張海超，楊 波，王曉峰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

象鼻嶺水電站樞紐工程最大壩高141.5 m，正常蓄水位1 405 m，水庫(kù)總庫(kù)容2.63億m3，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，裝機(jī)容量240 MW。主要擋水建筑物為碾壓混凝土拱壩，壩體拱冠梁頂厚8.0 m，底厚35.0 m，拱端最大厚度38.0 m；拱壩厚高比0.247，上游面最大倒懸度0.148，下游面最大倒懸度0.151，最大中心角97.433°，壩體混凝土體積64.547萬(wàn)m3。

1 象鼻嶺碾壓混凝土拱壩溫控特點(diǎn)

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩溫控特點(diǎn)主要包括工程所在區(qū)域氣象特性、材料特性、結(jié)構(gòu)特性及施工特性等。

(1)氣象特性。工程區(qū)屬暖溫帶高原季風(fēng)氣候，特點(diǎn)為多風(fēng)，晝夜溫差大，白天陽(yáng)光直射，氣溫較高，造成碾壓混凝土在運(yùn)輸、入倉(cāng)、澆筑等過(guò)程中的溫度倒灌、水分散失等問(wèn)題突出。

(2)材料特性。象鼻嶺碾壓混凝土料源巖性為玄武巖，混凝土配合比需水量大，從而引起膠凝材料特別是水泥用量大，大約比同類工程多20 kg，絕熱溫升達(dá)20～23 ℃，比同類工程約高2～3 ℃；自生體積變形呈收縮型。

(3)結(jié)構(gòu)特性。象鼻嶺碾壓混凝土拱壩設(shè)置7條誘導(dǎo)縫、2條橫縫，縫距大約在41～70 m之間。

(4)施工特性。象鼻嶺碾壓混凝土拱壩整體澆筑段最長(zhǎng)弧長(zhǎng)約360 m；倉(cāng)面面積大(約5 800 m2)；全斷面連續(xù)上升，層間間隔時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，溫度倒灌問(wèn)題突出。

2 溫控防裂研究與設(shè)計(jì)

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩在溫控方面開(kāi)展了大量試驗(yàn)、研究與工程類比工作，并委托中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)展溫控仿真研究，在此研究基礎(chǔ)上確定溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出溫控措施。

圖1 拱壩拱冠梁內(nèi)部溫度過(guò)程線

2.1 三維仿真計(jì)算

計(jì)算軟件采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所開(kāi)發(fā)的Saptis大型有限元分析軟件。首先，模擬實(shí)際的施工運(yùn)行過(guò)程，考慮混凝土分層澆筑過(guò)程、入倉(cāng)溫度、施工期間歇、混凝土及基礎(chǔ)彈性模量的變化、外界水溫及氣溫的變化、混凝土的自生體積變形及徐變影響等復(fù)雜因素。并且模擬縫的開(kāi)、合迭代，仿真模擬橫縫啟裂、擴(kuò)展、止裂全過(guò)程。

(1)溫度場(chǎng)。圖1繪制了不同高程拱冠梁內(nèi)部點(diǎn)溫度歷時(shí)過(guò)程線。由圖1可知，受基坑過(guò)水以及外界氣溫影響，壩體內(nèi)部大部分區(qū)域溫度在25 ℃以內(nèi)，2016年6月，壩體澆筑進(jìn)入高溫季節(jié)，壩體大部分區(qū)域溫度在28～32 ℃之間分布，壩體導(dǎo)流底孔周邊區(qū)域溫度超過(guò)32 ℃，最大達(dá)到35 ℃。

