王繼飛

（北票市農(nóng)村飲水工程建設(shè)管理站，遼寧北票 122100）

混凝土大壩的溫控防裂技術(shù)是一項(xiàng)難度大、技術(shù)性強(qiáng)、涉及面廣的工程技術(shù)難題，一直是工程技術(shù)人員關(guān)注的問題［1］。因?yàn)榛炷翂螠囟葢?yīng)力而產(chǎn)生的裂縫，壩體整體的安全穩(wěn)定性和耐久性特征會受到嚴(yán)重的影響，大壩安全使用壽命大大縮短。重力壩溫度應(yīng)力分布與防裂的相關(guān)研究意義重大，對水庫壩體安全和耐久設(shè)計(jì)具有重要的數(shù)據(jù)支撐作用［2］。北方寒區(qū)大中型混凝土壩工程面臨著諸如裂縫、變形、滲漏、繞壩滲流等諸多病害，嚴(yán)重影響大壩的整體性、抗?jié)B性、耐久性、安全性和外觀，使整個壩體的安全度下降，縮短了大壩使用壽命，因此，對大壩進(jìn)行系統(tǒng)的安全監(jiān)測很有必要［3］。目前，水庫壩體安全監(jiān)測在信息實(shí)時自動采集、數(shù)據(jù)通訊、模擬仿真、預(yù)警反饋機(jī)制方面還有所局限，尚未形成完整的閉環(huán)系統(tǒng)，環(huán)節(jié)缺失或技術(shù)落后，亟待完善和更新［4］。為對大壩智能監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐，以遼寧寒區(qū)某中型水庫建設(shè)工程為實(shí)例，綜合考慮實(shí)際初始條件和邊界條件，計(jì)入混凝土的熱學(xué)、物理力學(xué)性能、施工混凝土溫度、溫度保持上下限、建設(shè)蓄水過程、外部變化氣溫、靜水壓差、壩體自身重量和溫度、外部荷載等作用，采用當(dāng)前國內(nèi)水利工程溫控模擬的三維有限元仿真模型［5-15］，對大壩施工期及運(yùn)用期的溫度及應(yīng)力情況進(jìn)行三維有限元仿真計(jì)算。研究成果對于北方寒區(qū)大型混凝土重力壩溫控模擬具有推廣和應(yīng)用價值。

1 工程概況

遼寧西部猴山水庫工程控制面積3 029 km2，占全流域面積的70%。最高水位對應(yīng)的水庫庫容為0.80×108m3，建設(shè)等級為3級，攔河壩為水庫主要的過水建筑物，副壩建設(shè)等級為2級。水庫主要為城市生活用水及農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)行供水，且具有防洪功效。常態(tài)混凝土重力壩為其水工建筑物的主要擋水型式，壩體高度最大值為40.4 m，左右岸擋水段、右岸輸水、溢洪道組成壩體主要建筑物形式。全部壩體長281.0 m，基面高程最低點(diǎn)為86.6 m，建筑水工混凝土容量最大值為18.44萬m3。壩址以上集水流域主要位于遼西山丘區(qū)，流域冬天主要?dú)夂蝾愋蜑闁|北典型季風(fēng)氣候，溫度較低，空氣干燥；夏天雨量較為充沛，以東南季風(fēng)為主要?dú)夂蝾愋?。氣溫多年均值?.5℃，氣溫最高和最低值為39.8℃和-26.3℃。11月上旬為河流結(jié)冰時間，3月中旬為河流開河時間。年內(nèi)氣溫變幅較高，溫差在晝夜變化較為明顯，多年氣溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。壩區(qū)全年高溫時段為6，7，8月，平均氣溫超過20.0℃，11月至次年3月為冬季寒冷月份，冬季寒冷月份較長，夏季高溫月份較短，春秋晝夜溫差大。水庫建設(shè)工程所在區(qū)域?yàn)檫|寧溫度較低的區(qū)域，氣溫變化較為明顯。

表1 壩區(qū)多年氣溫統(tǒng)計(jì)表

2 施工水工混凝土主要性能指標(biāo)

