高寒区混凝土坝温控设计标准和防裂措施优化研究

杨春宝，韩小妹，温 州，邵剑南

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

我国地域辽阔，高寒地区分布范围较大。其普遍气候特点表现为：夏季炎热、冬季严寒且持续时间长；昼夜温差大且寒潮频繁。恶劣的气候条件使得在高寒地区修建混凝土大坝的温度控制标准与防裂难度极大。混凝土大坝施工往往仅适合在每年4—10月进行。针对高寒区气候特点，关注相应的混凝土坝温控设计要点，提出温度控制标准和混凝土防裂措施建议，是高寒地区水工建筑物设计的关键技术之一。

1 高寒区气侯特点

1.1 东北地区

东北地区以黑龙江省为例，位于中温带大陆性季风气候区，属于半湿润地带，夏季高温多雨，冬季寒冷而漫长。根据鹤岗气象站资料统计，最高气温出现在7月份，极端最高气温为37.7℃，最低气温出现在1月份，极端最低气温为-38.8℃。多年平均封冻天数147d左右，最大冻土深度为2.0m。

1.2 西北地区

西北地区以新疆北部为例，多年平均气温2.7℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-49.8℃，多年平均年降水量183.9mm，多年平均年蒸发量1915.1mm，多年平均风速1.8m/s，最大冻土深1.75m。

2 混凝土坝温控设计要点

高寒地区的年平均气温普遍在5℃以下，低气温导致坝体稳定温度基本在10℃以下。而夏季最高气温接近40℃，导致浇筑的混凝土最高温度通常比较高。因此，高寒地区的大坝施工过程中常常出现基础温差很大，超出规范限值，控制基础贯穿性裂缝的难度很大。而且，高寒地区往往全年寒潮频繁，冬季寒冷，导致控制混凝土表面内外温差难度较大，极易在混凝土表面引起裂缝，进而发展成为劈头裂缝。

2.1 温度控制标准

高寒地区混凝土坝温控措施需要结合类似工程经验开展各浇筑方案及温控措施的敏感性分析，以制定适当的温控措施、确定合理的温度控制标准，指导大坝的浇筑施工。

2.1.1浇筑温度

夏季浇筑的混凝土，其浇筑温度建议控制不超过15℃，其他季节可自然入仓。

2.1.2最高温度

控制混凝土最高温度的方法主要为控制浇筑温度和一期通水冷却，在采取上述相关措施后，坝体混凝土浇筑最高温度的控制在施工阶段可按月结合气温进行控制，提出相应的控制指标。建议最高不宜超过30℃。高温季节和低温季节可采用不同控制标准。

同时，部分工程也可按照基础强约束区和脱离基础强约束区两个区段进行最高温度控制，基础强约束区的控制要求更严格。

2.1.3基础温差

均匀分布的基础温差产生的应力与坝块的长度无关。由基岩的传热及混凝土水化热温升产生的非均匀温差产生的应力与坝块的长度有关，浇筑块的长度越大，温度拉应力就越大。建议基础约束区的基础温差控制在20℃范围内。

2.1.4上下层温差

上下层温差主要是由于混凝土浇筑温度的季节性变化和较长时间的停歇所引起，对混凝土浇筑块，当混凝土浇筑块的长度小于25m时，一般情况下，上下层温差引起的温度拉应力的数值不大。建议上下层温差控制在15℃范围内。

2.1.5内外温差

控制内外温差目的主要是防止表面裂缝，一般通过施加表面保温来实现。施工期大坝上下游面分别采用一定厚度的XPS板来进行保温，建议混凝土的内外温差控制在15℃～20℃范围内。

2.2 温度控制措施

2.2.1控制浇筑温度

对于大坝施工过程中的浇筑温度，必须进行控制，以控制坝体混凝土的最高温度。尤其是夏季浇筑的混凝土，其浇筑温度控制不宜超过15℃。

控制混凝土浇筑温度应从降低混凝土出机口温度、减少运输途中和仓面的温度回升等多方面着手。

在高温季节或较高温季节浇筑混凝土时，应采用预冷混凝土，可考虑采用风冷骨料，配备较大容量的制冷系统；夏季应对骨料料堆搭设遮阳蓬，采用地笼取料，在骨料料堆中埋设冷却水管进行通水冷却；另外，水泥和粉煤灰料仓也要进行防护，避免太阳直接暴晒。

加快混凝土入仓速度。为减少预冷混凝土的温度回升，应严格控制混凝土运输时间和仓面浇筑坯覆盖前的暴露时间。混凝土运输机具应设置保温设施，减少转运次数，使混凝土浇筑温度满足设计要求。

