歐陽海軍，秦鵬祥，胡平，趙麗娜

（1.華能西藏發(fā)電有限公司，西藏拉薩850000；2.華能西藏藏木水電分公司，西藏拉薩856400；3.中國水利水電科學研究院結構材料研究所，北京100038）

高海拔地區(qū)混凝土壩溫控防裂及工程應用研究

歐陽海軍1，秦鵬祥2，胡平3，趙麗娜3

（1.華能西藏發(fā)電有限公司，西藏拉薩850000；2.華能西藏藏木水電分公司，西藏拉薩856400；3.中國水利水電科學研究院結構材料研究所，北京100038）

我國大型水電資源開發(fā)的重心已向云南、四川、青海和西藏等高海拔、高寒地區(qū)轉移。此類地區(qū)氣候環(huán)境條件惡劣，對混凝土大壩的筑壩技術、溫控設計和施工方法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。本文重點分析介紹了高海拔地區(qū)的氣候特征、筑壩材料特點、混凝土溫度控制的特點以及混凝土溫控防裂的關鍵技術和研究成果，并結合目前在建的西藏地區(qū)藏木水電站混凝土重力壩工程，介紹了高海拔、高寒地區(qū)混凝土溫控技術的應用情況及存在問題。

高海拔；混凝土壩；溫度控制；關鍵技術

1 研究背景

大體積混凝土結構往往會由于溫度的變化而產(chǎn)生很大的拉應力以致使得混凝土出現(xiàn)裂縫，因此，溫控防裂技術是混凝土筑壩的關鍵技術之一［1］。新中國成立以來的數(shù)十年間，我國的水電站建設飛速發(fā)展，混凝土筑壩技術已進入世界先進行列。進入21世紀后，我國大型水電資源開發(fā)的重心已向云南、四川、青海和西藏等高海拔地區(qū)轉移，例如雅魯藏布江干流的藏木水電站、街需水電站、加查水電站和瀾滄江上的古學水電站以及金沙江支流巴楚河的黨恩水電站等，均為高海拔地區(qū)的水電站。此類地區(qū)氣候環(huán)境條件惡劣，對混凝土大壩的溫控設計和施工方法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。我國目前在高海拔地區(qū)已建的混凝土壩數(shù)量較少，在筑壩技術方面的經(jīng)驗還不夠成熟。筆者近幾年來針對高海拔地區(qū)的氣候特征、筑壩材料特點以及混凝土溫控防裂的關鍵技術等方面，進行了大量的分析研究工作［2-3］，力圖通過三維有限元仿真計算的方法，研究探索不利氣象條件下混凝土的溫控標準、溫控防裂方法以及低溫季節(jié)混凝土的施工措施［4-5］，提出科學系統(tǒng)、合理完整和可操作性強的研究成果，以期指導工程的設計和施工，并為今后同類工程的建設積累經(jīng)驗。

2 高海拔地區(qū)的氣候及筑壩材料特點

高海拔地區(qū)通常氣候環(huán)境條件惡劣，具有年平均溫度低、低溫季節(jié)長且最低氣溫低、太陽輻射強、寒潮及晝夜溫差大的氣候特征。高海拔地區(qū)的主要氣候特征如下。

（1）年平均氣溫隨海拔上升而降低，低溫季節(jié)長且最低氣溫低，年內0℃以上氣溫天數(shù)不足1/3；年平均河道水溫隨海拔上升而降低，部分地區(qū)冬季有3個月以上的河流冰凍期。

（2）與低海拔地區(qū)氣溫年較差大的情況有所不同，高海拔地區(qū)的氣溫年較差（一年中最高月平均氣溫與最低月平均氣溫之差）隨海拔上升而減??；同時河道水溫年較差亦隨海拔上升而減小。

（3）海拔越高，太陽輻射強度越大，日照越強，因此隨著海拔高度的增加，晝夜溫差值也逐漸增大。

（4）在一般氣候條件下，水電站運行期上游年均庫水溫度，要低于年均氣溫。但在高海拔地區(qū)情況則相反。由于4℃液態(tài)水的密度最大，因此庫底水溫≥4℃，水電站運行期上游年均庫水溫高于年均氣溫。即使考慮太陽輻射影響，對于壩體絕大多數(shù)部位而言，上游年均庫水溫也高于氣溫邊界條件。

