高海拔气候环境下碾压混凝土重力坝施工期开裂风险分析

陕亮 李星

摘要：

DG水电站位于高寒高海拔地区，气候环境复杂。为研究施工期碾压混凝土温控防裂问题，选取DG水电站厂房坝段为研究对象，采用三维数值仿真模拟技术进行施工期大坝温度场和温度应力计算，以及气温骤降、昼夜大温差对坝体影响的敏感性分析。研究结果表明：气温骤降、昼夜大温差在坝体表面分别产生约1.4，0.9 MPa的拉应力，易在坝体表面引起裂缝；为了减小由此引发的混凝土开裂风险，采用混凝土表面保温防护措施之后，坝体表面温度应力相应得到显著改善，拉应力分别减少至约0.3，0.4 MPa。

关键词：

温控防裂； RCC重力坝； 混凝土； 仿真计算； 高寒高海拔地区

中图法分类号：TV315

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.012

文章编号：1006-0081（2023）03-0066-06

0 引 言

碾压混凝土筑坝技术以其良好的工作性和经济性，成为高寒高海拔地区复杂环境下最有利的坝型之一［1-3］。DG水电站位于西藏自治区桑日县，采用坝后式厂房布置，坝顶高程3 451 m，最大坝高118 m，正常蓄水位3 447 m，是世界上海拔最高的RCC（碾压混凝土）重力坝。坝址区气候恶劣，具有温差大、气壓低、风力强、冻土深、辐射强等高寒高海拔地区的不利因素，使得该工程在建设期即面临较大的混凝土开裂风险［4-5］。气温骤降、昼夜温差大均是导致坝体产生表面裂缝的主要原因，表面裂缝往往会发展成深层甚至贯穿裂缝，造成坝体渗漏，发生冻融破坏，严重时将影响坝体整体安全［6-8］。大坝混凝土表面防裂需要个性化、精细化全坝保温工艺，加强表面保温是有效防止混凝土表面裂缝的重要措施［9］。因此，进行高寒高海拔严苛环境下气温骤降、昼夜（日变化）大温差对DG水电站的影响研究十分必要。

1 模拟计算

1.1 计算模型

厂房坝段结构复杂、材料分组多，作为典型坝段进行研究分析，结构模型见图1（a），其中2019年完成浇筑的混凝土以彩色分组显示，2020年浇筑的混凝土以灰色显示，共计335 414个节点，309 790个单元。材料分区见图1（b），其中R表示碾压混凝土，C表示常态混凝土。

1.2 计算条件

依据NB/T 35092-2017 《混凝土坝温度控制设计规范》以及DG水电站相关建设单位技术报告［10-13］，确定计算条件。

1.2.1 力学与热学性能

混凝土弹性模量采用E（t）=E0（1－e－AtB）拟合，其中E0为混凝土最终弹性模量，GPa。拟合参数如表1所示。

混凝土绝热温升采用θ（t）=θ0tA+t拟合，其中θ（t）为混凝土绝热温升，℃；θ0为混凝土最终绝热温升，℃；t为混凝土龄期，d。混凝土与基岩热学性能如表2所示。

1.2.2 环境温度条件

1.2.2.1 年气温变化

根据DG水电站气象要素月平均气温统计结果，采用Tc（t）=10.2+7.9sin2365（t－100）拟合年气温变化。

1.2.2.2 气温骤降温度作用

对于一般宽为20 m的坝块，当遭受日平均气温在2～5 d内下降6～8 ℃时，可能出现表面裂缝，随坝块的宽度增加，表面裂缝条数将增多。查阅西藏地区拉萨市2018～2019年气温骤降资料，拟定2019年4月和10月（对应混凝土龄期分别为10 d和超过28 d），坝体遭遇气温骤降袭击，3 d气温降温幅度12 ℃，按保温和不保温两种情况分析。

1.2.2.3 日变化（昼夜）温差作用

昼夜温差作用是日气温最高值与最低值之差形成气温日变化对混凝土结构的影响，其在相对较短时间内变化较为剧烈，根据DG水电站气象站气温日变幅统计资料，研究日变幅最大月份昼夜温差对坝体影响，12月份日变幅14.9 ℃，1 d内昼夜温差变化量见表3，按保温和不保温两种情况分析。

