基于原型观测的三河口碾压混凝土拱坝温控效果评价

吴学谦 王佐荣 韩 伟

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

混凝土在浇筑过程中会产生水化热，使混凝土温度升高，体积膨胀。因混凝土抗拉强度较低，当温度降低或环境温度变化过大时可能导致混凝土收缩，拉应力增加，产生裂缝。大体积混凝土内部配筋较少，因温度降低等原因产生的拉应力直接作用在混凝土本身，因此如何减小温度应力，是大体积混凝土施工的重点[1]。近年来，碾压混凝土由于其水泥用量少、水化热低、施工速度快等特点，广泛用于水工大坝等大体积混凝土结构[2]。但由于碾压混凝土采用的是大仓面薄层连续施工，层间覆盖时间比一般混凝土要长，而且更加容易受到强烈日晒、高温、蒸发、相对湿度、刮风等因素的影响，特别是在浇筑碾压混凝土的过程中温度回升速度也要比一般混凝土快[3]，所以碾压混凝土温度控制尤为重要。

三河口水利枢纽工程，位于秦岭腹地，是引汉济渭工程的调蓄中枢。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程为646m，坝底高程为504.5m，最大坝高为141.5m，坝顶宽为9m，拱冠坝底部厚度为37m，坝顶上游弧长为472.153m，为国内同类型第二高坝。坝址区多年平均气温为12.3℃，极端最高气温为37.4℃，最低气温为-16.4℃。三河口水利枢纽所处地域年内温差较大，对大坝混凝土温度控制提出了更高要求。

混凝土温度原型观测是指通过安装埋入式温度计对大坝混凝土温度进行仪器量测，通过混凝土温度原型观测能够及时掌握大坝混凝土温度的实际变化状态，从而对大坝混凝土温控效果作出综合评价，为大坝混凝土温控措施的优化提供数据支撑。

1 坝体混凝土温控标准

1.1 基础混凝土温控标准

基础温差是基础约束区混凝土最高温度与稳定温度之差。基础混凝土受坝基基岩的约束较强，冷却时因温度下降导致混凝土收缩，产生较大拉应力，有可能使基础混凝土产生贯穿性裂缝。三河口拱坝坝体混凝土基础允许温差见表1～表2。

表1 坝体常态混凝土基础允许温差

表2 坝体碾压混凝土基础容许温差

1.2 表面混凝土温控标准

三河口碾压混凝土拱坝常态混凝土内外温差控制不超过20℃，碾压混凝土内外温差控制不超过16.5℃。

1.3 新老混凝土温差标准

在间歇期超过28天的老混凝土面上继续浇筑时，老混凝土面以上0.25L范围内的新浇筑混凝土按新老混凝土温差控制，温差控制标准为不大于15℃。

1.4 混凝土容许最高温度

混凝土容许最高温度是控制性指标，通过严格控制出机口温度、浇筑温度，调整浇筑层厚、间歇时间，通水冷却或浇筑过程中采取隔热保护、喷雾等措施来实现。三河口碾压混凝土拱坝坝体混凝土浇筑容许最高温度见表3。

表3 坝体碾压混凝土容许最高温度

1.5 通水冷却要求

初期冷却：5—9月要求采用10℃的人工制冷水进行初期冷却，10月至翌年4月采用天然河水进行初期冷却，通水时间不少于20天，要求每24h交换一次通水方向，通水流量为1.2～1.5m3/h，控制每天降温速率不大于1.0℃。

中期冷却：10月初对5—9月浇筑混凝土进行中期冷却，采用天然河水，通水时间不少于15～30天。

后期冷却应连续进行，控制每天降温速率不大于0.5℃，通水水温不高于6～8℃，误差±1℃。

2 温度计布置情况

三河口碾压混凝土拱坝坝体温度监测包括坝基温度监测、上下游表面温度监测、坝体内部温度监测，选取了5个典型坝段作为主监测断面，共计埋设温度计183支。其中拱坝温度计测点信息统计见表4。

表4 拱坝温度计测点信息统计

2.1 基础温度监测

坝基温度监测采用钻孔形式在拱冠梁坝段布置一组4支温度计，分别位于基岩面以下10m、5m、3m及0.5m。另外在基础混凝土中布设3支温度计。监测坝基稳定温度、基础容许温差以及基岩在混凝土水化温升时对基础的温度传递和基础不同深度下的温度分布情况。

2.2 表面混度监测

表面监测温度计在所选取的断面下游面645m、610m、580m、555m高程和拱冠梁645m、610m、580m、555m、535m、515m、512m高程处布设，在距离上下游模板0.2m处，监测施工期混凝土表面温度以及运行期气温和库水温。

2.3 坝体温度监测

坝体温度计布置在监测断面的中心部位，按不同高程梯级网格布置，其中为了尽快地掌握施工期碾压混凝土温升规律及检验温控措施，底部测点较密。在527m、545m、560m、574m、586m、598m、610m、628m、634m、637m、640m、643m、645m高程布置坝体温度计，监测坝体温度变化。

2.4 温度监测频次

温度计在碾压混凝土覆盖后及时测量，获得混凝土入仓温度。安装埋设后，进行加密观测。混凝土温升阶段每2h观测一次，直到测得混凝土最高温度。混凝土初期温降阶段每4h观测一次，观测温度初期温降情况，这一阶段持续观测两周时间。之后，温度计每周观测一次。

3 温度监测结果分析

3.1 坝基温度

2016年11月完成坝基温度计安装埋设，TJ4-4测得基础混凝土最高温度为23℃。坝基温度计测值较为稳定，浇筑初期呈现下层温度低、上层温度高的分布规律。受后期通水冷却的影响，2018年1—3月坝基温度有所下降。目前坝基温度基本稳定在17℃左右(见图1)。