（5）通常水電站大壩的（準）穩(wěn)定溫度場分布規(guī)律是自上游至下游溫度由低到高分布。但對于高海拔地區(qū)的大壩，由于上述（4）之原因，（準）穩(wěn)定溫度場有可能是自上游至下游由高到低分布。

表1為大氣壓力、空氣密度、濕度與海拔高度的關系。表2為空氣溫度與海拔高度的關系?？諝鉁囟仍跓o熱源、無遮護的情況下，海拔高度每升高1 000m，年內最高溫度會降低5℃，同時年平均溫度也會降低5℃。

以往高海拔地區(qū)的大壩，多以土石壩或面板堆石壩為主。在此類地區(qū)建造大體積混凝土工程，混凝土材料施工期的溫度控制和運行期的耐久性指標，是影響建筑物結構整體穩(wěn)定的關鍵。

在高海拔環(huán)境下能保持長期性能的水工混凝土，應具有良好的抗凍耐久性能和變形性能，為此，在混凝土設計中，在滿足強度等級的基礎上，應盡量提高混凝土本身的抗?jié)B和抗凍性能。因此，與一般條件下的相同強度等級的混凝土比較，高海拔地區(qū)的水工混凝土通常具有如下特點：（1）混凝土耐久性指標值（即混凝土抗?jié)B、抗凍等級）有大幅度的提高；（2）混凝土配合比中，用水量一般不高，水膠比較低，一般不大于0.50；（3）膠凝材料用量相對較高，水化熱絕熱溫升值較高；（4）混凝土早期強度的發(fā)展較之一般地區(qū)更為緩慢，實際彈性模量的發(fā)展與試驗室20℃恒溫條件下的試驗參數(shù)有較大差距。

3 高海拔地區(qū)混凝土溫度控制的特點及關鍵

溫度控制就是通過各種有效手段，將混凝土由溫差產(chǎn)生的溫度應力控制在混凝土材料自身具備的抗裂能力之內［6］?；炷翜囟葢Φ挠嬎愎綖椋?/p>

式中：Kp為混凝土徐變松弛系數(shù)；R為基礎約束系數(shù)；Ec為混凝土彈性模量，MPa；α為混凝土線膨脹系數(shù)；μ為混凝土泊松比；ΔT為混凝土溫差。

由式（1）可見，混凝土的溫度應力水平，主要取決于約束、材料性能和溫差三大因素。

高海拔地區(qū)溫度控制有以下特點與難點：（1）從約束角度。我國目前已建、在建或待建的高海拔地區(qū)混凝土壩中，有相當一部分的壩址地區(qū)巖性主要為堅硬的花崗巖，巖體致密完整，均一性良好，地基彈性模量高，導致對壩體的約束大；（2）從材料角度。高海拔地區(qū)筑壩采用抗凍標號較高的混凝土，水泥用量較大，水化熱溫升相對較高，對控制混凝土最高溫度相對不利；另一方面，由于高海拔地區(qū)混凝土早期強度發(fā)展較為緩慢，施工中對早期溫度應力的控制將更為嚴格；（3）從溫差角度。由于高海拔地區(qū)氣溫極低，大壩（準）穩(wěn)定溫度場溫度水平低，導致基礎溫差的起點很低，不易控制；又由于高海拔地區(qū)氣溫驟降頻發(fā)且晝夜溫差大，內外溫差引起的表面應力超標、上游壩面劈頭裂縫隱患尤為突出；再由于高海拔地區(qū)冬季漫長，施工中冬季長間歇所帶來的上下層溫差隱患將更大。

針對上述特點，高海拔地區(qū)混凝土溫度控制的關鍵問題是：（1）從結構約束的角度，建議高海拔地區(qū)混凝土壩澆筑塊的最大尺寸L≤60m，橫縫間距≤25m，相應混凝土壩的最大壩高H≤150m；（2）從材料性能角度，建議采用碾壓混凝土（重力壩），在骨料的選取上盡可能采用線膨脹系數(shù)較低的灰?guī)r，同時研究微膨脹混凝土筑壩技術在高海拔地區(qū)的應用；（3）在結構和材料確定的前提下，采取組合措施降低混凝土的溫差（基礎溫差、內外溫差和上下層溫差）。溫度控制的常規(guī)手段是降低澆筑溫度、通水冷卻和表面保護。由于高海拔地區(qū)自然入倉溫度大多≤10℃，降低澆筑溫度的余地不大（澆筑溫度過低將會影響混凝土早期強度的發(fā)展），因此通水冷卻和表面保護措施是高海拔地區(qū)溫度控制的主要措施；（4）高海拔地區(qū)冬季是否連續(xù)施工，應針對具體工程，從社會經(jīng)濟效益諸方面給予論證。如果經(jīng)論證冬季確需連續(xù)施工，建議采用以暖棚法為主的綜合蓄熱法。