1.2.3 温度场与应力场计算

1.2.3.1 混凝土浇筑温度

厂房坝段建基面呈多层台阶式，混凝土相应允许浇筑温度见表4。混凝土浇筑分层及间歇期控制原则：坝体常态混凝土强约束区浇筑层厚不宜超过1.5 m，间歇5～7 d；弱约束区和自由区浇筑层厚不宜超过3.0 m，间歇7～10 d。碾压混凝土强约束区浇筑层厚不宜超过1.5 m，间歇10 d；弱约束区和自由区浇筑层厚不宜超过3.0 m，间歇12 d。厂房基础约束区浇筑层厚度不超过2.0 m，基础约束区以外最大浇筑厚度控制在2～3 m以内，上、下层浇筑间歇时间为5～10 d。

1.2.3.2 通水冷却

一期通水冷却水温12 ℃，通水时长30 d，混凝土下料时即开始；中期通水冷却水温12 ℃，通水时长60 d，冷却目标温度16 ℃，从当年9月初开始进行高温季节浇筑混凝土至入冬前必要的冷却降温。

设定基岩初温为10.2 ℃，以气温边界条件下计算时长20 a至混凝土开始浇筑时所得的温度场作为基岩的初始温度场；入仓温度作为混凝土的初始温度。温度场计算时，坝段对称面、基础底面、各侧面按绝热边界处理；坝体与气温接触的边界，按第三类边界条件处理，放热系数β取10.73 W/（m2·℃）；孔洞内与大气接触的表面，考虑到空气流通不畅，β取5.0 W/（m2·℃）。应力计算中，基础底面取三向约束，基础上游面自由，基础下游面、基础左右两侧面取法向约束；坝体侧面与相邻坝段之间有横缝，取为自由面。

1.2.4 混凝土表面保温防护

参考高寒地区碾压混凝土坝表面多种保温方案 ［14］，设计DG水电站厂房坝段混凝土保温防护措施，保温效果如表5所示；计算分析分为表面保温、不保温两种情况。

2 结果与分析

2.1 气温骤降影响

2.1.1 温度场

遭遇气温骤降坝体降温见表6，坝体混凝土外表面温度以及气温变化曲线见图2。计算结果表明：混凝土表面不保温条件下，混凝土外表面降温7.51 ℃（4月份）、7.96 ℃（10月份）；混凝土表面保温条件下，混凝土外表面降温1.24 ℃（4月份）、1.53 ℃（10月份）。距外表面不同距离处混凝土温度变化曲线见图3，距离混凝土表面0.6 m处，降温幅度迅速减小到1.0 ℃以内，越深入内部影响越小；在温度历程上，坝体内部混凝土相对于表面混凝土存在滞后现象。

4月份处于年气温变化的气温上升期，10月份处于年气温变化的气温下降期，所以10月份混凝土表面降温略大于4月份；混凝土外表面保温措施，有效避免了混凝土内外大温差情况的出现；距离混凝土表面越远，深于1.2 m的内部混凝土温度，基本不受气温骤降的影响。

2.1.2 应力场

由表1可知，碾压混凝土强度在各龄期均小于常态混凝土强度，开裂风险更高，因此以碾压混凝土为对象分析气温骤降对混凝土应力影响。遭遇气温骤降坝体碾压混凝土应力变化见表7。结果表明，气温骤降仅在混凝土表面产生较大的拉应力，沿深度方向拉应力急剧下降。气温骤降的幅度为3 d降温12 ℃，对于4月份降温，混凝土龄期10 d，表面横河向产生拉应力0.08 MPa（保温）、0.56 MPa（不保温），表面竖直向产生拉应力0.16 MPa（保温）、0.59 MPa（不保温）；距表面深度0.6 m处，气温骤降对混凝土应力基本无影响；对于10月份降温，混凝土龄期28 d以上，表面横河向产生拉应力0.23 MPa（保温）、1.22 MPa（不保温），表面竖直向产生拉应力0.31 MPa（保温）、1.40 MPa（不保温）；距表面深度0.6 m处，气温骤降对混凝土应力影响较小。

2.2 日变化（昼夜）温差影响

2.2.1 温度场

昼夜温差引起大坝混凝土温度变化见表8。结果表明：混凝土浇筑层内部区域受昼夜温差日变化的影响较小，混疑土外表面温度受昼夜温差日变化的影响较大，在混凝土结构中形成一定的温度梯度。大坝混凝土表面不保温条件下，考虑昼夜温差影响的外表面混凝土最大温度变幅约 4.3 ℃，深度达0.6 m后变幅较小，最大温度变幅约1.1 ℃；保温条件下，考虑昼夜温差影响的外表面混凝土最高温度变幅约0.4 ℃，深度达0.5 m后则基本无影响。

