堆石混凝土拱坝施工期温度监测与分析

曾 旭，姚国专，余舜尧，张文胜，徐小蓉，邱流潮

(1.遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563002；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；3.华北电力大学水利与水电工程学院，北京 102206)

0 引 言

堆石混凝土坝(Rock-Filled Concrete Dam，RFCD)筑坝技术作为大体积混凝土的新型筑坝技术[1-3]，常采用在堆石体空隙中浇筑高性能自密实混凝土(HSCC)的方式筑坝，最大的施工特点是取消了振捣、碾压和通水冷却措施[4- 6]。自2003年起，堆石混凝土坝工程在全国范围内应用推广迅速，目前已建成大坝77座，在建37座，其中拱坝占11座，如，完建的蒙山水库(24.5 m)、佰佳拱坝(69 m)、绿塘拱坝(53.5 m)、苟江拱坝(41 m)、小源里水库(46.6 m)、龙洞湾拱坝(48 m)；在建的风光水库(48.5 m)、牛洞口水库(65 m)、沙千水库(66 m)等；正在设计的宝源堆石混凝土拱坝，坝高89.5 m，是目前最高的堆石混凝土拱坝。随着越来越多工程的建设完成，堆石混凝土施工工艺和技术标准体系日益完善。贵州省地方标准DB52/T 1545—2020《堆石混凝土拱坝技术规范》[7]于2020年12月16日批准，2021年4月1日正式实施，涵盖了拱坝设计、拱坝施工的相关规定。经过遵义水利水电勘测设计研究院多个项目的成功经验，提出了堆石混凝土拱坝“通仓浇筑”的概念，即不设横缝，简化施工提高升仓速度，并在绿塘水库、龙洞湾水库、风光水库进行了工程实践。

拱坝是空间超静定结构，温度荷载是拱坝尤其是通仓浇筑拱坝需要特别关注的重要荷载[8-9]，温度变化引起的坝块变形受岩基或下层混凝土约束(施工期)、两岸岩体约束(封拱后)，形成约占1/3～1/2拱坝径向变位的温度荷载[10]。堆石混凝土由于堆石体的存在，相对常态混凝土而言水化热较低，简化温控但并不意味着不需要温控措施[11]。近年来不少学者开展了堆石混凝土现场温度监测试验[8，12]和仿真分析研究[9，11]，仿真计算多采用均一化RFC模型来考虑绝热温升，未考虑复杂的堆石结构与高性能自密实混凝土(HSCC)之间的温度传导。金峰等[8]在绿塘拱坝首次提出在堆石内部布设温度计，通过分析给出了TRFC=0.5 ×TRock+0.5 ×THSCC的近似堆石混凝土入仓温度，比早期仅采用HSCC温度变化代替堆石混凝土的温升变化有了极大改进。但由于数据的有限性，未详细分析HSCC浇筑填充流动过程中与堆石体之间的温度交换规律。另外，初次现场试验选择的石块偏小，大多为300 mm，堆石孔内埋深最大150 mm，相对较浅。因此本文选择了通仓浇筑的龙洞湾拱坝，进行了更为细致全面的施工期温度监测，深入分析不同位置堆石体与HSCC之间的温度传导规律，为堆石混凝土坝的温控措施提出建议。

1 工程概况

龙洞湾水库坐落于贵州省遵义市务川县境内，当地气候环境属于亚热带高原湿润季风气候区，山体气候特征明显。气象资料显示，工程所在地区多年平均气温为15.5 ℃，年均降雨量1 271.7 mm，年均无霜期280 d，日照率年平均为23%。

龙洞湾水库由大坝、坝顶溢流表孔、取水兼放空建筑物等组成，其中大坝主体为堆石混凝土单圆心单曲拱坝，顶拱中心角91.0°，拱圈外半径110.0 m。坝顶高程916.00 m，坝顶宽5.0 m，坝轴线长174.7 m，坝基置于弱风化基岩中、上部，建基面高程868.00 m(起拱高程870.00 m)，最大坝高48.0 m，最大坝底厚13.5 m，厚高比0.293。在右坝肩设置有堆石混凝土重力墩，其顶部高程916.00 m，建基面高程900.00 m，上游坡面铅直，下游坡面坡比为1∶0.5，墩长35.4 m、顶宽7.0 m、最大底宽16.0 m，最大墩高16.0 m。

