“边浇边灌”快速施工条件下拱坝温控防裂研究

余志华，罗志祥，卜飞翔，王子健，强 晟

（1.杭州市临安区水利水电局，浙江 杭州 311300；2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；3. 浙江省水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引 言

在拱坝建设中，为追求提前蓄水发电或防洪等产生的效益，往往要求加快大坝施工速度，缩短施工总工期。“边浇边灌”是一种可采用的拱坝快速施工方式，在此工况下，拱坝上部新混凝土浇筑及其一期冷却与下部老混凝土二期冷却同时进行。如何确保此工况下拱坝混凝土不开裂，能够又快又好地进行混凝土坝建设是工程界长期关注的问题[1]。

研究表明，温度应力是由温差导致的变形受约束产生的[2-3]。上下层混凝土不同步冷却会产生上下层约束，在靠近冷却区上部或下部会出现最大应力[4]，容易产生内部裂缝，影响大坝安全。在实际工程中，需要选取合适的温降速率，使上下层混凝土在高度方向形成合理的温度梯度[5-6]，协调控制好各浇筑块的温降收缩变形，避免出现危害性裂缝。在目前常用的浇完再灌方式中，上下浇筑层温度梯度的控制难度相对较小，但施工总工期较长。如采用总工期更短的边浇边灌方式，温度梯度的控制难度更大，需要专门研究后提出更具有针对性、更精细化的控制方案。

某在建水库的挡水建筑物为混凝土拱坝，最大坝高74.50 m，坝长240.18 m，坝顶宽度7.00 m，拱冠梁底宽30.60 m。为加快施工进度，计划上部浇筑块进行一期冷却的同时，下部老浇筑块进行二期冷却，以实现下部尽早灌浆封拱。在水泥水化热和新老混凝土相互约束、共同作用下，坝体很有可能会出现裂缝，危及工程枢纽建筑的安全与稳定。

因此，本文建立完整坝体三维有限元模型，采用非稳定温度场和应力场的仿真计算理论与方法[7]，对比分析浇完再灌与多种边浇边灌方案中坝体混凝土的温度及应力情况，提出边浇边灌工况下相对较优的温控防裂方案，可为类似的工程问题提供参考和借鉴。

1 计算模型和计算条件

1.1 计算模型及参数

对完整拱坝的15 个坝段及其横缝、周围山体、基岩建立三维有限元模型，Z轴竖直向上，河谷最低处Z=180，X轴指向水流方向，Y轴按右手螺旋法则指向左岸，共计246 243 个单元，274 477 个节点，三维数值计算模型见图1。

图1 三维数值计算模型图

进行温度场仿真计算时，地基的四周和底面设为绝热边界，上表面为散热边界；混凝土浇筑块缝面未被相邻结构覆盖时为散热边界，覆盖后为绝热边界；其他表面均为散热边界。应力场仿真计算时，地基的四周和底面施加法向约束，上表面为自由边界[8]。

拱坝坝体为C20W8F50 混凝土，溢流面和闸墩为C30W6F100 混凝土。坝体混凝土和基岩的热力学参数见表1，混凝土绝热温升曲线见图2。本文的热学计算参数来源于该工程实测温度数据的反演，力学计算参数来源于室内力学试验。

表1 大坝混凝土和基岩热力学参数表

图2 大坝混凝土绝热温升曲线图

1.2 特征点

为显示典型关键位置的温度和应力随龄期的发展过程，选取长浇筑间隔浇筑块内部特征点1 和强约束区浇筑块内部特征点2 作为典型特征点进行分析（见图3）。

图3 特征点示意图

1.3 计算工况

为探究边浇边灌工况下相对较优的温控防裂方案，进行若干工况的对比分析，本文选取其中5 个典型工况。其中工况1 为浇完再灌工况，工况2～5为不同的边浇边灌工况。

工况1：分为3 个冷却区，每个冷却区高约24 m。2021 年冬季开始施工，2023 年春季全坝浇筑到顶；2023—2024 年秋冬季开始先后对3 个冷却区进行二冷，以0.50 ℃/d 的温降速率将溢流面以下冷却至13 ℃，溢流面以上冷却至14 ℃；2024 年春季全坝陆续封拱，2024 年夏季蓄水到校核洪水位。

