徐 曉，朱 昆 ，韓申秋 ，岳加利，厲 楊，吳建明

（1.縉云縣水利局， 浙江 縉云 323000；2.浙江廣川工程咨詢(xún)有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

大體積混凝土澆筑通常采取分層澆筑，以削減溫度應(yīng)力對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)的影響。澆筑過(guò)程中主要通過(guò)倉(cāng)面散熱和澆筑層之間的熱量交換，實(shí)現(xiàn)水化熱消散，同時(shí)配合澆筑間歇期內(nèi)的冷卻通水，完成對(duì)已澆混凝土的溫度控制和強(qiáng)度提升。但當(dāng)前5～15 d的設(shè)計(jì)澆筑間歇期在實(shí)踐中難以完全貫徹，有時(shí)最長(zhǎng)延期可達(dá)15 d 左右。隨著間歇期延長(zhǎng)，基礎(chǔ)約束作用增大，加之薄層壩塊熱傳導(dǎo)速度較快，至冷卻后期全斷面普遍處于拉應(yīng)力狀態(tài)，特別是臨近倉(cāng)面處的混凝土彈性模量增大較快，一旦間歇期內(nèi)遭遇寒潮或氣溫驟降等不利條件，混凝土表面將率先形成超標(biāo)的拉應(yīng)力，極大地增加了倉(cāng)面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，為深層裂縫形成埋下隱患[1]。

目前，大體積混凝土澆筑過(guò)程中的間歇期時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外均有廣泛研究。首先，率先展開(kāi)研究的是朱伯芳院士，他通過(guò)自己建立的等效傳熱方程，對(duì)大體積混凝土的水化放熱就澆筑層厚度和間歇時(shí)長(zhǎng)2 方面進(jìn)行研究，得到在不同間歇期下不同澆筑層厚和不同間歇期下混凝土水化熱的分布規(guī)律[2]；董福品對(duì)澆筑層不同間歇期壩體溫度和溫度應(yīng)力進(jìn)行研究，得出在只改變間歇期的情況下，壩體內(nèi)部的最大水化熱溫升和最大水化熱溫度應(yīng)力都隨著間歇時(shí)間的延長(zhǎng)而減小[3]；謝微對(duì)混凝土澆筑坯層厚度和坯層間歇時(shí)間對(duì)溫度應(yīng)力的影響展開(kāi)研究，得出坯層中最大拉應(yīng)力與混凝土水化熱達(dá)到一半時(shí)的齡期的關(guān)系[4]；黃夏秋等人通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)提出混凝土大壩應(yīng)按不同部位的受氣溫影響程度、施工復(fù)雜程度對(duì)澆筑層間間歇期進(jìn)行區(qū)分，減小混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[5]。同時(shí)，我國(guó)通過(guò)一系列的高拱壩實(shí)踐后，對(duì)高拱壩澆筑層間間歇期的研究也更加透徹[6-9]。溪洛渡拱壩澆筑時(shí)，間歇期的設(shè)置為在5～28 d；到烏東德拱壩澆筑時(shí)，間歇期的設(shè)置一般變?yōu)?～10 d，不宜超過(guò)14 d；等到白鶴灘拱壩施工時(shí)，正常澆筑間歇期為5～7 d，最大不超過(guò)20 d，可見(jiàn)隨著施工技術(shù)的成熟與施工經(jīng)驗(yàn)的增加，對(duì)拱壩澆筑間歇期的要求越來(lái)越嚴(yán)格。

基于上述研究后，對(duì)不同間歇期下拱壩倉(cāng)面應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，得到各個(gè)間歇期下拱壩的倉(cāng)面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮多種特殊天氣對(duì)拱壩倉(cāng)面造成的影響，方便建設(shè)單位和施工單位根據(jù)天氣情況以及拱壩自身情況及時(shí)調(diào)整，有利于提高大壩的整體安全性能，促進(jìn)“無(wú)縫大壩”的建設(shè)。

1 工程概況

白鶴灘水電站位于我國(guó)西南地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)區(qū)。壩址區(qū)常年平均溫度21.9 ℃，3—10 月為高溫季節(jié)，平均溫度高于或接近22.0 ℃，其余月份為低溫季節(jié)，最低月平均氣溫 13.3 ℃。壩址區(qū)存在極端氣溫溫差大、晝夜溫差變化明顯、干燥大風(fēng)、高溫多雨等環(huán)境影響。壩址區(qū)溫度驟降幅度大，3 d 溫度驟降6 ℃以上年平均次數(shù)約24 次。同時(shí)，全壩使用低熱水泥混凝土，低熱水泥混凝土相比于中熱水泥混凝土，早期的強(qiáng)度發(fā)展速度較慢，需要做好早期保護(hù)措施。

2 計(jì)算原理

2.1 計(jì)算模型與邊界

計(jì)算主要模擬白鶴灘拱壩在不同澆筑間歇期下的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，選取拱壩下部基礎(chǔ)約束區(qū)的澆筑塊進(jìn)行說(shuō)明。拱壩混凝土溫控施工技術(shù)要求中規(guī)定：基礎(chǔ)約束區(qū)是在基巖以上0～0.4L高度范圍內(nèi)的混凝土，其中L為澆筑塊最大邊長(zhǎng)（m）。基礎(chǔ)約束區(qū)范圍的混凝土受到基巖的強(qiáng)約束作用，受力條件更為復(fù)雜，且由于現(xiàn)在澆筑都采取的通倉(cāng)澆筑，下部倉(cāng)的面積較大，倉(cāng)面更容易產(chǎn)生裂縫。故本次計(jì)算采用的模型（見(jiàn)圖1），運(yùn)用六面體八節(jié)點(diǎn)等單元，單倉(cāng)長(zhǎng)40 m，寬20 m，高3 m，共5 倉(cāng)。其中單元960 個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 377 個(gè)。