4 藏木混凝土重力壩溫控標準和溫控措施研究

藏木水電站是目前西藏最大的水電開發(fā)項目，是雅魯藏布江干流中游桑日至加查峽谷段規(guī)劃的5級電站中的第4級，為二等大（2）型工程。工程位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內，大壩為混凝土重力壩，壩頂高程3 314.00 m，正常蓄水位3 310.00 m，壩頂總長387.50 m。最大壩高116.00 m。樞紐布置格局為重力壩加壩后式廠房，由左右岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段、沖砂底孔壩段和壩后式地面廠房等組成。安裝6臺85 MW發(fā)電機組，總裝機容量510 MW。壩體采用常態(tài)混凝土澆筑，于2012年5月開工，全年施工，在澆筑期間設1條縱縫。

藏木水電站位于高原溫帶季風半濕潤氣候地區(qū)。壩址處多年平均氣溫9.2℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為32.0℃和-16.6℃，多年平均最高月平均氣溫為16.4℃（7月），多年平均最低月平均氣溫為0.0℃（1月）；多年平均年降水量540.5 mm，多年平均蒸發(fā)量2 075.2 mm；多年平均相對濕度51％；多年平均風速為1.6m/s，多年最大風速為19m/s；多年平均日照時數(shù)為2 590.5 h；冬季月平均晝夜溫差達18.7℃，夏季亦達12.1℃。溫控防裂問題是建壩過程中的關鍵問題之一。

在藏木混凝土重力壩溫控防裂的設計和研究中，針對電站地處高海拔地區(qū)的氣候特點、大壩的結構特點和混凝土材料性能、工程進度及施工措施，采用三維有限元仿真計算的方法，對藏木混凝土重力壩的溫控標準和溫控措施進行了系統(tǒng)仿真研究。

4.1 基礎溫差和溫度控制標準水庫水溫是水電站大壩的重要的溫度邊界條件，是大壩溫度應力和溫度控制的重要影響因素之一，上游水庫水溫分布直接影響到大壩運行期穩(wěn)定（準穩(wěn)定）溫度場的分布情況，影響水庫水溫的主要因素有水庫的形狀、水文氣象條件、水庫運行條件和水庫初始蓄水條件。在藏木大壩溫控設計中，首先采用水庫水溫數(shù)值預測方法［7-9］預測計算電站運行期壩前水庫水溫分布（圖1）［10］，并以此作為邊界條件，計算大壩穩(wěn)定（準穩(wěn)定）溫度場（圖2），在此基礎上，確定大壩的接縫灌漿溫度、基礎溫差和最高溫度控制標準（表3）以及混凝土上下層溫差（≤15℃）和內外溫差（≤16℃）控制標準。

4.2 允許溫度應力控制標準《混凝土重力壩設計規(guī)范》（DL 5108-1999）中規(guī)定［6］，基礎混凝土溫度應力可按混凝土極限拉伸值控制：

式中：εps為混凝土極限拉伸的標準值，即保證率80％的極限拉伸值；Es為混凝土彈性模量的標準值，即保證率80％的彈性模量值；γd3為結構系數(shù)，取1.50；σ為各種溫差產(chǎn)生的溫度應力之和，MPa；γ0為結構重要性系數(shù)，當結構安全級別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ時，γ0分別取1.1、1.0、0.9，藏木的γ0取1.1。

根據(jù)設計要求，藏木溫度應力控制標準中，混凝土允許水平拉應力以劈拉強度和虛擬抗拉強度（極限拉伸×彈性模量）二者取較低值控制，結構抗裂安全系數(shù)為：γ0×γd3=1.65，安全系數(shù)按1.65考慮?；炷恋牧W性能和允許水平拉應力見表4、表5，其中各級配混凝土的粉煤灰摻量均為30％。