工况2：浇筑进度同工况1，但二期冷却和封拱灌浆时间提前。2022 年11 月将第一冷却区以0.50 ℃/d 的温降速率降至14 ℃，随后封拱，上部坝体继续上升；2023 年初以相同的速率对第二冷却区进行二期冷却后封拱，上部坝体继续上升；2023 年春季开始蓄水至坝体中下部并产生城乡供水效益；2023—2024 年冬季对第三冷却区以0.50 ℃/d 的温降速率降至16 ℃，随后封拱；2024 年夏季蓄水至校核洪水位。

工况3：在工况2 基础上，延长一冷时间，进行长达数月的缓慢温降，第二冷却区的一冷长期温降速率为0.20 ℃/d，降至约24 ℃。2022 年11 月，同时开始第一冷却区和第二冷却区的二冷，温降速率为0.25 ℃/d。

工况4：在工况3 基础上，第一冷却区和第二冷却区的二冷温降速率减小至0.12 ℃/d，第三冷却区的一冷温降速率调整为1.00 ℃/d，降至20 ℃，二冷温降速率调整为0.25 ℃/d。

工况5：在工况4 基础上，将第一冷却区和第二冷却区分3 期冷却。一冷降至24 ℃后，中期冷却以0.20 ℃/d 降至19 ℃，间隔1 个月开始三冷，以0.20 ℃/d 降至15 ℃。第三冷却区以0.10 ℃/d 降至17 ℃。

2 计算结果

在仿真分析中，温度和应力的最大值及其出现的时间、部位是观察重点。因此，本文采用典型剖面的温度和应力包络图，以及特征点的温度和应力历时曲线进行表达，以拉应力为正，压应力为负。

图4 为浇完再灌工况（工况1）仿真计算中典型坝段竖直切面温度、应力包络图，图5～6 为各工况特征点1 和2 的温度、应力历时曲线图，图7 为工况5 温度、应力包络图。

图4 工况1 温度、应力包络图

图5 不同工况特征点1 和2 温度历时曲线图

图6 不同工况特征点1 和2 应力历时曲线图

图7 工况5 温度、应力包络图

由图4 可见，在204.00～228.00 m 高程（第二冷却区）处，因2022 年夏季气温异常高，浇筑块内部最高温度近50 ℃，工况1 相应的内部最大拉应力超过2.0 MPa（极限抗拉强度）。坝体不同部位很可能会出现贯穿性裂缝、深层裂缝和表面裂缝，特别是曾经出现历史高温的部位。

分析图5～6，工况1、2 的特征点应力历时曲线表明，在边浇边灌过程中以较大速率进行二期冷却，特征点1 的拉应力增幅达到1.3 MPa，会超过抗拉强度；工况3、4 中，对第二冷却区的浇筑块进行长时间缓慢的一冷后，二冷期间温降速率越小，浇筑块的应力也越小；工况5 将二冷分2 期进行，中间停止冷却1 个月，略有利于减小拉应力，拉应力相较工况4 下降约0.1 MPa。

图5 ～7 表明，延长一期冷却时间并尽早进行缓慢的二期冷却，可以使大部分浇筑块在二冷结束时的应力满足强度要求，不再存在贯穿性和深层的拉应力超标区域；最终虽有少部分浇筑块的表面拉应力仍然略超过抗拉强度，但这与异常气候导致的历史最高温有关，现有措施已经使得开裂危害最小化。

根据工程现场提供的信息，截至2023 年3 月，该拱坝下部冷却区已完成封拱灌浆，中部冷却区正在灌浆，各监测点数据正常，为提前分阶段蓄水提供了保障。

3 结 论

1）与边浇边灌方案相比，浇完再灌方案二冷前坝体温度自然缓慢降至较低，且上、下灌浆区的温度更均衡，相互约束更小，坝体二冷之前的拉应力累积较少，其大部分区域在二期冷却期间的安全性高于边浇边灌方案。因此，边浇边灌方案更易致裂。

2）边浇边灌方案中，一期冷却速度不宜太快，需要与周围相邻浇筑块的温度相协调，形成合理的温度梯度，避免浇筑块在一冷期间出现裂缝。

3）二冷越慢越有利于减小拉应力增幅。将边浇边灌方案中的二冷分2 期进行，中间停止冷却1 个月，使温度梯度更加缓和，略有利于减小拉应力。

4）边浇边灌方案中，当采用更严格的温降速率（温度的时间梯度）和相邻浇筑块温差（温度的空间梯度）时，可将坝体大部分区域的拉应力控制在抗拉强度范围内，从而实现保证防裂安全前提下的拱坝快速施工。