黄金峡水利枢纽表孔坝段混凝土温控仿真分析

谷振东

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710011)

1 概述

我国混凝土坝在高温时段混凝土浇筑和低温季节防裂技术等方面取得了巨大成就，在实践中积累了宝贵的研究成果，有很多大坝仅出现细微裂缝，甚至无裂缝，大坝耐久性和安全性大大提高，也推进了混凝土温控理论、计算软件、智能仪器和施工技术的发展。采用计算机模拟仿真大体积碾压混凝土的施工过程，分析温度应力对结构的影响程度和作用历程，为施工现场做出温控防裂措施选择与施工方案决策提供科学指导。

2 工程概况

引汉济渭工程是陕西省规模最大的全局性、基础性和战略性水资源调配工程，从汉江流域调水至渭河流域的关中地区，以解决关中地区水资源短缺，促进陕西省内水资源优化配置，改善渭河流域生态环境，促进关中地区经济发展的大型跨流域水利工程。其中调水工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水隧洞3部分组成。黄金峡水利枢纽是引汉济渭工程的主水源地，年调水量10亿m3，是引汉济渭工程的龙头枢纽工程。黄金峡水利枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、泵站电站建筑物、通航建筑物及过鱼建筑物等部分组成，主河槽布置混凝土溢流坝段，其左侧布置泄洪冲砂底孔坝段，左岸联合布置泵站、电站坝段及坝后泵站厂房和电站厂房，其余布置混凝土挡水坝段。混凝土溢流坝段位于右岸，结构为碾压混凝土重力坝，布置有5个溢流表孔，混凝土量约25万m3。

为防止产生裂缝，采用较高的设计温控标准，各浇筑仓块允许最高温度见表1。

表1 浇筑块设计允许最高温度 单位：℃

混凝土温度应力的控制标准采用综合安全系数法，根据表孔坝段的特点，综合安全系数采用1.5，经计算，施工期混凝土允许拉应力值见表2。

表2 混凝土允许抗拉强度取值 单位：MPa

3 计算模型

黄金峡水利枢纽表孔坝段中间墩段宽21.0m，两侧坝段宽30.0m，中墩厚5.0 m，边墩厚5.5m，坝段建基面高程为392.0m，坝段宽度为102.0m，最大坝高63.0m，堰顶高程为425m，底部顺流向长度为46.05m，下游接消力戽及护坦。表孔坝段EL414.5m以下是碾压混凝土温控重点，共4个坝段，分8层浇筑。10#、11#坝段通仓施工，12#、13#坝段通仓施工。计算模型模拟部分基岩，在上下游方向、深度方向各模拟1倍坝高，模型共划分68480个单元，61446个结点。模型按整体建模、分部分期计算，本次研究的重点部位不含基础、消力戽及护坦。

环境温度根据当地实测数据，部分进行合理修正，材料热学、力学性能参数根据规范、试验数据成果及相关文献确定，绝热温升试验结果如图1所示。

图1 C9020W6F100碾压混凝土

温度场计算中，基础各侧面、底面取绝热边界。混凝土与气温接触的边界，按第三类边界条件处理。汛期水面以下部位取为水温边界，其它时间取为气温边界。应力计算中，基础左右两侧面、基础下游面取法向约束，基础底面取三向约束。基岩初温定为14.6℃。混凝土浇筑时的浇筑温度作为初始温度。

根据施工计划，2021年1月，基坑完成开挖，开始浇筑混凝土，2021年汛前，坝体浇筑至414.5m，完成消力戽及护坦混凝土浇筑，汛期为过水通道，汛后继续浇筑；2022年汛前，全线上升至446.0m高程，汛期由表孔泄流度汛，汛后坝体继续浇筑，2022年7月底，溢流坝段全线浇筑至坝顶高程455m。初定浇筑温度见表3。

表3 各月混凝土初定浇筑温度 单位：℃

温控措施为冷却水管及保温。冷却水管在混凝土内按蛇形并垂直水流方向布置，布置间距为2.0m×1.5m(水平间距×垂直间距)，预埋冷却水管不跨越收缩缝，埋设时距上游坝面2.0～2.5m、距下游坝面2.5～3.0m，水管距接缝面、坝内孔洞周边1.0～1.5m。每2个坝段的冷却水管引至下游面，引出的水管排列有序，作好标记记录，并对管口妥善保护，防止堵塞。

