新疆某高拱壩溫度應力計算與溫度控制關鍵技術研究

顧佳俊，夏世法，李秀琳，李 蓉

（1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆烏魯木齊，830000；2.中國水利水電科學研究院，北京，100038）

0 引言

拱壩一般比較單薄，對外界氣溫和水溫的變化比較敏感，壩內(nèi)溫度變化比較大。除了壩頂為自由邊界外，接縫灌漿后受基巖約束較強，溫度變形受到的外界約束比較大，因此溫度應力對拱壩安全的影響非常顯著，在嚴寒地區(qū)溫度應力會更加突出。

新疆某常態(tài)混凝土雙曲拱壩位于新疆自治區(qū)阿勒泰市布爾津縣布爾津河干流河段，壩頂高程649 m，建基面高程555 m，最大壩高94 m。多年平均氣溫為5℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-41.2℃。在本地區(qū)修建混凝土拱壩，防裂任務艱巨，溫控防裂難點主要體現(xiàn)在以下4方面：（1）基礎3 m厚的混凝土蓋板薄層長間歇很容易產(chǎn)生貫穿性裂縫；（2）冬季寒冷，全年寒潮頻繁，且晝夜溫差大，控制壩體上、下游表層混凝土的內(nèi)外溫差、防止表面裂縫的難度較大；（3）大壩每年可施工期為4～10月，11月至次年3月停工越冬，越冬水平面防裂及附近新、老混凝土之間的上、下層溫差控制也是比較難解決的一個問題；（4）大壩的穩(wěn)定溫度較低，接縫灌漿前需要通水冷卻使壩體降至封拱溫度，這階段有可能產(chǎn)生較大溫度應力，對壩體防裂不利。

本次仿真計算以拱冠壩段為例，旨在遴選不同月份施工時大壩混凝土的溫控措施及溫度控制指標，達到大壩混凝土施工期防裂的目的。

1 仿真模型及計算資料

1.1 施工情況及材料參數(shù)

按照每層3 m高度安排施工進度，其中最后一層4 m。2010年6月20日澆筑完成3 m厚混凝土蓋板，56 d之后開始主體澆筑，到10月底由于氣溫較低，停止?jié)仓藭r壩體高程為576 m。2011年4～9月，澆筑高程為576～612 m。2012年4～9月中旬，澆筑高程為612～645 m，9月下旬澆筑完成，混凝土高程649 m。原材料采用布爾津水泥廠P·I 42.5型硅酸鹽水泥，瑪納斯電廠Ⅰ級灰，骨料為現(xiàn)場生產(chǎn)的水洗天然砂和人工混的混合砂及卵石回軋料，外加劑采用新疆五杰公司生產(chǎn)的NF-2緩凝高效減水劑和PMS-NEA3引氣劑。混凝土材料分區(qū)見圖1，配合比參數(shù)見表1，相關熱學性能參數(shù)見表2。

圖1 拱冠壩段混凝土分區(qū)圖Fig.1 Concrete zoning of arch crown

1.2 計算模型及邊界條件

采取三維有限元進行仿真計算，為了考慮接縫灌漿對壩體的作用，計算模型采用了相鄰的3個拱冠壩段。整體坐標系坐標原點位于大壩上游壩踵處，X向為水流方向，正向為上游指向下游，Y向為垂直水流方向，正向為右岸指向左岸，Z向為豎直方向，正向為豎直向上。為保證計算精度，壩體沿上下游方向剖分8份，高度方向每0.5 m剖分一層，三維有限元計算模型見圖2，采用8結(jié)點等參空間單元，共計15 036個單元，17 876個結(jié)點。

圖2 拱壩拱冠壩段三維有限元計算網(wǎng)格圖Fig.2 3D finite element calculation grid of arch crown

根據(jù)設計擬定的澆筑方案和接縫方案，施加各種荷載的綜合作用（如混凝土自重、水壓力、溫度變化、徐變松弛等），并考慮壩體不同分區(qū)混凝土的絕熱溫升、彈性模量、徐變度等材料熱力學性能隨時間的變化，兩側(cè)壩段作為中間壩段的計算約束條件，以此進行仿真計算，僅整理中間壩段的計算結(jié)果。

溫度場計算中：地基底面、地基4個側(cè)面以及壩段橫縫為絕熱邊界。壩體上下游面在蓄水前按第三類邊界（壩面與空氣接觸）處理；蓄水以后，在水面以上為第三類邊界，水面以下覆蓋保溫板也按第三類邊界處理。

表1 混凝土配合比材料用量（單位：kg/m3）Table 1 Material consumption of concrete mix proportion(unit:kg/m3)

表2 混凝土主要熱力學參數(shù)Table 2 Main thermodynamic parameters of concrete

應力場計算中：地基底面按固定支座處理，地基在上下游方向按X向簡支處理，地基沿壩軸線方向的兩個邊界按Y向簡支處理。壩體側(cè)面在接縫灌漿后施加Y向法向約束，其余為自由邊界。

