对该缝面进行接缝灌浆的要求，使得对该缝面进行接缝灌浆且坝体温度回升后，拱坝形成一个更加紧密的整体，更好地满足受力要求。一般通6℃～8℃冷水，使坝体冷却至设计灌浆温度12℃～13℃。

4 施工期坝体温度应力分析

4.1 施工期温度应力

通过计算，位于基础约束区混凝土，水平向徐变温度应力最大值为0.55～1.39 MPa，设计允许温度应力为2.23MPa，满足要求。

4.2 施工期综合应力

施工期，受温度荷载的影响及坝体自重的作用，坝踵部位基本处在压应力状态；沿坝踵铅直向上，因后期通水温降作用，局部灌区沿拱圈方向出现了带状的拉应力区，最大主拉应力为0.85MPa（相应的有限元等效拉应力为 0.44 MPa），这些主拉应力主要由横向正应力所引起；在河床坝段的坝踵处，呈现出最大主压应力，其值为3.61 MPa（相应有限元等效压应力为 1.92 MPa）。因此蓄水前大坝的有限元最大等效应力均较小。

5 结 论

（1）根据水泥水化热产生情况，在浇筑后的4d天左右，将会出现混凝土早期最高温度。大坝基础强约束区早期平均最高温度在 20.1℃～30.3℃之间，弱约束区在23.5℃～30.6℃之间。

（2）进入低温季节后，对内部温度较高的坝段进行通水，从而降低内部与其表面的温差，防止坝体出现温度裂缝。混凝土冷却温度按22℃控制，通水时间为26～49d。

（3）后期通水，指在接缝灌浆前，对混凝土通水，使混凝土温度降低至要求灌浆允许温度。对于温度要求为 12℃～13℃的部位，采用 6℃～8℃冷水；对灌浆温度为15℃的灌区，在12～3月时，只用江水即可。

（4）参照坝体仿真应力计算成果，混凝土温度徐变应力发生在坝体基础约束区，最大值出现在混凝土后期通水冷却结束时，其变化值在 0.55～1.39 MPa之间，满足要求。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.中国电力出版社.1999.3