高海拔大温差地区河床坝段施工期温控防裂研究

李 涛，程 鲲，王振红

（1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，311122；2.黄河上中游管理局，陕西西安，710021；3.中国水利水电科学研究院，北京，100038）

1 概述

裂缝问题一直是工程界所面临的一大难题，不但影响工程的耐久性和使用寿命，也影响工程的安全性[1]。长期以来，国内外学者对混凝土裂缝问题进行了大量的科学研究，特别是以大坝为代表的大体积混凝土结构温控防裂[2-5]，但终因裂缝成因复杂、周围环境影响因素的随机性和多样性、混凝土材料特性参数表述不准确、温控防裂措施较难落实和设计温控措施安全裕度不够等问题，施工期难以完全避免裂缝的产生。工程经验表明[6]，在目前温控理论和温控措施很难有较大突破的前提下，通过对现有基本温控措施的灵活运用和优化组合，可更好地发挥温控防裂效果，满足工程建设需要。

水管冷却、表面保温和设置诱导缝都是大体积温控防裂常用的方法[7]，这些方法在低海拔或者平原地区已得到广泛应用，并且取得了很好的效果。但是在高海拔地区，特别是世界屋脊的西藏地区，尚无工程应用经验。这类地区海拔高、温差大、太阳辐射强、空气稀薄[8-11]，严重影响混凝土的温控防裂效果，因此需要开展高海拔大温差地区大坝的温控防裂专项研究，探索在这类地区筑坝的温控防裂措施和标准。鉴于此，以西藏某水电站河床坝段为例，采用数值计算方法，研究适合西藏高海拔大温差条件的混凝土温控措施和标准，为高海拔地区大坝的施工和建设提供重要参考。

2 工程概况和气象条件

2.1 工程概况

某水电站位于西藏自治区山南地区桑日、加查县境交界处，上游距泽当镇约80 km，下游距加查县约28 km。该水电站工程的开发任务为发电，坝址以上集水面积157 407 km2，坝址多年平均流量1 010 m3/s。

水电站水库正常蓄水位为3 374 m，相应库容0.474 8亿m3，调节库容为985万m3（冲淤平衡后）。电站装机4台，装机容量560 MW，保证出力152 MW，多年平均发电量为27.556亿kW·h。

水电站拦河大坝为混凝土重力坝，从左至右分别为左岸挡水坝段、厂引坝段、底孔坝段、溢流坝段及右岸挡水坝段。坝顶全长340 m，坝顶高程3 378.00 m，最大坝高117.0 m，最大底宽99.8 m，坝体混凝土总方量约164万m3。最大坝段宽度32.5 m，共分14坝段。坝身设5个泄洪表孔（14 m×21.5 m）、1个泄洪冲沙底孔（5 m×8 m）、4个发电进水口，结构复杂，大坝全年施工，施工周期长，施工条件复杂。

2.2 气象条件

西藏高海拔地区有特殊的气候条件，除气候干燥、空气稀薄和太阳辐射强的基本特征外，年平均气温低和月平均温差大也是该地区典型的气候特征。从表1和表2可以看出，该地区年平均气温9.3℃，远低于其他类似工程所在地的年平均气温。从图1可以看出，该地区的温度变化幅度较大，最高月平均气温和最低月平均气温相差16.3℃，最大的月平均温度变化为9～11月，两个月降低将近10℃，远大于其他类似工程。研究表明，环境气温高或低对温控防裂影响不大，但是环境气温变化大，无疑会加大混凝土的温控防裂压力。

表1 西藏某碾压混凝土重力坝所在地区气象信息（单位：℃）Table 1 Meteorological information at site of the RCC gravity dam(unit:℃)

表2 类似工程所在地的月平均气温对比（单位：℃）Table 2 Comparison of monthly mean temperature in dam site of some similar projects(unit:℃)

图1 西藏某工程和其他几个工程所在地的月平均气温对比Fig.1 Comparison of monthly mean temperature at dam site of researchful project and some similar projects

3 河床引水坝段施工期温控标准研究

3.1 研究方案

研究方案如表3所示。

3.2 浇筑温度对温度应力的影响

表4为不同浇筑温度时坝体混凝土温度应力结果。图2～3为不同工况特征点温度及顺河向应力过程线，可以看出：

（1）当强约束区浇筑层厚1.5 m，夏季浇筑的强约束区混凝土浇筑温度分别为12℃和14℃时，浇筑温度每提高2℃，坝体混凝土最高温度增加约1.2℃，最大应力相应增加约0.05 MPa，抗裂安全系数分别为1.81和1.74；

（2）弱约束区及自由区由于水管间距增大、夏季浇筑时浇筑温度升高，浇筑层厚为3.0 m，混凝土浇筑温度每提高2℃时，坝体混凝土最高温度增加约1.57℃，自由区最大应力相应增加0.01 MPa，但弱约束区及自由区应力都较小，安全系数大。

在相同的温控措施条件下，浇筑温度提高引起最高温度增大，使得一期冷却降温幅度有所增加，从而一冷结束时应力相对较大;将浇筑温度降至12℃，抗裂安全系数可大于1.8，因此可以取得较好的温控效果。