1.3 溫控邊界條件

拱壩溫控邊界條件主要涉及到以下幾方面：入倉溫度、臨時保溫、冷卻水管通水、越冬面保溫、永久保溫及封拱灌漿等方面。

（1）入倉溫度控制：在施工期，不同月份澆筑的混凝土澆筑溫度控制如下：5～9月份澆筑溫度控制為12℃，4月份、10月份混凝土自然入倉，澆筑溫度分別為10℃和8℃。

（2）臨時保溫方案：上、下游面在澆筑以后覆蓋2 cm厚聚氨酯泡沫被進行臨時保溫，按第三類邊界條件考慮。澆筑層面采用2 cm厚聚氨酯泡沫被進行臨時保溫，并對5～9月澆筑的混凝土采取“噴淋”方式養(yǎng)護?！皣娏堋彼疁卦?月份約18℃，在6～8月份約24℃，在9月份約18℃。

（3）冷卻水管通水要求：每層混凝土均布設1.5 m×1.5 m水管進行一期通水冷卻，開始澆筑混凝土前0.5 h即布設水管通水預冷，通水結(jié)束時間為澆筑以后15 d。冷卻水管采用高強度聚乙烯管，每卷長200 m，通水流量約20～25 L/min，通水方向每天倒換一次，采用河水進行冷卻。對每年6～8月澆筑的混凝土，在當年10月1～15日通河水進行二期冷卻，以消減上下游表面混凝土在越冬時的內(nèi)外溫差。封拱灌漿前冷卻水管水溫4℃。

（4）越冬頂面保溫：采用26 cm厚棉被進行保溫，等效放熱系數(shù)為15.37 kJ/(m2·d·℃)；越冬層保溫被在來年的4月中旬逐步揭開，開始新混凝土的澆筑。

（5）上下游面永久保溫：均采用噴涂10 cm厚聚氨酯進行保溫，等效放熱系數(shù)為23.90 kJ/(m2·d·℃)。2010年澆筑的混凝土在當年10月初開始噴涂，2011年及以后澆筑的混凝土在拆模后即噴涂。

（6）封拱灌漿時間：不同澆筑月份對應不同封拱時間，2010年10月以前澆筑的于2011年5月15日封拱，10月澆筑部分于2011年8月15日封拱；2011和2012年澆筑的混凝土，其中4月、5月澆筑區(qū)在次年5月15日封拱，6月、7月澆筑區(qū)在次年8月15日封拱，8月及以后澆筑區(qū)在次年11月15日封拱。

2 仿真結(jié)果

溫控計算的目的就是得出不同區(qū)域混凝土溫度及應力隨時間的變化規(guī)律，驗證是否滿足溫控防裂要求，本工程重點關注區(qū)域包括基礎固結(jié)灌漿蓋板、夏季澆筑的強約束區(qū)混凝土、越冬面、夏季接縫灌漿澆筑塊等4個部位。

2.1 基礎固結(jié)灌漿蓋板

由于布設了冷卻水管，雖然蓋板在氣溫較高的夏季澆筑，但最高溫度只有25℃左右，混凝土在達到最高溫度后由于通水冷卻的作用，溫度繼續(xù)下降。二期通水冷卻15 d后混凝土溫度降低約5℃。2011年4月16號開始對其進行三期冷卻，通4℃冷水30 d，然而5月份以后氣溫回升較快，在外界氣溫回灌和通水冷卻共同作用下，通水結(jié)束時混凝土溫度約降至8.6℃，隨后對此部位進行接縫灌漿。

計算表明垂直水流方向應力最大，順水流方向應力次之，豎向應力最小。雖然蓋板混凝土在夏季澆筑完成，且位于基礎強約束區(qū)，受地基約束很強，但由于接縫灌漿前采取了多期通水冷卻，混凝土的徐變作用充分發(fā)揮，得到了較大的應力松弛，因此接縫灌漿前蓋板應力并未超標。在蓄水以后的運行期，蓋板應力隨時間的延長緩慢上升，但不超過2.0 MPa，滿足混凝土的防裂要求。固結(jié)灌漿蓋板中間部位典型點過程線見圖3。

圖3 基礎固結(jié)灌漿蓋板中部混凝土典型點溫度及應力變化過程線Fig.3 Temperature and stress variation of typical point of concrete in the middle part of the consolidation grouting cover plate

2.2 夏季澆筑區(qū)混凝土

由于控制夏季混凝土澆筑溫度為12℃，且在一期通水冷卻作用下，其澆筑塊最高溫度約26℃?；炷猎谶_到最高溫度后由于通水冷卻的作用，溫度繼續(xù)下降。二期通河水15 d后混凝土溫度降低約4℃～6℃。來年4月16號開始對其進行三期冷卻，通4℃冷水30 d，混凝土溫度約降至8.5℃，然后此部位進行了接縫灌漿。