4 结果与分析

4.1 坝体混凝土结构温度分布

针对施工仿真中温度作用的影响，设定边界及初始条件，浇筑温度取为拟定浇筑温度，通水水温取为12℃，通水流量取为1.0m3/h，未进行表面保温。分工况施加载荷，进行坝体混凝土施工期瞬态温度场及温度应力仿真计算分析，全面研究施工期坝体混凝土温度场和应力场的时空分布规律。计算成果主要采用表格、包络图等值线、过程线等方式给出。

2021年汛期过水前，混凝土浇筑高程414.5m，计算第10天结构对称面温度分布，如图2所示。垫层部位混凝土温度在18.2～19.9℃，碾压混凝土中间部位温度在25.9℃左右，上部混凝土因为刚刚浇筑，最高温度在28.3℃左右，下游侧混凝土由于绝热温升值相对较高，最高温度达到33.5℃。第180天时对称面温度分布如图3所示。结构表面温度较低，内部温度较高，下部温度在19.2～22.5℃之间，中上部坝体混凝土温度相对较高，内部最高温度约为27.5℃。

图2 第10天坝体对称面温度分布(单位：℃)

图3 第180天时对称面温度分布(单位：℃)

混凝土内部大部分区域温度峰值基本满足设计允许最高温度。根据坝体埋设的温度计实测数据，表孔10#、11#坝段最高温度为30.5℃，部位为高程EL409.5m中部，该处冷却水管出水最高温度29.5℃；表孔12#、13#坝段最高温度为29.8℃，部位为高程EL408.0m中部，冷却水管出水最高温度27.1℃。实测的温度分布规律和数据与模型计算结果基本相符。

4.2 温度历程

特征点温度历程如图4所示。第一层为垫层混凝土，浇筑温度为11.2℃，第3天温度达到最大值21.3℃，由于通水作用，温度降至15.2℃，之后由于上层混凝土的浇筑，温度有所回升，最高值为19.3℃，而后缓慢下降，直至准稳定温度15.4℃左右。第四层中心高程为401m，温度变化规律与第一层混凝土内部点一致，浇筑温度为18℃，最高温度为26.6℃，降温过程较为缓慢，后期准稳定温度变为15.4℃。第八层混凝土中心高程为413m，浇筑温度为21℃，浇筑4d后达到最高温度29.37℃，通水冷却使其降温至26.6℃，之后受外界温度影响，出现升降变化，2021年底，该处温度约为12.4℃，此后由于上层混凝土的浇筑，温度明显回升至20.5℃，后期该处温度逐渐下降，随外界温度变化有小的波动。

图4 特征点温度历程(局部)

温度历程可得出初期通水效果是混凝土温控的关键。根据混凝土施工进度安排，4—10月最大月强度约6.5万 m3，结合坝址处气候条件，初期通水采用制冷水进行降温。测算初期冷却所需最大通水强度为78m3/h，配备3台移动式冷水站，2台运行，1台备用，单台制冷容量为45万 kcal，标准工况制冷水能力为约85m3/h，满足初期制冷水需求。冷却水管铺设好后即开始通水 0.2MPa 压力水进行检查与平压。初期通水控制混凝土温度与水温之差不超过 25℃，通水水温为 10～12℃制冷水，通水时间实测确定10～15 d；每 24 h改变1次水流方向，冷却时混凝土日降温幅度不超过 1℃。中期、二期冷却主要利用河水进行冷却，必要时采用制冷水补充。

4.3 混凝土温度应力分布

(1)混凝土刚浇筑完毕时，对称面各向应力均较小，顺流向应力、横流向应力基本在0.5MPa以下。下游侧结构混凝土部位应力相对较大，顺流向应力、横流向应力最大值分别为0.77、1.24MPa，主要是因为该部位绝热温升值较高，温度峰值较高，降温幅度较大所致。