在混凝土浇筑仓内采用仓内喷雾措施，改变仓内小环境，提高仓内湿度和降低施工环境温度。较高温季节施工时仓面可覆盖彩条布内夹保温材料等措施隔热保湿。

2.2.2水管通水冷却降温

水管通水冷却是大坝混凝土浇筑后进行温度削峰，控制混凝土最高温度的有效措施。高寒区混凝土大坝高温季节施工可进行二期或者三期通水冷却。

(1)冷却水管布置

大坝浇筑混凝土冷却水管布设间距通常为1.0～1.5m，具体间距可依据最高温度要求进行确定。冷却水管采用高强度聚乙烯管；通水流量通常约15～20L/min，温控严格时可适当加大；通水方向可每天倒换一次。

(2)一期通水冷却

大坝混凝土一期通水冷却是在混凝土浇筑初期进行的通水冷却，其主要目的是控制混凝土的最高温度。对5—8月份浇筑的混凝土需进行一期冷却，水温宜为10～15℃，要求严格时可采取10℃以下冷却水，具体依据混凝土温度日降幅需求确定，且坝体混凝土与冷却水之间的温差不宜超过25℃、控制降温速度不大于0.5℃/d。初期通水以达到目标温度为准，不同部位的初期通水时长可不同。

(3)二期通水冷却

二期通水冷却通常在每年入冬前，将当年浇筑的混凝土温度降至冬季坝体内部设计温度，以减小大坝上、下游面附近混凝土的内外温差，减小越冬时的温度应力。二期冷却一般在当年11月初通河水进行。

(4)三期通水冷却

拱坝设计中通常有第三期通水方案，三期通水是为了使坝体温度达到接缝灌浆温度。通水水温可视混凝土初始温度、需达到的温度及通水冷却进度安排而定。

2.2.3临时保温

施工期间(4—10月)混凝土裸露面必须进行临时保温，临时保温可采用2cm厚的聚氨酯泡沫被。越冬期间，上、下游及顶面均可采用一定厚度的XPS板等材料进行保温。

2.3 其他措施建议

2.3.1混凝土材料

混凝土温控也可以从水泥材料选择和配合比着手。降低水化热温升可以采用发热量低的中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥，选择较优骨料级配和掺用粉煤灰、外加剂，以减少水泥用量和延缓水化热发散速率等。

早在20世纪30年代，美国修建胡佛大坝等工程时，就曾采用低热水泥浇筑大坝并取得成功。我国“九五”“十五”期间在低热水泥的生产和研究方面取得突破，现行国家标准GB/T 200—2017《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》中也列出了42.5低热硅酸盐水泥的技术标准，目前国内部分企业已掌握了低热硅酸盐水泥生产技术。

与普通或中热硅酸盐水泥相比，低热水泥在生产工艺方面具有烧成温度低、石灰石消耗较低、对石灰石原料品位要求低，CO2、SO2及NOx等有害气体排放少，窑产时产量高等特点，在水泥性能方面具有低水化热、优异的后期强度、低干缩率、高抗侵蚀性能及优越的水泥耐久性等优点。

金沙江乌东德水电站首次实现了特高拱坝全坝采用低热水泥，建成质量良好。研究表明，相同条件下，低热水泥混凝土最高温度比中热水泥混凝土低1.0～2.5℃[7- 8]。

2.3.2混凝土表面保护

在气温骤降频发期间，应重视基础约束区、坝体上游面及其他重要结构部位的表面保护，尤其应重视防止寒潮的冲击。所有混凝土工程在最终验收之前，还必须加以维护及保护，以防损坏。浇筑块的棱角和突出部分应加强保护。

新浇混凝土遇日平均气温在2～3d内连续下降6～8℃及以上时，对基础强约束区及特殊要求结构部位龄期3d以上、一般部位龄期5d以上混凝土，必须进行表面保护。

中、后期混凝土受年气温变化和气温骤降影响，视不同部位和混凝土浇筑季节，结合中、后期通水情况，采取必要的表面保护措施。

2.3.3寒冷季节施工措施

开展寒冷季节施工措施研究是保证坝体施工进度和避免长间歇期的有效手段。

国内外部分工程在寒冷季节依然持续混凝土浇筑施工。例如前苏联受气候条件限制，为保障混凝土坝全年施工采用了暖棚法、电极加热法、蓄热法等系列措施[9]。美国、加拿大、日本等国家广泛采用热风机加热骨料和充气暖棚等保温措施实现冬季施工。暖棚内温度可达20℃，混凝土养护情况较好。国内拉西瓦和叶巴滩拱坝工程在冬季采用蓄热法和暖棚法施工。

3 坝体稳定温度

混凝土坝温控的最终目标为坝体形成较为稳定的温度场，且与环境温度、蓄水后的库区水温协调，防止蓄水初期及运行过程中由于温度应力产生裂缝。坝体稳定温度场的分析确定是与混凝土的温控标准和冷却时长密切相关的，也影响到工程施工进度。

3.1 混凝土坝稳定温度

坝体稳定温度场主要与上游水温、下游水温、气温、太阳辐射等因素有关，尤其是水库水温垂直分层特征，对坝体稳定温度场影响较大。其中，大坝混凝土表面温度主要受环境温度和日照辐射的影响，应根据大坝的结构型式、地形条件、坝址纬度、大坝朝向等因素分析计算确定。