表3 河床引水坝段研究方案表Table 3 Temperature control schemes of diversion section on riverbed

表4 不同浇筑温度对温度应力的影响Table 4 Influence of different pouring temperatures on temperature stress

图2 工况1、工况2特征点温度过程线比较图Fig.2 Comparison of temperature of representative points under condition 1 and 2

图3 工况1、工况2特征点顺河向应力过程线比较图Fig.3 Comparison of stress along river of representative points under condition 1 and 2

3.3 同冷区高度和冷却方式对温度应力的影响

对工况1、工况3和工况4进行比较，3个工况的差异在于同冷区高度和冷却方式不同，具体条件见表3。表5为同时冷却区高度和冷却方式对温度应力的影响。图4～5为不同工况特征点温度及顺河向应力过程线。由图表可知：

（1）同冷区范围和冷却方式不同，对最高温度影响不大，同冷区方案最高温度基本为27.54℃；

（2）对于同冷区高度27 m，且从中冷开始同时冷却的方案，由于上下灌区温差较小和变形同步，基础混凝土受到的约束相对较小，强约束区中部最大应力为1.40 MPa，安全系数1.81；

（3）对于同冷区高度27 m，从中冷开始3灌区同时冷却，但从二冷开始，同时冷却区高度变为18 m的方案，由于第2和第3灌区温差和变形都有所差异，强约束区中部最大应力增大为1.48 MPa，安全系数降低为1.71；

（4）如果同冷区高度设为18 m，且从中冷开始同时冷却，强约束区中部最大应力为1.49 MPa，安全系数1.70，较工况1安全系数降低明显，安全储备减小。

图4 工况1、工况3、工况4下特征点温度过程线比较图Fig.4 Comparison of temperature of representative points under condition 1,3 and 4

图5 工况1、工况3、工况4特征点顺河向应力过程线比较图Fig.5 Comparison of stress along river of representative points under condition 1,3 and 4

表5 同时冷却区高度和冷却方式对温度应力的影响Table 5 Influence of simultaneous cooling zone height and cooling mode on temperature stress

综上，同时同冷区高度对混凝土应力的影响较明显，尤其对强约束区第一、第二灌区的混凝土影响较大。为减小强约束区灌浆前二期冷却末期的应力，应尽可能增大同时冷却区的高度，以减小由于上下层温度梯度导致的温度应力。河床坝段由于有24 m高的斜坡（3 261～3 285 m高程），建议基础约束区同冷区高度设为27 m。

3.4 表面保温对上下游面温度应力的影响

表6为不同保温措施对温度应力的影响，图6～7分别代表上游面3 276 m、3 282 m及3 284 m高程不同表面保护情况下温度过程线和轴向应力过程线，可以看出：

（1）采取表面保温与无表面保温措施，对表面轴向应力影响较大。表面点的温度随外界气温周期性变化，冬季温度低，夏季温度高；应力变化规律与温度变化规律相对应，冬季轴向应力大，夏季轴向应力小；保温后由于消减了温度的变化幅度，其应力也相应减小，保温效果明显。

（2）上游面最大应力一般出现在高温季节浇筑的混凝土进入第一个冬季时，此时混凝土内外温差最大，表面应力也最大。在相同内外温差条件下，受基础约束的影响，约束区表面的应力较自由区大。

（3）夏季浇筑坝体混凝土时，若入冬前强约束区已处二冷降温阶段，且基本接近目标温度，这种情况下的内外温差较小，表面坝轴向应力水平相对较低。当采取表面保护措施时（5 cm厚保温板），应力有所改善。上部混凝土多为低温季节浇筑，且脱离基础约束区，坝轴向应力较小。

（4）在不考虑昼夜温差时，无保温措施下3 276 m高程最大应力就达到1.23 MPa，采取表面保护（5 cm厚保温板）时，应力能改善为1.1 MPa；无保温措施时3 282 m高程最大应力就达到1.15 MPa，采取表面保护（5cm厚保温板）时，应力能改善为0.98MPa。

表6 不同保温措施对温度应力的影响Table 6 Influence of insulation measures on temperature stress

图6 不同表面保护工况温度过程线比较Fig.6 Comparison of temperature of representative points under condition 1 and 5

结合工程实际情况，根据仿真计算结果，建议该大坝施工时采用5 cm厚聚苯乙烯保温板进行保温，防止施工期产生表面裂缝。

图7 不同表面保护工况轴向应力过程线比较Fig.7 Comparison of axial stress of representative points under condition 1 and 5

4 结语

（1）在西藏地区修建大坝的工程经验相对欠缺，且这类地区存在海拔高、温差大、太阳辐射强和空气稀薄等气候条件，对混凝土的温控防裂十分不利，施工前应开展高海拔大温差地区大坝的温控防裂专项研究，探索适合在这类地区筑坝的温控防裂措施和标准。

（2）在满足工程实际的前提下，降低浇筑温度至12℃可有效降低混凝土最高温度和减小基础温差；增大同冷区高度至27 m可以提高坝体混凝土变形协调，降低相互约束，从而降低混凝土各部位间温度梯度导致的温度应力；采取5 cm厚的聚苯乙烯保温板进行表面保温，可以明显降低表面应力，特别是在温差大的高海拔地区。 ■