各類型混凝土的彈性模量計(jì)算公式：

式中：E(t)為水工混凝土在時刻t的彈性模量，GPa；E0為水工混凝土的彈性模量最終值，GPa；a，b為擬合系數(shù)。不同混凝土等級下的初始彈性模量、擬合系數(shù)如表2所示。

表2 不同等級水工混凝土彈模公式擬合系數(shù)

在溫度應(yīng)力分析中采用徐變度計(jì)算公式：

式中：C( t，τ)為徐變度，10-6/MPa；τ為應(yīng)力值，MPa。

該工程混凝土采用渤海牌水泥和渾河牌水泥?；炷翢釋W(xué)特征：導(dǎo)溫系數(shù)a=0.003 6 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)λ=8.44 kJ/（m·h·℃），比熱c=0.93 kJ/（kg·℃），線膨脹系數(shù)α=8.6×10-6/℃?；炷磷陨w積變形見表3。

3 工程保溫材料

1）采用厚度為10.0 cm的GRC復(fù)合擠塑板對上游正常水位以上壩體進(jìn)行保溫措施，采用10.0 cm厚的擠塑板在正常水位以下壩體部分進(jìn)行保溫措施，混凝土表面采用錨栓進(jìn)行固定。采用10.0 cm厚巖棉對下游壩體、溢流堰面及閘墩位置進(jìn)行保溫措施。工程完工后對保溫材料進(jìn)行拆除。擠塑板導(dǎo)熱系數(shù)在10.0℃和25.0℃時的值要分別低于0.028 W/（m·℃）和0.030 W/（m·℃）。

表3 混凝土自生體積變形

2）采用10.0 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板對越冬水平面進(jìn)行保溫措施的處理，采用10.0 cm厚苯板對側(cè)立面進(jìn)行保溫處理，采用后掛方式將保溫板放置在模板內(nèi)側(cè)，刮除相鄰等待澆筑的表層混凝土。

4 計(jì)算模型及計(jì)算條件

4.1 計(jì)算模型

選取一個擋水壩段和一個溢流壩段進(jìn)行溫度應(yīng)力模擬分析。壩體和地基以20個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為單元進(jìn)行剖分。上下游水面水溫為模型計(jì)算邊界條件，垂向絕熱面為模型計(jì)算約束條件。

4.2 溫度應(yīng)力控制

大體積水工混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力安全系數(shù)按照SL 319-2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定值為1.5。

4.3 初擬溫控措施

強(qiáng)約束區(qū)按照0.2 L（L為澆筑模塊長邊的尺寸）范圍內(nèi)對壩體建設(shè)基面進(jìn)行控制，弱約束區(qū)按照0.2～0.4 L進(jìn)行控制，非約束區(qū)按照其他范圍進(jìn)行控制。溫度初擬措施：1）不同澆筑層之間間隔時長高于5 d，澆筑厚度范圍為1.0～1.5 cm；2）澆筑時，強(qiáng)約束區(qū)溫度控制在15.0℃以下，弱約束區(qū)溫度控制在18.0℃以下，非約束區(qū)控制在20.0℃；3）對水管進(jìn)行冷卻；4）對壩體整體進(jìn)行保溫；5）河水表面有流速。

表4 擋水壩段溫度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 仿真分析結(jié)果

5.1 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場

大壩澆筑結(jié)束運(yùn)行多年后，準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場為壩體溫度變化周期為年尺度時的溫度場，隨著外界環(huán)境變化準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場將發(fā)生變化。準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場是溫度應(yīng)力計(jì)算的起點(diǎn)，對壩體溫度應(yīng)力的分析是必不可少的。

擋水壩段的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場分為兩種：一種是上游面保溫、下游面不保溫；另一種是上、下游面都保溫。上游保溫而下游不保溫措施下，壩體中下區(qū)域溫度保持常年穩(wěn)定，壩面上下游和壩頂區(qū)域是溫度變化主要區(qū)域。隨著外界水溫和氣溫變化，壩體區(qū)域溫度也隨之改變，壩內(nèi)恒溫區(qū)溫度為11.0～12.0℃。對于壩體上下游都進(jìn)行保溫措施的情況，由于下游壩面采用保溫措施，壩面附近最低溫度由-5.0℃提高到了8.0℃。

