新疆某高拱坝温度应力计算与温度控制关键技术研究

顾佳俊，夏世法，李秀琳，李 蓉

（1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐，830000；2.中国水利水电科学研究院，北京，100038）

0 引言

拱坝一般比较单薄，对外界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化比较大。除了坝顶为自由边界外，接缝灌浆后受基岩约束较强，温度变形受到的外界约束比较大，因此温度应力对拱坝安全的影响非常显著，在严寒地区温度应力会更加突出。

新疆某常态混凝土双曲拱坝位于新疆自治区阿勒泰市布尔津县布尔津河干流河段，坝顶高程649 m，建基面高程555 m，最大坝高94 m。多年平均气温为5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃。在本地区修建混凝土拱坝，防裂任务艰巨，温控防裂难点主要体现在以下4方面：（1）基础3 m厚的混凝土盖板薄层长间歇很容易产生贯穿性裂缝；（2）冬季寒冷，全年寒潮频繁，且昼夜温差大，控制坝体上、下游表层混凝土的内外温差、防止表面裂缝的难度较大；（3）大坝每年可施工期为4～10月，11月至次年3月停工越冬，越冬水平面防裂及附近新、老混凝土之间的上、下层温差控制也是比较难解决的一个问题；（4）大坝的稳定温度较低，接缝灌浆前需要通水冷却使坝体降至封拱温度，这阶段有可能产生较大温度应力，对坝体防裂不利。

本次仿真计算以拱冠坝段为例，旨在遴选不同月份施工时大坝混凝土的温控措施及温度控制指标，达到大坝混凝土施工期防裂的目的。

1 仿真模型及计算资料

1.1 施工情况及材料参数

按照每层3 m高度安排施工进度，其中最后一层4 m。2010年6月20日浇筑完成3 m厚混凝土盖板，56 d之后开始主体浇筑，到10月底由于气温较低，停止浇筑，此时坝体高程为576 m。2011年4～9月，浇筑高程为576～612 m。2012年4～9月中旬，浇筑高程为612～645 m，9月下旬浇筑完成，混凝土高程649 m。原材料采用布尔津水泥厂P·I 42.5型硅酸盐水泥，玛纳斯电厂Ⅰ级灰，骨料为现场生产的水洗天然砂和人工混的混合砂及卵石回轧料，外加剂采用新疆五杰公司生产的NF-2缓凝高效减水剂和PMS-NEA3引气剂。混凝土材料分区见图1，配合比参数见表1，相关热学性能参数见表2。

图1 拱冠坝段混凝土分区图Fig.1 Concrete zoning of arch crown

1.2 计算模型及边界条件

采取三维有限元进行仿真计算，为了考虑接缝灌浆对坝体的作用，计算模型采用了相邻的3个拱冠坝段。整体坐标系坐标原点位于大坝上游坝踵处，X向为水流方向，正向为上游指向下游，Y向为垂直水流方向，正向为右岸指向左岸，Z向为竖直方向，正向为竖直向上。为保证计算精度，坝体沿上下游方向剖分8份，高度方向每0.5 m剖分一层，三维有限元计算模型见图2，采用8结点等参空间单元，共计15 036个单元，17 876个结点。

图2 拱坝拱冠坝段三维有限元计算网格图Fig.2 3D finite element calculation grid of arch crown

根据设计拟定的浇筑方案和接缝方案，施加各种荷载的综合作用（如混凝土自重、水压力、温度变化、徐变松弛等），并考虑坝体不同分区混凝土的绝热温升、弹性模量、徐变度等材料热力学性能随时间的变化，两侧坝段作为中间坝段的计算约束条件，以此进行仿真计算，仅整理中间坝段的计算结果。

温度场计算中：地基底面、地基4个侧面以及坝段横缝为绝热边界。坝体上下游面在蓄水前按第三类边界（坝面与空气接触）处理；蓄水以后，在水面以上为第三类边界，水面以下覆盖保温板也按第三类边界处理。

表1 混凝土配合比材料用量（单位：kg/m3）Table 1 Material consumption of concrete mix proportion(unit:kg/m3)

表2 混凝土主要热力学参数Table 2 Main thermodynamic parameters of concrete

应力场计算中：地基底面按固定支座处理，地基在上下游方向按X向简支处理，地基沿坝轴线方向的两个边界按Y向简支处理。坝体侧面在接缝灌浆后施加Y向法向约束，其余为自由边界。

