杨房沟水电站水垫塘边墙温控防裂研究

何展国，张立新，孙昌茂，吴 凯

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.无锡市锡山区水利局，江苏 无锡 214000）

1 问题的提出

混凝土裂缝问题是工程施工质量控制的重点和难点[1]。导致混凝土开裂的因素有很多，包括温度、结构自重、混凝土的收缩等，其中温度变化对裂缝的产生具有重要影响[2]。杨房沟水电工程所在地气温随季节变化较大，夏季平均温度21.8 ℃，冬季平均温度7.9 ℃。为有效控制混凝土内部温度降幅，避免因温度应力过大导致裂缝的发生，需要严格控制混凝土施工期的内部最高温度。杨房沟水电工程水垫塘混凝土结构尺寸大，较大的温度变化容易引发危害性裂缝，水垫塘作为泄洪消能建筑物，防裂抗渗要求较高。研究不同季节水垫塘混凝土温度控制标准，对混凝土浇筑方案、冷却方式、表层保温等工程措施的选择具有重要意义。

2 工程特点和材料特性

2.1 水垫塘工程特点

杨房沟水电站坝后水垫塘总长约215.0 m，采用平底（局部倒圆角）的复式梯形断面。底板采用平底设计，厚度为3.0 m。水垫塘底宽形状不规则，自上游至下游方向水垫塘底宽为75.0～45.0 ～73.0 m 不等。水垫塘边坡坡度为1∶0.3，设有高程为2 002.0 m、1 988.5 m 和1 968.0 m 的3 级马道，边墙厚度为3.0 m。水垫塘混凝土分缝长度以12.0 m 为主。水垫塘表层0.5 m 采用C9040 抗冲磨混凝土，内部2.5 m 采用C9025 混凝土。

杨房沟水电站枢纽区干湿季分明、日照强，冬季干燥，夏季气温高、多雨。不同时段的月平均气温波动较大（见表1）。

表1 杨房沟水电站枢纽区气温表 ℃

2.2 混凝土材料性状

2.2.1 热力学特性

根据室内试验结果和回归统计，水垫塘混凝土热力学参数见表2。

表2 水垫塘混凝土热力学参数表

2.2.2 徐变

杨房沟水电站混凝土徐变应力见表3。

表3 混凝土徐变应力表

2.2.3 自生体积变形

混凝土自生体积变形为先收缩后膨胀（见表4）。

表4 混凝土自生体积变形表

3 三维温控仿真分析研究

本工程采用SAPTIS 和WKFLRJB 计算程序进行仿真分析。SAPTIS 采用FORTRAN 程序编制的可用于计算大体积混凝土结构温度场与应力场的计算程序[3]。WKFLRJB 软件由中国水利水电科学研究院研发，可用于解决混凝土结构温控研究问题[4]。

3.1 计算模型与边界条件

选取水垫塘第11 段建立水垫塘模型，应力计算边界条件选择地基四周为法向约束，底面为固定约束。水垫塘计算模型见图1，水垫塘温度边界条件见图2，水垫塘应力边界条件见图3。

图1 计算模型图

图2 温度边界条件图

图3 应力边界条件图

3.2 计算结果

夏季开始浇筑，浇筑温度不高于14.0 ℃（低温季节自然入仓，浇筑温度为气温+2.0 ℃，高温季节控制浇筑温度不高于14.0 ℃），无通水冷却措施，表面采取保温措施（表面散热系数为10 kJ/（m2· h · ℃））。边墙表面冬季浇筑部位最高温度为31.8 ℃，最大应力为1.53 MPa，安全系数为2.19，发生在浇筑后第二年冬季；边墙表面夏季浇筑部位最高温度为37.1 ℃，最大应力为3.04 MPa，安全系数为1.08，发生在浇筑后冬季。边墙内部冬季浇筑部位最高温度为32.6 ℃，最大应力为1.14 MPa，安全系数为2.21，发生在浇筑后冬季；边墙内部夏季浇筑部位最高温度为35.8 ℃，最大应力为1.94 MPa，安全系数为1.30，发生在浇筑后冬季。计算过程及结果见图4～7 及表5。

表5 水垫塘边墙温度及应力摘要表

图5 边墙内部典型高程温度过程线图

图6 边墙表面典型高程顺河向应力过程线图

图7 边墙内部典型高程顺河向应力过程线图

综上所述，冬季浇筑边墙混凝土最高温度为32.6 ℃，夏季浇筑边墙混凝土最高温度为37.1 ℃，应力基本满足 NB/T 35092—2017《混凝土坝温度控制设计规范》9.2.2 中对施工期混凝土温度应力的要求。

4 结 论

经过仿真分析，明确水垫塘混凝土温度控制标准：夏季最高温度不应超过37.1 ℃，冬季最高温度不应超过32.6 ℃。研究结果为后续混凝土浇筑方案、冷却方式、表层保温等工程措施的选择提供指导，为水垫塘混凝土全过程温控防裂控制提供科学依据。