龙洞湾拱坝不设横缝，采用通仓整体浇筑的方式，且取消了温控措施。大坝主体材料采用C9015一级配堆石混凝土，抗渗等级W6，抗冻等级F50；上游面预制块后设置厚0.5 m的C9015一级配自密实混凝土防渗层，抗渗等级W6，抗冻等级F50；上、下游坝面均采用0.5 m×0.3 m×0.3 m(长×宽×高)的C15混凝土预制块砌筑，按“一丁一顺”进行布置。该拱坝每个浇筑层厚度为1.3 m，经研究计算上下游的预制块每层4块较安全，中间有10 cm左右的水泥砂浆砌筑。堆石满足最大粒径不超过层厚要求，在300～1 300 mm区间随机分布。

2 施工期温度监测方案

为深入研究堆石混凝土坝在施工过程中自密实混凝土、堆石以及基岩的温度变化情况，于2020年 8月23日起，对906.3 m高程至908.9 m高程间的连续两层施工层进行了施工期温度监测，浇筑层厚度为1.3 m，目前已有约4个月的实时监测数据。

受篇幅所限，本文主要围绕堆石与混凝土的温度变化情况进行了研究分析，暂不讨论基岩测点的埋设、温变情况。

2.1 监测仪器

研究所使用的温度传感器为埋入式探头，标准量程为-30 ～+70 ℃，温度监测数据由现场布设的自动化采集系统收集并通过GPRS传输至数据库，自动化装置的采集周期为30 min。温度传感器与配套的自动化采集装置在现场试验前已完成室内率定，结果显示温度测值在10～45 ℃的环境中整体误差为±0.2 ℃，能够满足试验精度要求。

2.2 仪器布设

试验设有自密实混凝土测点、堆石测点两种类型的测点，其中堆石测点要求在表面进行钻孔。试验前在骨料场提前选择形状完整的堆石进行预先钻孔，所选堆石粒径在500～700 mm左右。堆石入仓过程中，将钻好孔的堆石运送至实验仓内的预设位置，周围堆石正常随机堆放。

温度传感器在现场堆石完成后统一进行布设。为避免混凝土测点在浇筑后与堆石过于贴近，布设期间搭建了钢筋支架来控制传感器的位置。堆石中的传感器在埋设完成后，用钻孔产生的石粉进行孔内回填压实，并在孔口留出3 cm左右深度的空间，利用硅酮发泡胶进行封孔以保证石粉紧密不漏，图1展示了现场工作的部分情景。

图1 现场试验部分场景

2.3 布设位置

本试验的研究区域设置在靠近左坝肩10 m以内的范围。为验证试验结果的可靠性，连续布设了两层监测仓面，每一层传感器的布设位置大致相同，每层6个测点，共计12个测点(T1～T12)：每层在坝肩基岩附近设有一个自密实混凝土测点，并在远离基岩处设置另一个自密实混凝土测点进行对比；混凝土测点附近设有监测堆石，堆石中有浅层与深层两个测点，用于研究堆石与自密实混凝土的热交换现象。需要注意的是，位于近坝肩处的混凝土测点T6、T15周围不设堆石，在浇筑时周围为纯HSCC。

试验期间对现场信息进行了详细的测量，包括测点到上游面、仓底、坝肩的距离；堆石内测点的孔内埋深；浇筑管口位置及HSCC入仓温度；HSCC流动过程中的温度。根据测量结果绘制的实际布设位置见图2，图中对监测堆石的轮廓进行了简化，但粒径接近实际情况。未标注的测点T15距离仓底250 mm。T2、T13在堆石中埋设深度为300 mm，T4、T11埋设深度为250 mm，T3、T5、T12、T14埋设深度为100 mm。与测点位置有关的主要信息如表1所示。传感器布设各点的温度监测和HSCC流动情况的现场操作和记录如图3所示。为监测施工期间现场气温的日变化情况，在左坝肩露天处布设了同一型号的温度传感器，并进行了遮光处理以防止太阳直射。

表1 测点实际布设位置 mm

图2 传感器布设位置布设(单位：mm)

图3 传感器布设各点测温和HSCC流动情况记录

3 HSCC浇筑前温度变化情况

试验的下层仓浇筑时间为2020年8月25日，上层仓浇筑时间为2020年9月5日。图4给出了施工期间前25 d的温度变化情况。首先关注HSCC浇筑前两仓内不同测点的温变情况，表2给出了浇筑前各测点测值与气温的差值，由于试验条件所限，下层仓在浇筑前10 h才开始进行所有测点的监测，上层仓在浇筑前2 d便开始了所有测点的监测。图5a给出了下层仓浇筑前测点的温度变化过程，图5b给出了上层仓浇筑前测点的温度变化过程。