1.3 温控边界条件

拱坝温控边界条件主要涉及到以下几方面：入仓温度、临时保温、冷却水管通水、越冬面保温、永久保温及封拱灌浆等方面。

（1）入仓温度控制：在施工期，不同月份浇筑的混凝土浇筑温度控制如下：5～9月份浇筑温度控制为12℃，4月份、10月份混凝土自然入仓，浇筑温度分别为10℃和8℃。

（2）临时保温方案：上、下游面在浇筑以后覆盖2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，按第三类边界条件考虑。浇筑层面采用2 cm厚聚氨酯泡沫被进行临时保温，并对5～9月浇筑的混凝土采取“喷淋”方式养护。“喷淋”水温在5月份约18℃，在6～8月份约24℃，在9月份约18℃。

（3）冷却水管通水要求：每层混凝土均布设1.5 m×1.5 m水管进行一期通水冷却，开始浇筑混凝土前0.5 h即布设水管通水预冷，通水结束时间为浇筑以后15 d。冷却水管采用高强度聚乙烯管，每卷长200 m，通水流量约20～25 L/min，通水方向每天倒换一次，采用河水进行冷却。对每年6～8月浇筑的混凝土，在当年10月1～15日通河水进行二期冷却，以消减上下游表面混凝土在越冬时的内外温差。封拱灌浆前冷却水管水温4℃。

（4）越冬顶面保温：采用26 cm厚棉被进行保温，等效放热系数为15.37 kJ/(m2·d·℃)；越冬层保温被在来年的4月中旬逐步揭开，开始新混凝土的浇筑。

（5）上下游面永久保温：均采用喷涂10 cm厚聚氨酯进行保温，等效放热系数为23.90 kJ/(m2·d·℃)。2010年浇筑的混凝土在当年10月初开始喷涂，2011年及以后浇筑的混凝土在拆模后即喷涂。

（6）封拱灌浆时间：不同浇筑月份对应不同封拱时间，2010年10月以前浇筑的于2011年5月15日封拱，10月浇筑部分于2011年8月15日封拱；2011和2012年浇筑的混凝土，其中4月、5月浇筑区在次年5月15日封拱，6月、7月浇筑区在次年8月15日封拱，8月及以后浇筑区在次年11月15日封拱。

2 仿真结果

温控计算的目的就是得出不同区域混凝土温度及应力随时间的变化规律，验证是否满足温控防裂要求，本工程重点关注区域包括基础固结灌浆盖板、夏季浇筑的强约束区混凝土、越冬面、夏季接缝灌浆浇筑块等4个部位。

2.1 基础固结灌浆盖板

由于布设了冷却水管，虽然盖板在气温较高的夏季浇筑，但最高温度只有25℃左右，混凝土在达到最高温度后由于通水冷却的作用，温度继续下降。二期通水冷却15 d后混凝土温度降低约5℃。2011年4月16号开始对其进行三期冷却，通4℃冷水30 d，然而5月份以后气温回升较快，在外界气温回灌和通水冷却共同作用下，通水结束时混凝土温度约降至8.6℃，随后对此部位进行接缝灌浆。

计算表明垂直水流方向应力最大，顺水流方向应力次之，竖向应力最小。虽然盖板混凝土在夏季浇筑完成，且位于基础强约束区，受地基约束很强，但由于接缝灌浆前采取了多期通水冷却，混凝土的徐变作用充分发挥，得到了较大的应力松弛，因此接缝灌浆前盖板应力并未超标。在蓄水以后的运行期，盖板应力随时间的延长缓慢上升，但不超过2.0 MPa，满足混凝土的防裂要求。固结灌浆盖板中间部位典型点过程线见图3。

图3 基础固结灌浆盖板中部混凝土典型点温度及应力变化过程线Fig.3 Temperature and stress variation of typical point of concrete in the middle part of the consolidation grouting cover plate

2.2 夏季浇筑区混凝土

由于控制夏季混凝土浇筑温度为12℃，且在一期通水冷却作用下，其浇筑块最高温度约26℃。混凝土在达到最高温度后由于通水冷却的作用，温度继续下降。二期通河水15 d后混凝土温度降低约4℃～6℃。来年4月16号开始对其进行三期冷却，通4℃冷水30 d，混凝土温度约降至8.5℃，然后此部位进行了接缝灌浆。

