某寒区碾压混凝土坝越冬保温措施研究

张 通

(矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

某碾压混凝土重力坝位于东北严寒地带，据多年实测气温资料：本地区多年平均气温4.9 ℃，极端温差79.5 ℃，冬季最低气温达-37.0 ℃。由于极端严寒的气候条件，每年施工期11月到翌年3月需停工越冬，越冬期面临仓面长间歇、盖被、揭被等一系列工程问题，措施不当，将造成混凝土开裂，影响大坝施工质量，为后期运行带来不利影响。

针对寒区混凝土坝越冬层保温问题，国内学者对此进行了多方面的研究工作，中国水利水电科学研究院的朱伯芳院士阐述了越冬面保温不良带来的严重后果，并从理论上推导了混凝土坝施工期坝块温度应力及其表面保温计算方法[1]；李昕等具体阐释了丰满水电站重建工程的2016年的越冬保温原因、材料及方法及其工程实践[2]；李绍辉等阐述了2015年丰满水电站重建工程各位置的越冬保温实施方法及其次年揭被实施方法[3]；梁庆等以东北某寒区碾压混凝土坝为基础，通过FZFX3D软件计算分析了不同层厚的保温板对上一年浇筑混凝土内部温度场和温度应力的影响[4]；张国新、李松辉等基于东北某寒碾压混凝土重力坝，提出了利用天然降雪或人工降雪进行保温的新方法[5]。

为深入研究混凝土坝越冬保温措施，本文基于有限元仿真计算，以某碾压混凝土重力坝溢流坝段为例，系统分析了混凝土越冬保温的温控措施，为工程提供了有力的技术支撑。

1 基本理论与方法

对于均匀、各向同性的固体介质，在某一区域内应满足下列热传导方程和对应的边界条件如式(1)[6]：

(1)

第一类边界条件：混凝土表面温度T是时间τ的已知函数，即式(2)：

T(τ)=f(τ)

(2)

第二类边界条件：混凝土表面热流量是时间τ的已知函数，即式(3):

(3)

第三类边界条件：混凝土表面热流量与混凝土表面温度T和气温Ta之差成正比，即式(4)：

(4)

式中：α为导温系数，α=λ/cρ，m3/h；T为温度值， ℃；Q为单位时间单位体积中发出的热量，kJ/(m3·min)；c为混凝土的比热，kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土的密度，kg/m3；β代表表面放热系数，kJ/(m2·d·℃)。

β可由保温材料的等效厚度计算，即式(5)：

(5)

式中：β0为最外层保温材料与空气间的放热系数；λi为保温材料导热系数；k1、k2分别为风速修正系数与潮湿程度修正系数;hi为不同材料厚度，mm。

若所覆盖的保温材料相同，那么可将保温层厚度h改写成式(6)：

(6)

2 基本参数与模型

2.1 基本参数

(1)材料力学参数。溢流坝段的材料分区如图1所示，各材料区的主要力学参数如表1所列。

图1 材料分区

表1 各材料区力学参数

(2)热学参数。各材料区的主要热学参数如表2所示。

表2 各材料区热学参数

2.2 计算模型

本次计算考虑坝体实际体型与材料分区，对溢流坝段进行三维有限元离散，共形成40 480个单元，47 457个节点，坐标系以横河向为X轴，指向左岸，以顺河向为Y轴，指向上游，竖直方向为Z向[7]，有限元模型如图2所示。

图2 计算有限元模型

3 坝体越冬保温计算

3.1 计算工况

为满足坝体设计、节约保温材料及保证坝体安全的要求，计算安全系数的标准为1.60，故设计以下四个工况分别进行试算，计算边界条件选取多年平均气温。计算工况如表3所列。

表3 计算工况

3.2 计算结果分析

温度方面：温度变化过程线如图3所示，四种工况下越冬面最高温度均出现在保温初期，并在11月之后随着外界气温的降低而逐渐降低。工况3与工况4(等效放热系数为38.395 kJ/(m·d·℃))的温降幅度小于工况1与工况2(等效放热系数为44.624 kJ/(m·d·℃))，是由工况1与工况2所覆盖的保温被厚度较工况3与工况4厚所引起的，这也说明了塑料海绵板具有良好的保温效果；工况1与工况3(控制最高温度为25 ℃)和工况2与工况4(控制最高温度为23 ℃)相比，工况1与工况3的温升最大值大于工况2与工况4，这表明提高越冬层最高温度控制标准导致越冬面越冬期间的最高温度值提升。越冬面最高温度、最大应力与发生时间的计算结果如表4所列。