2.2.2 应力场

大坝碾压混凝土下游面昼夜温差引起横河向应力见表9，表面不保温碾压混凝土昼夜温差引起横河向应力变化见图4；大坝排沙廊道常态混凝土表面昼夜温差引起顺流向应力见表10，表面不保温常态混凝土昼夜温差引起顺流向应力变化见图5。结果表明：混凝土浇筑层内部区域受昼夜温差日变化的影响较小，混疑土外表面应力受昼夜温差日变化的影响相对较大。大坝混凝土表面不保温条件下，昼夜温差影响的外表面混凝土产生拉应力分别为0.91 MPa（碾压混凝土）、0.51 MPa（常态混凝土）；保温条件下，昼夜温差影响的外表面混凝土产生拉应力分别为0.38 MPa（碾压混凝土）、0.03 MPa（常态混凝土）。距表面深度1.0 m以内，昼夜温差对混凝土应力影响较小，昼夜温差碾压混凝土沿深度方向横河向应力变化见图6。

由上述分析可知，高寒高海拔气候环境下筑坝，强冷空气侵袭时常引起环境气温骤降；日照强热辐射放大了昼夜大温差作用，白天地表面吸收了太阳辐射能而逐渐增热，通过辐射、分子运动、对流等方式将热量传递给边界层大气，大气温度随之升高，夜间地表面因放射长波辐射而冷却，边界层大气温度随之降低。两种因素均可导致坝体混凝土表面温度变化迅速，而其结构内部温度仍处于原来状态，从而形成较大温度梯度，产生温度变形，这样的变形在受到结构内、外约束阻碍时，会产生相当大的温度应力，造成混凝土表面开裂风险增大。混凝土表面保温防护设计可显著改善坝体表面温度应力，是有效防止混凝土表面裂缝的重要措施。

3 结 语

（1） 气温骤降作用时间较短，坝体表面温降较大，在混凝土外表面产生1.4 MPa的拉应力，在深度方向影响有限、早龄期混凝土遭遇气温骤降时，很容易使混凝土表面发生裂隙，进而发展成裂缝。

（2） 昼夜大温差的日变化在混凝土外表面产生0.9 MPa的拉应力，增加了混凝土表面开裂风险，其影响深度在1.0 m以内。

（3） 设计混凝土表面保温防护措施，坝体表面温度应力得到显著改善，拉应力分别减少至约0.3，0.4 MPa。

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［12］ 中国水利水电第九工程局有限公司.DBTJ-进度-2019-007 2019年实施性进度计划 ［R］.贵阳：中国水利水电第九工程局有限公司，2019.

［13］ 华东勘测设计研究院有限公司.西藏DG水电站大坝混凝土热力学性能试验检测报告［R］.杭州：华东勘测设计研究院有限公司，2019.

［14］ 尚层.高寒地区碾压混凝土坝上游面保温方案比选［J］.人民长江，2016，47（1）：79-82.

（编辑：李 晗）

Cracking risk analysis of RCC gravity dam during construction in high altitude climate

SHAN Liang1，2，LI Xing2，3

（1.Material and Engineering Structure Department，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.National Dam Safety Research Center，Wuhan 430010，China； 3.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China

）Abstract：

DG Hydropower Station is located in high altitude and cold area，and the climate environment is complex.To study the problem of concrete temperature control and crack prevention during construction，taking powerhouse section as the research object，the temperature field and thermal stress during the construction period of the dam were numerically simulated by the three-dimensional finite element method，and the sensitivity analysis of the impact of sudden temperature drop and temperature difference between day and night on the dam body.The research results showed that the sudden drop of temperature and large temperature difference between day and night produce tensile stress of approximately 1.40，0.9 MPa respectively on the dam surface，which was easy to cause cracks on the dam surface.In order to reduce the risk of concrete cracking caused by reasons above，the concrete surface thermal insulation protection measures were designed，the temperature stress on the dam surface was significantly improved，and the tensile stress was reduced to approximately 0.3，0.4 MPa respectively.

Key words：

temperature control and crack prevention； RCC gravity dam； concrete； simulation calculation； high altitude and cold regions

收稿日期：

2022-05-11

基金項目：

国家重点研发计划课题（2021YFC3090104）；

国家自然科学基金（51779019，51979011）；

长江设计集团有限公司自主创新项目（CX2021841）；

长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2019407/CL，CKSF2019434/CL）

作者简介：

陕 亮，男，正高级工程师，博士，主要从事水工结构研究工作。E-mail：robert_shanl@163.com