(2)應(yīng)力場(chǎng)。壩體1 280.00 m高程以下部分區(qū)域應(yīng)力超過(guò)1.5 MPa，存在較大開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，這主要是1 280.00 m高程以下受2015年度汛時(shí)基坑過(guò)水引起內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致該區(qū)域拉應(yīng)力超標(biāo)；壩體內(nèi)部絕大部分區(qū)域主拉應(yīng)力均小于1.0 MPa，近上下游壩面存在應(yīng)力超標(biāo)區(qū)，下游面應(yīng)力超標(biāo)區(qū)深度大于上游面，深度基本在2.0 m以內(nèi)，局部最大深度為2.5 m，可能引起表面裂縫，可通過(guò)增加表面保溫措施來(lái)解決；各縫面內(nèi)部主拉應(yīng)力不超過(guò)1.0 MPa，近壩面主拉應(yīng)力基本在0.5 MPa。

(3)誘導(dǎo)縫。碾壓混凝土澆筑至壩頂時(shí)，兩條橫縫及靠近左右壩肩的兩條誘導(dǎo)縫均全部張開(kāi)；其余誘導(dǎo)縫處于部分張開(kāi)狀態(tài)，張開(kāi)深度基本在2～5 m 左右。

(4)研究結(jié)論。結(jié)合壩體應(yīng)力分布及誘導(dǎo)縫開(kāi)合狀態(tài)可知，分縫方案能夠較好地釋放水化熱溫升引起的超標(biāo)拉應(yīng)力，使壩體不會(huì)出現(xiàn)危害性裂縫。

2.2 溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及措施

通過(guò)開(kāi)展本工程碾壓混凝土熱學(xué)性能、氣候特征、壩體結(jié)構(gòu)、施工規(guī)劃、仿真研究、工程類比等方面研究，確定溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。碾壓混凝土溫度控制，從水泥(比表面積、入庫(kù)溫度、MgO含量等)、料倉(cāng)(保護(hù)、高度、取料方式等)、出機(jī)口(最高不超過(guò)15 ℃)、運(yùn)輸系統(tǒng)、澆筑溫度(最高不超過(guò)18 ℃)、倉(cāng)面小氣候防止溫度倒灌、倉(cāng)面保護(hù)、后期養(yǎng)護(hù)、通水冷卻等方面控制，分期冷卻溫度目標(biāo)值見(jiàn)表2。

表1 大壩混凝土設(shè)計(jì)允許最高溫度 ℃

表2 拱壩澆筑過(guò)程中分期冷卻溫度目標(biāo)值 ℃

3 實(shí)施跟蹤情況

3.1 壩體溫度計(jì)實(shí)測(cè)情況

壩體內(nèi)部各高程實(shí)測(cè)溫度如圖2所示。

圖2 壩體溫度計(jì)實(shí)測(cè)溫度

從圖2可以看出：

(1)2015年4月～5月澆筑1 280 m高程以下混凝土，安裝壩體溫度計(jì)TCb-1～TCb-6，溫度上升峰值至36 ℃，比設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)高約7 ℃，并在地基、大氣、固結(jié)灌漿等影響下溫度快速下降至26～30 ℃，汛期過(guò)水、2015年冬季后壩體溫度降至24～26 ℃。

(2)2015年12月～2016年5月澆筑壩體1 280～1 340 m高程混凝土，安裝壩體溫度計(jì)TCb-7～TCb-12，溫度上升峰值至36 ℃，比設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)高約4 ℃。特別是3月、4月、5月澆筑的混凝土，由于澆筑溫度未能有效控制，達(dá)25～30 ℃，又未能進(jìn)行有效一期通水冷卻，部分還受周邊常態(tài)混凝土影響(Tcb10、Tcb12)，所以峰值溫度偏高，且澆筑后大部分處于高溫季節(jié)，混凝土較長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度狀態(tài)，后經(jīng)二期冷卻通水降低至封拱溫度。

(3)2016年9月～12月澆筑1 340～1 380 m高程壩體混凝土，安裝壩體溫度計(jì)TCb-20～TCb-23，處于較低溫季節(jié)施工，溫度上升峰值至35 ℃，隨后進(jìn)入寒冬季節(jié)、二期冷卻后溫度降低至封拱溫度。