3.2 拱坝封拱灌浆温度

混凝土拱坝封拱灌浆温度的拟定应以坝体稳定温度场为基础，根据大坝体型、结构受力特点、上下游库水水温、拱坝封拱灌浆需要等因素综合确定。

合适的封拱温度可以协调坝体温度荷载值，改善和优化坝体结构应力状态。通常情况下，对坝体不同位置可采取比稳定温度场低0～3℃的超冷封拱温度。

3.3 库水温分布规律

(1)设计常用库水温确定方法

库水温通常采用SL282—2018《混凝土拱坝设计规范》及SL 744—2016《水工建筑物荷载设计规范》方法、朱伯芳院士专著《大体积混凝土温度应力与温度控制》方法和数值分析三种方法进行计算确定。

规范推荐的计算方法适用于坝高低于100m的拱坝，同时未考虑上游来流水温、孔口布设和水库的运行调度情况；朱伯芳院士推荐的计算方法，基于大量库水温统计工作的应用，给予了库底水温假定；数值计算方法，可考虑库区的水文气象条件，如气温、云量、蒸发量、风速、太阳辐射、入库流量、来水水温等，还可考虑水库建成后的运行调度情况，在近些年的高坝大库建设中运用广泛。

(2)近坝区水温分层现象

高山峡谷地区的高库大坝，库区水深较大，水库蓄水后水体经常出现水温垂直分层现象。

三峡工程水库蓄水初期近坝区水温监测资料表明，近坝断面中泓垂线上下水温分层差异明显[10]。其中2009—2011年，中泓垂线上下最大水温差分别为6.1℃、6.9℃、7.7℃，温跃层集中出现在90～140m水深处，以下则形成相对稳定的滞温层水域。

丰满水库春季和夏季的库区水温分层明显，且温度分层等值线基本为明显的水平线。2010年实测最大垂向温差达到20℃[11]，主要温差集中在表层10m内，平均温度梯度达到1.1℃/m，高温水体较强的浮力作用保持了夏季稳定分层结构。

龙羊峡水库属于稳定分层型水温结构，具有明显的表温层、温跃层和滞温层[12]。4—9月期间，0～5m水深为水温相对较高的表层，8月份水温递减率为0.2℃/m；5～30m水深之间为明显的温跃层，水温梯度最大值为坝前0.13℃/m和库区0.32℃/m；30m以下水温随水深变化很小，为滞温层。

3.4 设计坝体稳定温度确定建议

对于高寒地区的高坝建设，设计控制的稳定温度场和拱坝封拱温度应充分考虑水库水温度垂直分层分布特征规律，结合地区水文气候条件，开展适当研究，进行精细化设计，是预防初期蓄水阶段坝体因为温度应力而开裂的有效手段。

4 其他防裂措施

4.1 控制浇筑层厚

对于高寒区混凝土坝建设，为了利于温控措施的开展和有效性，建议采用薄层短间歇浇筑。基础约束区和老混凝土约束区4—10月浇筑层厚度可控制为1.0～1.5m，寒冷季(11—3月)可控制为3.0m；基础弱约束区和自由区混凝土浇筑层厚可控制为3.0m以内。

4.2 尽量避免长间歇期

上下间歇期控制在5～7d以内，最大层间歇期不宜超过21d，避免长间歇浇筑混凝土，特别是边坡坝段基础约束区混凝土。

4.3 异形部位的浇筑

陡坡和填塘部位混凝土应视所在部位结构要求和其特征尺寸，最高温度标准适当加严。混凝土浇平相邻基岩面后，应停歇冷却至与周围基岩温度相近时，再继续浇筑上部混凝土。

4.4 温控实时监测和措施调整

混凝土坝温控应注重施工过程中的实时监测，加强智能控制，并根据现场实际情况发展实时调整温控标准和措施。例如乌东德、白鹤滩等工程采用了混凝土温度全环节全流程实时监控与智能分析和智能调控技术[7]。

5 结论与工程建议

高寒区混凝土坝是水利工程建设难点之一，其温度控制最为关键。本文介绍了我国西北和东北高寒地区平均气温低和年温差大的气候特点，总结了高寒地区混凝土坝温控设计要点，提出了温度控制措施建议。

(1)严格控制浇筑温度、最高温度、基础温差、上下层温差、内外层温差等关键指标。

(2)加强混凝土材料和配合比研究。

(3)注重混凝土表面防护和开展寒冷季节施工措施研究。

(4)综合确定坝体稳定温度场和拱坝封拱灌浆温度，考虑库水温垂直分层的影响。

(5)控制浇筑层厚度和间歇期。

(6)加强温控的实时监测和智能化。

严格地温控标准和措施可保证坝体大部分区域的拉应力水平不超出混凝土允许抗拉强度。但是过于严格的温控标准会大大增加现场施工难度和成本，且难以保证实际的温控效果。水利工程现场气候条件各异，难以提出一套完全统一的温度控制标准适合所有大坝工程，温控设计和施工应因地制宜。