由图1可以看出：三河口碾压混凝土拱坝坝基混凝土浇筑最高温度为23℃，坝基稳定温度为17℃，基础温差为6℃，小于14℃的容许基础温差，满足设计要求。

图1 坝基温度计测点过程线

3.2 表面温度

表面温度计安装在靠近上下游面的防渗常态混凝土中，距上下游面0.2m，能够监测混凝土表面温度以及表面混凝土冬季保温效果。表面温度计与坝体温度计测点过程线见图2，表面温度计与坝区平均气温过程线见图3。

由图2、图3可以看出：

图3 表面温度计与坝区平均气温典型过程线

a.碾压混凝土内外温差最大值一般发生冬季。进入冬季后，气温骤降，混凝土表面温度降幅较大而内部温度降幅较小。由图2可知，表面温度计最小测值约为8℃，同时期坝体温度约为14℃，内外温差为6℃，低于碾压混凝土内外温差限值。

图2 典型表面温度计与坝体温度计测点典型过程线

b.三河口碾压混凝土拱坝通过在坝体上下游面粘贴30～50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板，对坝体上下游面进行保温。保温后的坝体上下游表面混凝土最低温度测值在8℃以上，大于坝址区1月平均气温2.8℃，保温效果良好，同时能够有效抵御寒潮影响。

3.3 混凝土最高温度

混凝土最高温度控制是防止混凝土因温度应力产生裂缝、保证混凝土施工质量的重要方法。混凝土最高温度控制主要包括优化混凝土加工方法、控制混凝土入仓温度、浇筑过程增加降温措施、混凝土通水冷却以及后期养护方法等。混凝土最高温度控制是一项全面的系统性工程，从加工到养护过程中的任何一个环节出现问题都有可能使混凝土最高温度超标、温度应力增大，造成混凝土拉裂。因此，通过坝体混凝土温度监测可以对温控效果进行评价，并有效指导混凝土温控措施优化。

由图4可以看出，2017年夏季安装的T3-1～T3-4这四支温度计测得的混凝土最高温度均超过6—8月混凝土容许最高温度34℃。其中上游侧T3-1最高温度达到42℃，其余温度计最高温度在36℃。

图4 2017年夏季安装的温度计过程线

经现场原因排查分析，导致该层混凝土温度较高的主要原因是浇筑过程中冷却机组和喷雾设施出现故障。同时，受夏季日照影响，上游侧模板吸热后热辐射对上游侧混凝土温升有较大影响。

经参建各方讨论及专家咨询决定，三河口碾压混凝土拱坝夏季浇筑时提高初期通水流量，同时在大坝上游侧增加喷雾设施。2018年夏季安装的典型温度计过程线见图5。

图5 2018年夏季安装的典型温度计过程线

从图5可以看出：

a.通过温控措施优化后，2018年夏季安装的典型温度计最高温度为33℃，低于容许最高温度34℃。

b.增加喷雾设施后，上游侧混凝土最高温度略高于下游侧，低于容许最高温度，温控效果明显。

3.4 通水冷却降温速率

坝体温度计安装埋设后，对温度计进行加密观测。设计要求初期通水冷却时间不少于20天，在此过程中，混凝土温度达到峰值后逐渐降低。527m高程坝体温度计初期降温速率统计见表5。

表5 527m高程坝体温度计降温速率统计

续表

由表5可以看出，除T4-12温度计7月8—12日期间降温速率为1.1℃/d外，其余各支温度计降温速率均在1℃/d以内，初期冷却降温速率基本满足设计要求，初期温降效果较好。

2017年12月下旬至2018年1月下旬，施工方对坝体533m高程以下混凝土进行后期冷却，后期冷却开始时，混凝土温度应降至18～20℃。后期冷却最大降温速率每天应不大于0.5℃，533m高程以下混凝土后期冷却温度应达到封拱温度即12℃。527m高程Ⅳ断面温度计后期冷却温度统计见表6。

表6 527m高程Ⅳ断面温度计降温速率统计

533m以下高程坝体混凝土后期冷却开始时温度计测得混凝土温度在9.6～20.5℃，基本满足后冷开始温度要求。经过33天的观测，后冷结束时温度计测得混凝土温度在6.4～12.3℃，达到设计要求的封拱温度。527m高程Ⅳ断面温度计后期冷却降温幅度在3.2～8.1℃，平均降温速率在0.25℃/d，低于0.5℃/d的技术要求，533m以下高程坝体混凝土后期冷却效果较好。

4 结 论

通过对三河口碾压混凝土拱坝温度原型观测资料进行分析，可以得到以下结论：

a.三河口碾压混凝土拱坝坝基混凝土浇筑最高温度为23℃，坝基稳定温度为17℃，基础温差为6℃，小于14℃的容许基础温差，满足设计要求，温控效果良好。

b.三河口碾压混凝土内外温差最大值一般发生冬季。冬季坝体上下游面粘贴聚苯乙烯泡沫后，保温效果良好，混凝土内外温差低于限值，能够有效抵御寒潮。

c.总体来看，坝体内部温度除夏季由于设备故障造成部分温控指标超标外，其余大部分时段温控效果良好。

d.总体来看，三河口碾压混凝土通水冷却要求合理，措施到位，碾压混凝土能够有效降温，满足封拱要求。

e.通过坝体内部温度原型观测，参建各方能够及时优化温控措施，提高温控效果。

总体来看，根据温度计原型观测资料分析，三河口碾压混凝土拱坝温控效果良好。