(2)第180天时顺流向较大应力出现在414.5m高程，最大应力达到2.60MPa，其它区域应力较小，横流向较大应力主要出现在结构周边部位，其中上游面、下游面、顶面附近最大应力分别为1.15、1.80、1.48MPa，结构内部应力相对较小。

(3)最大应力分布以整个表孔溢流堰为计算模型。顺流向应力，碾压混凝土内部应力较小，最大应力约为1.07MPa，高程414.5m区域应力较大，最大值达到2.72MPa，堰顶部以下部位最大应力达到1.34MPa。横流向应力，碾压混凝土内部应力较小，较大值出现在结构周边及高程414.5m处。上游面、下游面、堰顶下部最大应力分别达到1.82、2.27、2.27MPa。应力超标主要由外界年气温变化引起，应采取一定的温控防裂措施。

高温季节施工是温控工作的重点，要降低混凝土出机口温度，减少运输途中及仓面的温度回升和温度倒灌，混凝土运输车辆顶部搭设活动遮阳蓬，车厢两侧设保温层，增大冷却通水流量至1.5m3/h，表面采用洒水喷雾降温等措施，减小坝体混凝土温升峰值，减小后期应力。混凝土初期内外温差较大的情况下，及时进行适度表面保温，减小开裂风险。

4.4 特征点应力历程

图5为对称面高程(高程392.8、401.0、413.0、414.5m)特征点顺流向、横流向应力历时过程。下部高程特征点整个历时过程应力较小，后期随气温年变化呈波动状态。顺流向应力，第一层混凝土中间部位通水结束时应力达到0.50MPa。第四层中间部位初期应力较小，后期应力稳定在0.5MPa左右，第八层混凝土表面应力较大，最大值达到3.0MPa，层中间部位应力达到1.83MPa，主要是因为此部位为长间歇期，受年气温变化影响，表面附近出现较大的应力，后期由于上层混凝土的浇筑，应力有明显减小。横流向应力变化规律与顺流向应力一致，第八层混凝土表面初期应力达到2.15MPa，后期应力较小。

图5 各高程特征点顺流向、横流向应力历程

根据施工进度安排，在2021年汛期，高程414.5m临时过流面过水，由于过流水温度与气温比较接近，甚至略高于气温，因此表面附近温度变化较小，也没有在表面附近产生较大的应力变化，过流不会对表面附近混凝土应力产生较大的影响。2021年汛后因基坑清理，表孔坝段未立即往上浇筑，高程414.5m层面祼露，在年温变化影响下，混凝土表面产生较大的应力。

5 结论及建议

(1)各层混凝土一般在浇筑后3～5d达到最高温度，通水冷却作用下，温度降低，通水冷却后温度仍有部分小幅回升，后期随外界温度变化有小的波动。

(2)碾压混凝土薄层连续浇筑，水泥用量少、水化热小，施工中采取混凝土出机口温度、运输保温、合理分层分块、浇筑温度控制、通水冷却、混凝土外保温及表面养护等综合温控措施，内部顺流向、横流向应力均较小。

(3)高程414.5m临时过流面部位受当地年气温变化影响较大，在低温季节混凝土出现最大拉应力超标，易引起开裂。因此，该层面除采取必要的温控防裂措施，在气温骤降期间加强表面保温，两侧采用2cm厚聚乙烯泡沫板，表面采用保温棉被覆盖，以防止寒潮引发温度裂缝。建议调整施工方案，汛后同步推进消力戽及护坦基坑清理和表孔上部混凝土浇筑，及时浇筑混凝土覆盖临时过流面，浇筑时严格控制上、下层混凝土浇筑温差，在下层混凝土内部温度测值的基础上逐层计算混凝土内部温度控制目标值，避免坝体层间温度应力集中产生水平裂缝。

(4)混凝土温度是一个动态变化的过程，各环境变量对混凝土温控有不同程度的敏感性，施工过程中加强特征部位温度监测数据，根据环境和温度变化调整混凝土的温控措施。后序针对不同时段、不同部位混凝土有针对性地采用不同温控组合措施，计算不同温控方案温控效果，以便更清楚地反映各方案的优劣，方便做出温控优化与施工比选。