另外，进入运行期以后，大坝上游面和下游面的温度主要受外界气温或水温的周期性变化影响。位于水下部位的上游面，出现的最低温度约4℃，而与大气接触的混凝土表面，最低温度约1.2℃～2.0℃，即在上下游表面采取10 cm厚聚氨酯后，大坝表面不会出现负温。

在施工期，夏季浇筑块中部最大应力出现在三期冷却结束以后（接缝灌浆前），此时此部位混凝土温度基本达到稳定，而应力数值不超过1.5 MPa；而上、下游面最大应力出现的时间在来年的2月中旬，应力数值在2.0 MPa左右，主要原因是此时外界气温最低。在接缝灌浆后的大坝运行期，在外界气温和水温的共同作用下，混凝土的应力随温度呈现明显的周期性变化。2010年夏季浇筑混凝土下游面典型点温度及应力变化过程线见图4。

图4 2010年夏季浇筑混凝土下游面典型点温度及应力变化过程线Fig.4 Temperature and stress variation of typical point on the downstream surface of concrete poured in summer of 2010

2.3 越冬层面混凝土

在越冬面所在层混凝土进行一期冷却消峰并覆盖26 cm厚棉被以后，上、下游面混凝土最低温度出现在来年的2月底，最低温度3.0℃左右，而越冬面中部混凝土最低温度出现在2月底，最低温度约10.0℃。

在越冬期间，越冬面上应力最大的时刻出现在来年的1月下旬，最大应力约0.8 MPa。在上下游面附近，垂直水流方向水平应力σy较大，而在越冬面中部，平行水流方向水平应力σx较大。

进入运行期以后，越冬面上下游表面混凝土应力较大，主要受外界气温和水温的变化影响所致。其最大应力为1.9 MPa左右，基本满足混凝土防裂要求。

2.4 夏季接缝灌浆区混凝土

由于工程进度的制约，夏季接缝灌浆不可避免。在寒冷地区，夏季气温高、封拱温度低，两者的差值大，夏季封拱时由于外界热量的倒灌，导致表层混凝土高于封拱温度，将会导致进入冬季后表层混凝土的较大温差以及温差沿坝厚方向梯度较大，混凝土产生表面高应力。

温度计算表明，虽然对此浇筑块进行了四期冷却，以将混凝土的温度冷却至稳定温度进行接缝灌浆，其中一期、二期、四期冷却的效果比较显著，三期冷却的效果却不显著，而且在三期冷却期间，上游混凝土表面的温度还略有上升，主要原因是三期冷却的时间为2012年夏季，采用河水冷却，此时河水温度和外界气温均较高，从而导致三期冷却效果不明显。上游表面四期冷却结束时只能降至10.5℃左右，主要原因是四期冷却时间为夏季，混凝土表面受外界气温的热量回灌比较严重。

从应力的变化来看，对于上游表面及上游附近混凝土，因为接缝灌浆的时间在夏季，其最大应力并不出现在四期冷却结束时，而是出现在2013年的3月份左右。这主要是由于混凝土表面在接缝灌浆前的温度高于稳定温度，在冬季气温较低时，会导致混凝土表层温差较大，从而导致应力也较大。在采取了坝体表面永久保温、加强表层混凝土冷却等措施后，虽然夏季接缝灌浆混凝土浇筑块的表面应力在施工期过冬时会较大，但仍可满足防裂要求。夏季接缝灌浆浇筑块上游面典型点温度及应力变化过程线见图5。

3 结语

对于高寒地区修建拱坝，因当地气候条件十分恶劣，温控防裂的难度很大，必须采取控制浇筑温度、表面保温、通水冷却等综合温控措施才能有效防止裂缝产生。结合新疆某高拱坝开展了一系列温度应力与温度控制关键技术研究，得到以下可行性方案：夏季浇筑的基础固结灌浆盖板入仓温度小于12℃，经过三期通水冷却，加强固结灌浆期间的临时保温可防止应力超标。夏季浇筑混凝土入仓温度小于12℃，外加浇筑间歇层喷淋、内部通水冷却，坝体表面喷涂10 cm厚聚氨酯可确保大坝表面不出现负温。越冬面覆盖26 cm棉被可满足越冬期间的防裂要求。

目前该拱坝已投入运行3年，至今未发现渗水现象，说明现场采用的温控措施效果显著，对国内外类似地区新建混凝土坝的温控防裂具有重要指导意义。 ■

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