表2 浇筑前测点温度与气温的差值 ℃

图4 施工期温度监测数据变化曲线

图5 HSCC浇筑前的温变情况

从图4可以看出，下层仓浇筑当天日照充足，最高气温达到了35.7 ℃，平均气温28 ℃；T1、T3、T6在浇筑前与气温高度相关，这是由于T1、T3距离仓顶较近，上方无堆石，直接受到太阳直射所致，而T6所处位置不堆放堆石，同样受太阳直射影响较大；远离坝肩处的监测堆石内，T2位于堆石深处，外界环境对其温度的影响具有一定滞后性；靠近坝肩处的监测堆石位于仓底，上方堆石起到一定遮阳作用，故T4、T5温度变幅整体较低。

结合表2可以看出，下层仓在浇筑前堆石体内部的温度普遍比气温低4 ℃左右，被太阳直射的堆石以及基岩表面能达到与气温相近甚至更高的温度，考虑到堆石体上表面受太阳辐射的影响温度可能较高，可以认为堆石体整体入仓温度较气温低约3 ℃。因此，在浇筑开始时刻测得气温为33.5 ℃，基于以上论述可以推断此时堆石体的整体温度应在30.5 ℃左右。

上层仓浇筑前的3天当地持续下雨，气温持续下降，三日内最高气温21.9 ℃，平均气温19.2 ℃。对暴露在空气中的混凝土测点进行分析，结合表2可知，混凝土测点T10、T15在浇筑前3日内的平均温度较气温相差0.5 ℃以内，表明堆石体内部空隙中的温度与外部气温差异不大。位于堆石内的测点T11、T12、T13、T14浇筑前较气温高0.6～0.8 ℃，温度变化较气温有2～6 h左右的滞后性，变化趋势非常一致。虽然T13、T14所处的堆石位于仓底，但摆放于堆石体与坝肩之间，其周边都不再设堆石，与外界环境接触面较大，因此其温度变幅与位于仓顶的T11、T12所处监测堆石较为一致。

整体看来，上层仓的堆石以及堆石体空隙中的温度与气温的差异在1 ℃左右，差异较小，可大致认为在阴雨天内堆石体的整体温度等同于同时刻气温。实际浇筑开始时刻测得气温为19 ℃，因此堆石体整体温度应在19 ℃左右。

4 HSCC浇筑后温度变化情况

为确定HSCC的入仓温度，试验中利用红外测温仪测量了入仓管口HSCC的表面温度和混凝土测点被淹没时周围HSCC的表面温度。下层仓中，在T1、T6接触到HSCC后，红外测温仪对测点周围HSCC的表面温度进行了测量，测值分别为28.7 ℃和28.9 ℃，同一时刻对应温度传感器测值为30.3 ℃和29.8 ℃，传感器测值较红外测温仪高1 ℃左右，这是因为红外测温仪测量的是HSCC的表面温度，测值可能会受外界环境影响有所误差，因此可通过该差值对入仓管口的HSCC温度进行修正来获取HSCC的真实入仓温度，下层仓浇筑当天利用红外测温仪测得的不同时刻HSCC入仓温度有31.3 ℃、31.6 ℃、32.6 ℃，修正后可认为当天HSCC入仓温度约为32.8 ℃。对于上层仓采用同样的方法确定HSCC的入仓温度。T10、T15的两次测值结果显示红外测温仪较温度传感器要低4.6 ℃左右，这与下层仓1 ℃的误差有所不同，分析可能是浇筑当天气温较低使得HSCC表面温度冷却更快，增大了测量误差，因此在上层仓的浇筑中，应利用新差值对HSCC的入仓温度进行修正，修正后当天的HSCC入仓温度约为24.2 ℃。

为了更清楚地分析HSCC浇筑后各测点的温度变化情况，并与浇筑前的温变情况做对比，图6、7分别给出了下、上层仓浇筑后各类型测点的温变情况，表3集中统计了各测点的入仓温度和温升情况。为了比较远坝肩处与近坝肩处混凝土测点的温变情况，引入了代表两者之差的变量Δ上层仓、Δ下层仓，相关计算公式如下：

Δ下层仓t=T6t-T1t

(1)

Δ上层仓t=T15t-T10t

(2)