由于水平施工縫的抗拉強度較低，在鉛直拉應力的作用下，達到極限拉伸變形εt前施工縫即有可能被拉開。因此，建議用下式計算允許鉛直拉應力：

式中：σz為允許鉛直拉應力；Rt為混凝土抗拉強度；γ為水平施工縫的抗拉強度折減系數(shù)，通常認為γ= 0.5～0.7；Kf為抗裂安全系數(shù)，一般采用1.3～1.8。

根據(jù)試驗資料，取γ=0.6，Kf=1.65，混凝土的允許鉛直拉應力見表6。

4.3 表面保溫措施敏感性分析表面保護措施是高海拔地區(qū)溫度控制的主要措施，是減小內外溫差、降低表面開裂風險的最有效措施［11］。在藏木大壩表面保護措施研究中，以藏木壩區(qū)的年內平均氣象資料（長周期荷載）和典型壩段的施工資料為基礎，對不同表面保溫措施對混凝土表面應力的影響進行了敏感性分析，結果見表7、圖3。由表7和圖3可見，加強表面保溫的力度可以提高大壩混凝土表面的溫度，減小內外溫差，達到有效降低表面應力的效果。考慮到藏木地區(qū)晝夜溫差等短周期荷載較大，對于重點區(qū)域，例如基礎強約束區(qū)、高溫季節(jié)澆筑的混凝土部位、孔口區(qū)域和施工倉面等應適當加大表面保溫力度，此舉可提高表面混凝土的抗裂安全系數(shù)，降低開裂風險。

4.4 溫度控制措施根據(jù)高海拔地區(qū)混凝土溫度控制的關鍵點及藏木的特點，混凝土重力壩施工中實施的主要溫控措施如下。

（1）合理分縫分塊。除廠房壩段外（27.9m），大部分壩段橫縫間距≤25m。澆筑期間，在（壩）0+040.00處設1條縱縫，使得澆筑塊最大尺寸L≤60m。

（2）控制澆筑溫度。對于高海拔地區(qū)的澆筑溫度控制，重點在冬季施工時要保證混凝土溫度不低于5～6℃。春秋季節(jié)一般采用自然入倉，夏季控制在14～16℃。具體允許澆筑溫度為表8。

（3）通水冷卻。通水冷卻布置方式如下：①對于大壩需進行接縫灌漿部位（含縱縫頂端上方9m）的混凝土，均需布置冷卻水管；對于大壩無接縫灌漿的部位，3月中旬—10月澆筑的約束區(qū)混凝土需布置冷卻水管，11月—3月上旬澆筑的混凝土可不布置冷卻水管；②大壩基礎約束區(qū)水管間距為1.5m×1.5m（水平×豎直），自由區(qū)3月中旬—10月澆筑的混凝土水管間距為1.5m×1.5m（水平×豎直）、11月—3月上旬澆筑的混凝土水管間距為2.0m×1.5m（水平×豎直），壩體孔口區(qū)域（孔口上下各15m）3月上旬—10月澆筑采用1.5m×1.0m（水平×垂直）水管間距，其他季節(jié)澆筑采用1.5m×1.5m（水平×垂直）的布置方式。

（4）表面保護。藏木壩址區(qū)常年日溫差大，混凝土澆筑過程中應常年采用保溫材料進行保護。主要包括：①低溫季節(jié)（11月—次年3月上旬）澆筑混凝土，采取鋼模板內貼保溫材料，同時在鋼模板外側嵌貼保溫材料（固定在模板上），使混凝土表面放熱系數(shù)β≤6.30 kJ/m2·h·℃，拆模后，內貼保溫材料固定在混凝土表面；②其他季節(jié)，均采用鋼模板外貼保溫材料的措施；③氣溫驟降來臨之前，對齡期未滿28 d的混凝土采用保溫材料進行全面保護，使得混凝土放熱系數(shù)β≤10.8 kJ/m2·h·℃，并對棱角部位采取加強措施；④對于基礎強約束區(qū)、高溫季節(jié)澆筑的混凝土部位、孔口區(qū)域等重點局部區(qū)域，建議適當加大表面保溫力度，β≤2.67 kJ/m2·h·℃。