表4 越冬面最高温度、最大应力与发生时间计算结果

图3 温度变化过程线

应力方面：最大主应力出现在顺河向方向，顺河向应力变化过程线如表3所示，通过图4可以看出，四种工况下的最大主应力随着时间的变化先升高后降低，并在1月底2月初达到最大值，而该时间正是本地区最寒冷的时间点；工况1(控制最高温度为25 ℃)与工况2(控制最高温度为23 ℃)相比，前者的最大主应力为1.71 MPa大于后者1.66 MPa，这表明提高越冬层温度控制标准使得越冬层最大主应力提升，使得坝体开裂风险增加；工况2(等效放热系数为44.624 kJ/(m·d·℃))与工况3(等效放热系数为38.395 kJ/(m·d·℃))相比，前者的最大主应力为1.66 MPa大于后者1.58 MPa，这表明增加保温层覆盖层数能够有效降低越冬层的最大主应力，以降低坝体开裂风险。

图4 顺河向应力变化过程线

综上分析，选择工况2，覆盖总厚度为12 cm(6 cm×2 cm)厚的保温被并控制越冬层内部温度不大于23 ℃，以满足安全系数满足设计的要求，同时降低成本。

4 坝体越冬揭被计算

4.1 计算工况

由于溢流坝段覆盖了6层保温被，因而结合现场施工实际，研究一次性全揭开与分三次揭开两种工况下越冬层的温度与应力情况，同时预留一层保温被进行施工前的临时保温，根据设计要求并按照混凝土表层温度与未来3～5 d日平均气温差值不大于3 ℃的标准来控制保温被最后一层揭开时机，计算工况如表5所列。

表5 计算工况

4.2 计算结果分析

两种工况下的温度变化过程线如图5所示，通过图5 可以看出，若采用分三次依次揭开的方式，混凝土表面温度呈梯度的变化；若采用一次性揭开的方式，混凝土表面发生温度骤降，此时会出现较大的温度应力。

图5 温度变化过程线

两种工况下的应力变化过程线如图6所示，通过图6可以看出，在揭被子当天产生的长周期应力已变得非常小，而主要的应力来源于揭被子后几天由于温度的骤变所产生的温度应力。

图6 应力变化过程线

计算所得越冬层最大应力如表6所列，通过表6可以看出，若采用分三次性揭开的方式，最大应力为1.61，安全系数为1.73，而采用一次性揭开的方式，最大应力为1.76，安全系数为1.58。综合坝体安全和施工成本两方面因素，选择分别在2018年3月20日、25日及31日分三次揭开方案最为合理。

表6 最大应力统计

5 结 论

基于本文的计算与分析，结论与建议如下：

(1)传统混凝土坝越冬保温，常依赖施工经验来进行盖被、揭被施工，而没有或很少考虑外界温度变化对该施工过程的影响，这对坝体非常不利，而用有限元仿真方法预先模拟盖被、揭被过程，以得到合理的盖被、揭被方案，为后期的施工奠定理论基础。

(2)通过盖被仿真计算结果可见，四种工况下越冬面最大应力分别为1.77 MPa、1.66 MPa、1.62 MPa、1.58 MPa，对应的安全系数分别为1.57、1.63、1.67、1.72，通过设计安全系数标准来选取合理的盖被方案，选定安全系数为1.63的工况2，即越冬面保温参数为44.624，设计采用保温层总厚度为12 cm(6层2 cm)厚的橡塑海绵保温材料，并控制越冬层浇筑混凝土最高温度在23 ℃ 以内。

(3)通过揭被仿真计算结果可见，不考虑寒潮的影响下，若当年3月31日一次性全部揭开，最大应力值为1.76，安全系数为1.58；若在当年3月20日、25日及31日分三次揭开，最大应力值为1.61，安全系数为1.73。按照当年3—4月份气温预测情况及混凝土表面温度情况，建议保温被分别按2层、2层、1层的顺序分三次揭开，即在3月20日先揭开两层，第二次是在第一次揭开5～7 d后，结合混凝土表面温度稳定下降情况再进行两层地揭开，第三次是在第二次揭开5～7 d后，结合混凝土表面温度稳定下降情况再进行一层地揭开，并保证三次揭开时间点的外界温度值不小于-1.42 ℃、0.22 ℃及1.87 ℃。

本文仅对该混凝土重力坝溢流坝段进行了计算分析，对左挡水坝段、厂房坝段、右挡水坝段计算分析方法类似，本文不再赘述。