另外，進入運行期以后，大壩上游面和下游面的溫度主要受外界氣溫或水溫的周期性變化影響。位于水下部位的上游面，出現(xiàn)的最低溫度約4℃，而與大氣接觸的混凝土表面，最低溫度約1.2℃～2.0℃，即在上下游表面采取10 cm厚聚氨酯后，大壩表面不會出現(xiàn)負溫。

在施工期，夏季澆筑塊中部最大應力出現(xiàn)在三期冷卻結(jié)束以后（接縫灌漿前），此時此部位混凝土溫度基本達到穩(wěn)定，而應力數(shù)值不超過1.5 MPa；而上、下游面最大應力出現(xiàn)的時間在來年的2月中旬，應力數(shù)值在2.0 MPa左右，主要原因是此時外界氣溫最低。在接縫灌漿后的大壩運行期，在外界氣溫和水溫的共同作用下，混凝土的應力隨溫度呈現(xiàn)明顯的周期性變化。2010年夏季澆筑混凝土下游面典型點溫度及應力變化過程線見圖4。

圖4 2010年夏季澆筑混凝土下游面典型點溫度及應力變化過程線Fig.4 Temperature and stress variation of typical point on the downstream surface of concrete poured in summer of 2010

2.3 越冬層面混凝土

在越冬面所在層混凝土進行一期冷卻消峰并覆蓋26 cm厚棉被以后，上、下游面混凝土最低溫度出現(xiàn)在來年的2月底，最低溫度3.0℃左右，而越冬面中部混凝土最低溫度出現(xiàn)在2月底，最低溫度約10.0℃。

在越冬期間，越冬面上應力最大的時刻出現(xiàn)在來年的1月下旬，最大應力約0.8 MPa。在上下游面附近，垂直水流方向水平應力σy較大，而在越冬面中部，平行水流方向水平應力σx較大。

進入運行期以后，越冬面上下游表面混凝土應力較大，主要受外界氣溫和水溫的變化影響所致。其最大應力為1.9 MPa左右，基本滿足混凝土防裂要求。

2.4 夏季接縫灌漿區(qū)混凝土

由于工程進度的制約，夏季接縫灌漿不可避免。在寒冷地區(qū)，夏季氣溫高、封拱溫度低，兩者的差值大，夏季封拱時由于外界熱量的倒灌，導致表層混凝土高于封拱溫度，將會導致進入冬季后表層混凝土的較大溫差以及溫差沿壩厚方向梯度較大，混凝土產(chǎn)生表面高應力。

溫度計算表明，雖然對此澆筑塊進行了四期冷卻，以將混凝土的溫度冷卻至穩(wěn)定溫度進行接縫灌漿，其中一期、二期、四期冷卻的效果比較顯著，三期冷卻的效果卻不顯著，而且在三期冷卻期間，上游混凝土表面的溫度還略有上升，主要原因是三期冷卻的時間為2012年夏季，采用河水冷卻，此時河水溫度和外界氣溫均較高，從而導致三期冷卻效果不明顯。上游表面四期冷卻結(jié)束時只能降至10.5℃左右，主要原因是四期冷卻時間為夏季，混凝土表面受外界氣溫的熱量回灌比較嚴重。

從應力的變化來看，對于上游表面及上游附近混凝土，因為接縫灌漿的時間在夏季，其最大應力并不出現(xiàn)在四期冷卻結(jié)束時，而是出現(xiàn)在2013年的3月份左右。這主要是由于混凝土表面在接縫灌漿前的溫度高于穩(wěn)定溫度，在冬季氣溫較低時，會導致混凝土表層溫差較大，從而導致應力也較大。在采取了壩體表面永久保溫、加強表層混凝土冷卻等措施后，雖然夏季接縫灌漿混凝土澆筑塊的表面應力在施工期過冬時會較大，但仍可滿足防裂要求。夏季接縫灌漿澆筑塊上游面典型點溫度及應力變化過程線見圖5。

3 結(jié)語

對于高寒地區(qū)修建拱壩，因當?shù)貧夂驐l件十分惡劣，溫控防裂的難度很大，必須采取控制澆筑溫度、表面保溫、通水冷卻等綜合溫控措施才能有效防止裂縫產(chǎn)生。結(jié)合新疆某高拱壩開展了一系列溫度應力與溫度控制關鍵技術研究，得到以下可行性方案：夏季澆筑的基礎固結(jié)灌漿蓋板入倉溫度小于12℃，經(jīng)過三期通水冷卻，加強固結(jié)灌漿期間的臨時保溫可防止應力超標。夏季澆筑混凝土入倉溫度小于12℃，外加澆筑間歇層噴淋、內(nèi)部通水冷卻，壩體表面噴涂10 cm厚聚氨酯可確保大壩表面不出現(xiàn)負溫。越冬面覆蓋26 cm棉被可滿足越冬期間的防裂要求。

目前該拱壩已投入運行3年，至今未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，說明現(xiàn)場采用的溫控措施效果顯著，對國內(nèi)外類似地區(qū)新建混凝土壩的溫控防裂具有重要指導意義。 ■

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