5.2 溫度和溫度應(yīng)力

首先按初擬的溫控條件計(jì)算了壩體擋水段的溫度應(yīng)力變化，從計(jì)算結(jié)果可看出，壩體內(nèi)部溫度應(yīng)力總體變化較低，因此，對溫控措施分8個計(jì)算方案。

方案1：強(qiáng)約束區(qū)，混凝土澆筑溫度不大于18.0℃；弱約束區(qū)，混凝土澆筑溫度不大于20.0℃；非約束區(qū)，混凝土澆筑溫度不大于22.0℃；基礎(chǔ)混凝土水泥品種為渤海牌P.O42.5；上、下游面永久保溫；5—10月澆筑的混凝土中鋪設(shè)水管；6—9月澆筑的混凝土采取表面流水（采用河水，當(dāng)河水溫度超過20.0℃時，用20.0℃的制冷水）；4月1日開始澆筑混凝土；有自生體積變形。

方案2：基礎(chǔ)混凝土水泥品種為渾河牌PM.H42.5，其他條件同方案1。

方案3：無水管冷卻，無表面流水，其他條件同方案2。

方案4：無水管冷卻，其他條件同方案2。

方案5：無表面流水，其他條件同方案2。

方案6：基礎(chǔ)混凝土水泥品種為渾河牌PM.H42.5，9月1日開始澆筑混凝土，其他條件同方案1。

方案7：上下游保溫層厚度8.0 cm，其他條件同方案2。

方案8：上下游保溫層厚度6.0 cm，其他條件同方案2。

在計(jì)算中，當(dāng)河水溫度低于設(shè)定的水管冷卻水溫時，用河水冷卻；當(dāng)氣溫低于溫控措施設(shè)定的澆筑溫度時，采用自然入倉。擋水壩段溫度和溫度應(yīng)力計(jì)算條件見表4。

對于方案1、方案2及方案6而言，當(dāng)基礎(chǔ)混凝土采用渾河牌水泥后，其壩體下游表面溫度更低，更有利于壩體溫度應(yīng)力。對于方案7、方案8而言，壩體下游表面混凝土應(yīng)力隨著保溫層厚度減小有所降低，當(dāng)保溫層的厚度減為8.0 cm時，下游面的應(yīng)力平均降低0.2 MPa，當(dāng)保溫層的厚度減為6.0 cm時，下游面的應(yīng)力平均降低0.5 MPa，因此，不應(yīng)降低下游面保護(hù)層厚度。除方案3、方案4、方案5外，其他方案混凝土應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壩體頂部區(qū)域，壩體下游表面應(yīng)力增加較為明顯，局部應(yīng)力主要集中在壩踵和壩趾處。相比于方案2、方案3、方案4，其他采用水管冷卻及表面流水進(jìn)行混凝土澆筑的方案，其溫度應(yīng)力可滿足防裂指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

1）由于渾河牌水泥的絕熱溫升要低于渤海牌水泥，當(dāng)基礎(chǔ)混凝土采用渾河牌水泥后，壩體下游面的溫度更低，對溫度應(yīng)力更有利。但是，由于基礎(chǔ)混凝土的范圍比較小，因此其影響范圍有限。

2）當(dāng)保溫層厚度減小時，壩體表面附近混凝土的最高溫度略有降低，壩體內(nèi)部和上游面附近的最大應(yīng)力變化很小，下游面的應(yīng)力降低較多。當(dāng)保溫層的厚度減為8.0 cm時，下游面的應(yīng)力平均減少0.2 MPa，當(dāng)保溫層的厚度減為6.0 cm時，下游面的應(yīng)力平均減少0.5 MPa。考慮到有些計(jì)算用的混凝土材料性能參數(shù)是類比的，所以不建議減薄北方寒區(qū)水利工程保溫層的厚度。

3）對于壩體擋水壩段，當(dāng)下游表面長期保溫時，壩體溫度應(yīng)力降低效果明顯，而工程竣工后拆除下游面保溫層，下游面混凝土的應(yīng)力將不滿足混凝土防裂要求。