(4)2017年4月～5月澆筑1 380～1 400 m高程壩體混凝土，安裝壩體溫度計(jì)TCb-25～TCb-26，澆筑溫度、一期通水冷卻降溫未能有效控制，峰值達(dá)40～45 ℃，由于屬于壩體上部較薄區(qū)域，一二期冷卻通水相繼進(jìn)行，溫度降速快，在2017年12月溫度降低至封拱溫度。

3.2 溫控效果評(píng)價(jià)

由于未能在砂石料、拌制等環(huán)節(jié)控制溫度，澆筑溫度普遍偏高，又在一期控制與冷卻階段出現(xiàn)通冷卻水流量不足、管路堵塞等情況，造成混凝土峰值溫度較高。但本工程區(qū)域氣溫常年普遍較高，沒(méi)有造成較大內(nèi)外溫差而形成較多的表面或深層裂縫，但可能在二期冷卻降幅過(guò)大，造成溫度應(yīng)力超標(biāo)而產(chǎn)生裂縫。

3.3 二期冷卻實(shí)施方案

鑒于混凝土澆筑完成溫度普遍偏高情況，建設(shè)各方高度重視二期冷卻，研究采取了以下措施：

(1)在2016年10月初開(kāi)始對(duì)1 340 m高程以下混凝土進(jìn)行二期冷卻，將溫度降幅控制在0.3 ℃/d，二期通水不進(jìn)行時(shí)間控制而按目標(biāo)控制，持續(xù)時(shí)間達(dá)5～6個(gè)月。這樣安排主要解決2個(gè)問(wèn)題，一是，在入冬前將壩體降溫至25 ℃以下，減少由于寒潮到來(lái)后的內(nèi)外溫差造成表面裂縫；二是，緩慢、長(zhǎng)時(shí)間冷卻，充分利用混凝土徐變降低溫度應(yīng)力減少產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)采取 “橫向相同；縱向先高溫區(qū)后低溫區(qū)”的冷卻方案，防止壩體冷熱不均造成溫度梯度過(guò)大而產(chǎn)生裂縫，需要結(jié)合壩體冷卻要求加大設(shè)備資源投入和管控力度。

通過(guò)以上科學(xué)冷卻方案和精心組織實(shí)施，有效控制了深層裂縫的產(chǎn)生，無(wú)貫穿性裂縫，僅在下游表面出現(xiàn)數(shù)條較深裂縫。2017年3月左右，結(jié)合悶溫?cái)?shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析1 340 m高程以下壩體溫度基本達(dá)到封拱溫度的控制要求，隨即開(kāi)始接縫灌漿。

4 結(jié) 語(yǔ)

象鼻嶺碾壓混凝土拱壩施工期溫控防裂充分考慮其材料熱學(xué)性能特性、氣候特點(diǎn)、壩體結(jié)構(gòu)、施工組織，聯(lián)合科研院、高校采用較為先進(jìn)的三維仿真理論分析，并類比了大量類似工程，提出了嚴(yán)格的混凝土防裂控制參數(shù)、合理的壩體防裂結(jié)構(gòu)、溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施。

在施工過(guò)程中，由于各種原因一期冷卻效果不佳，造成壩體溫度總體較高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，給二期通水冷卻造成較大難度，最后通過(guò)“早啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間”和“橫向相同；縱向先高溫區(qū)后低溫區(qū)”的冷卻方案，有效控制了深層裂縫特別是貫穿性裂縫的發(fā)生?；A(chǔ)約束區(qū)混凝土由于在澆筑時(shí)間短而又受各種因素影響溫度快速下降，在拱冠處產(chǎn)生一條深層貫穿性裂縫外，后期施工期壩體橫縫、誘導(dǎo)縫有效張開(kāi)，未再發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫。

筆者認(rèn)為，應(yīng)高度重視碾壓混凝土拱壩溫控防裂工作，通過(guò)優(yōu)選原材料及配合比，提高防裂性能，研究合理分縫方案，采取科學(xué)合理冷卻措施、配備足夠設(shè)備資源、精心組織管理等實(shí)現(xiàn)壩體防裂的最終目標(biāo)。