式中，TNt为编号为N的温度计在t时刻的温度。

从图6b可以看出，HSCC浇筑后混凝土测点T1、T6达到的最高温度分别为38.2 ℃和42.9 ℃，对应的水化热温升为5.4 ℃和10.1 ℃，T6要比T1的温升幅度更高，高约5 ℃，这是因为T1周边堆石较多，T6周边几乎为纯HSCC，而HSCC的用量更大所产生的水化热就更大。从图6c可以看出，堆石内4个测点在浇筑后的第3、4d内达到了最高温度，最高温度均在37 ℃左右，堆石整体温升幅度约为6.5 ℃，说明堆石在施工过程中起到了吸收混凝土水化热的作用。对于单个堆石T2、T3所处堆石的温升幅度约5 ℃，T4、T5所处堆石的温升幅度约8.6 ℃，显然后者在混凝土释放水化热的过程中吸收了更多的热量，由于两堆石所达到的最高温度十分接近，影响两者温升幅度差异的主要因素为堆石的入仓温度。从表3可以看出，T2、T3的入仓温度要高于T4、T5，结合上一节的分析以及图2可知，这是由于T2、T3所处的堆石上方无堆石遮光，所受太阳辐射较强所致。

图6 浇筑后下层仓各类型测点的温变情况

表3 测点入仓温度和温升情况

综上，下层仓试验结果表明，相比较于纯混凝土浇筑，采用堆石混凝土浇筑方法一方面可以减少混凝土用量，减少水化热，另一方面堆石自身也可以吸收混凝土释放的水化热，降低混凝土内的温升幅度；在太阳辐射较强时可以考虑采用遮光布等措施来降低堆石的入仓温度，使其能够在混凝土浇筑后吸收更多的水化热。

从图7b可以看出，近坝肩处混凝土测点T15的最大温升幅度较远坝肩处测点T10高约7 ℃，这一现象与下层仓一致，同样是因为近坝肩处混凝土更多，水化热更大，且缺少堆石的吸热所致。从图7c可以看出，由于该仓堆石的入仓温度较低，浇筑后堆石的温升幅度非常大，最大温升幅度均超过了10 ℃，远坝肩处堆石的最大温升幅度要低于近坝肩处堆石，分析可能是由两方面原因造成的，一是近坝肩处堆石周边混凝土更多，吸收水化放热更多；二是远坝肩处堆石接近仓顶，散热条件较好，而外界环境温度较低，因此堆石在吸热温升后会将部分热量传递给外界，而不会进一步温升。

图7 浇筑后上层仓各类型测点的温变情况

结合上下层仓的试验结果进行分析可知，堆石的使用能够降低混凝土用量，从而降低混凝土的整体水化热，同时通过自身吸热来降低混凝土的温升幅度，一定程度上减少温度裂缝的产生；由于堆石所能达到的最高温度不会高于混凝土的温度，因此堆石吸收热量的大小主要取决于入仓温度，在夏季晴天施工时由于太阳辐射较强，需要对仓内堆石体进行一定的遮光处理，以避免堆石温度过高，影响其吸热效果，在阴天内则不需要额外的遮光处理。此外，在坝肩处由于混凝土用量较大，混凝土温升幅度也会更高，在确保工程安全的前提下可考虑在坝肩处堆放更多的堆石来降低温升幅度；结合表3还可以得到，两层试验仓内混凝土测点的最大温升幅度均在15 ℃以内，整体温升幅度较小，在气候温和地区可采取不分横缝的整体浇筑方式。

5 结 语

龙洞湾堆石混凝土拱坝采用通仓整体浇筑的施工方法，本文通过现场试验获得了较为精准的测点位置、浇筑管口位置、HSCC入仓温度以及HSCC流动过程中的温度等数据，来研究施工期坝体内的温度变化情况。研究所得结论如下：

(1)在夏季晴天施工时，堆石与基岩的入仓温度整体较气温低3 ℃左右，在阴雨天内，堆石的入仓温度与气温较接近。

(2)堆石在自密实混凝土浇筑后能够迅速吸热达到较高的温度，在自密实混凝土水化热期间有明显的吸热过程，能够有效降低混凝土的温升幅度，抑制温度裂缝的产生。

(3)混凝土的水化热温升都在15 ℃以下，堆石混凝土的整体温升幅度较低，在气候温和地区可采取不分横缝的整体浇筑方式。

(4)夏季施工时，适当采用遮光布等方式避免堆石被阳光直晒，可能会降低堆石的入仓温度，有效提升堆石对混凝土水化热的吸热作用。

致谢：本文得到清华大学金峰教授悉心指导，工作开展过程中得到中国农业大学水利与土木工程学院、遵义黔通达检测试验有限责任公司、贵州黔冠建设工程有限公司、长春工程学院张喜喜的大力帮助，在此表示衷心感谢!