4.5 溫度及溫度應力反饋分析大壩施工全過程仿真是指模擬自基坑開挖、混凝土澆筑、蓄水直至長期運行的全過程，要做到這一點，需要計算軟件能夠模擬如下過程：開挖與澆筑過程、混凝土的硬化過程、水化熱溫升過程、徐變過程、并縫灌漿過程、蓄水過程、氣溫變化過程、蓄水后的水位變化過程，以及施工過程中的各種溫控措施如低溫澆筑、通水冷卻、加減保溫、灑水流水養(yǎng)護等，并在模擬的基礎上，計算分析壩體溫度、應力和變形的全過程［12～14］。在大壩施工期溫度及溫度應力反饋分析中，上述所有的仿真分析參數(shù)，均為實際施工參數(shù)。

反饋分析依托藏木重力壩的多個典型壩段，使用Saptis仿真分析軟件，采用施工期的實測氣溫、實際施工進度和施工措施以及混凝土性能反演參數(shù)等，依照施工中溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對大壩施工期溫度和應力做了跟蹤反饋分析。大部分的計算結果顯示，計算得出的溫度過程線與實測溫度過程基本一致（圖4）。說明反饋計算模擬的混凝土性能參數(shù)、水管冷卻方式和其他施工措施與實際情況基本吻合，可以比較客觀的反映壩體實際的溫度變化情況，由此計算得出的溫度應力結果，也可以較真實的反映大壩的實際應力狀態(tài)。

圖5為典型壩段約束區(qū)內部典型點溫度和順河向應力過程線。圖6為典型壩段上游面典型點溫度和壩軸向應力過程線。由圖可見，最高溫度和最大溫度拉應力均在溫控標準和允許應力的范圍之內，說明針對藏木重力壩的溫控標準和溫控措施是基本合理的，能夠滿足工程設計的要求。

5 結語

通過對藏木混凝土重力壩的溫控標準和溫控措施進行的系統(tǒng)仿真研究，得出以下幾點認識和結論：（1）采用三維有限元仿真模擬與跟蹤反饋分析相結合的手段，是探索高海拔地區(qū)特殊氣象條件下混凝土的溫控標準及溫控防裂措施的有效途徑。通過系統(tǒng)研究，可以幫助建設方提出科學、完整和可操作性強的溫控措施與方法，以指導大壩的設計與施工；（2）水庫水溫是水電站大壩的一個重要的溫度邊界條件，是大壩溫度應力和溫度控制的重要影響因素之一。高海拔地區(qū)的氣候特點導致壩體上游年均庫水溫高于氣溫邊界條件。建議采用數(shù)值分析的方法，預測分析成庫后的水庫水溫分布，以便合理地制定大壩溫度控制標準；（3）表面保護措施是高海拔地區(qū)減小內外溫差、降低表面開裂風險的最有效措施；（4）高海拔地區(qū)混凝土早期強度發(fā)展較為緩慢，施工中對早期溫度應力的控制應更為嚴格；（5）如果溫控措施得當（綜合蓄熱法等），除個別極端天氣外，高海拔高寒地區(qū)冬季可以做到連續(xù)施工。

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Research on the tem peratu re con trol and crack ing p reven tion of concrete dam s at high altitude and its app lication

OUYANG Hai-jun1，QIN Peng-xiang2，HU Ping3，ZHAO Li-na3
（1.Huaneng Tibet Power Generation Co.Ltd.，Lhasa 850000，China；2.Huaneng Tibet Zangmu Hydropower Co.Ltd.，Lhasa 856400，China；3.China InstituteofWater Resources＆Hydropower Research，Beijing 100038，China）

The majority of hydropower development in China has moved to the high altitude and severe cold provinces such as Yunnan，Sichuan，Qinghai and Tibet.The severe environment presents new de?mands and challenge to the construction technology，the temperature control design and casting methodolo?gies for building large concrete dams.This paper tries to summarize the characteristics of the climate，con?struction material and concrete temperature control，and the key technology and research results of tempera?ture control and cracking prevention of concrete in high altitude areas.Taking the Zangmu hydropower p lant concrete gravity dam construction in Tibet as an example，the engineering application of the tempera?ture control technology in high altitude and severe environment and the problems encountered are introduced.

high altitude；concrete dams；temperature control；key technology

TV642.3

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.01.004

1672-3031（2014）01-0022-09

（責任編輯：王冰偉）

2013-11-12

973項目（2013CB036406，2013CB035904）；“十二五”科技支撐項目（2013BAB06B02）

歐陽海軍（1973-），男，湖南雙峰人，高級工程師，主要從事水工結構研究。E-mail：13981755799@126.com