圖1 大有限元計(jì)算模型圖

同時(shí)，計(jì)算過(guò)程中考慮在澆筑的混凝土拱壩內(nèi)部均埋設(shè)冷卻水管，混凝土內(nèi)的水管冷卻將與倉(cāng)面散熱同時(shí)對(duì)混凝土降溫。

本次計(jì)算考慮自重荷載和溫度荷載的影響，計(jì)算時(shí)溫度和應(yīng)力耦合場(chǎng)考慮邊界情況見(jiàn)圖2。其中S1 為壩面發(fā)生對(duì)流交換，同時(shí)考慮太陽(yáng)輻射影響和周邊發(fā)生輻射換熱；S2 為地面地基深部地溫變化，長(zhǎng)期變化較小，近似恒定，可將基底視為一類(lèi)邊界；S3 為地基側(cè)壁取絕熱邊界。壩區(qū)各類(lèi)材料熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩區(qū)各類(lèi)材料熱力學(xué)參數(shù)表

圖2 大壩邊界條件示意圖

2.2 間歇期和晝夜溫差設(shè)計(jì)原理

我國(guó)大體積混凝土澆筑經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，得出薄層澆筑更有利于混凝土散熱。根據(jù)已有工程文獻(xiàn)，當(dāng)混凝土澆筑層厚度達(dá)到5.0 m 時(shí)，混凝土水化熱基本上不能散發(fā)，而當(dāng)對(duì)澆筑層采用3.0 、1.5 、1.0 m 層厚時(shí)[10]，混凝土水化熱通過(guò)澆筑層頂面就可以散發(fā)總量的30%、50%和60%。當(dāng)大體積混凝土采用薄層長(zhǎng)塊澆筑時(shí)，基礎(chǔ)約束作用大，與厚塊相比，相同的溫差可引起更大的拉應(yīng)力；同時(shí)，冷卻速度快，到了冷卻后期，全面受拉，一旦遭遇過(guò)大晝夜溫差，出現(xiàn)表面裂縫，極易發(fā)展成為貫穿性裂縫[11-12]。在經(jīng)過(guò)一系列高拱壩的澆筑后，現(xiàn)在施工時(shí)不僅對(duì)上下游采取苯板和聚氨酯進(jìn)行保溫，而且對(duì)橫縫面也會(huì)采取相應(yīng)的保溫措施。同時(shí)，在混凝土各階段溫度也有了明確的控制，但在有些方面仍有不足。例如在基礎(chǔ)約束區(qū)部位進(jìn)行薄層混凝土澆筑，經(jīng)歷長(zhǎng)間歇卻未進(jìn)行任何保溫措施，遭遇過(guò)大晝夜溫差，從而產(chǎn)生裂縫。丹江口工程在基巖上澆筑時(shí)，采用3.0 m 層厚的澆筑層，間歇期最長(zhǎng)達(dá)46 d，期間遭遇溫度驟降，最終產(chǎn)生貫穿裂縫。我國(guó)拱壩澆筑間歇期正?？刂圃?～7 d，最大不超過(guò)20 d，當(dāng)層間間歇超過(guò)28 d 時(shí)，該層的混凝土就應(yīng)當(dāng)按照老混凝土進(jìn)行處理。同時(shí)，按照SL 282—2018《混凝土拱壩規(guī)范》中的規(guī)定，混凝土各層之間的澆筑時(shí)間間隔宜小于28 d。

通過(guò)引言所述，結(jié)合已有的規(guī)范和現(xiàn)有的施工經(jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算時(shí)考慮把間歇期分為4 種，分別為7、14、21 和28 d。并且，計(jì)算時(shí)考慮保溫和不保溫情況下溫度驟降對(duì)倉(cāng)面的應(yīng)力影響。計(jì)算時(shí)根據(jù)白鶴灘實(shí)際天氣情況進(jìn)行仿真模擬，2017—2019 年白鶴灘3 d 內(nèi)晝夜溫差統(tǒng)計(jì)情況（見(jiàn)圖3），根據(jù)實(shí)際氣溫變化情況，把晝夜溫差分為2 種，分別是晝夜溫差6 ℃和10 ℃。由于新混凝土入倉(cāng)溫度只有12 ℃，會(huì)對(duì)老混凝土造成冷擊，所以在間歇期的最后階段設(shè)置大幅度晝夜溫差，可以把2 種溫降相互疊加，造成最大應(yīng)力影響，有效知曉倉(cāng)面的抗裂性能。

圖3 壩址區(qū)溫降統(tǒng)計(jì)圖

在計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)際施工情況，上游壩面噴4 cm 厚聚氨酯進(jìn)行保溫，下游壩面粘貼3 cm 厚聚乙烯擠塑保溫板，橫縫暴露面覆蓋5 cm 厚聚乙烯卷材進(jìn)行保溫，倉(cāng)面保溫時(shí)，會(huì)在澆筑層面覆蓋1～2 層2 cm 厚保溫被。對(duì)于各個(gè)情況下的倉(cāng)面散熱系數(shù)可以參考朱伯芳院士關(guān)于邊界條件的理論，固體表面在空氣中的散熱系數(shù)可用以下公式計(jì)算：

式中：V為風(fēng)速，m/s。

2.3 計(jì)算工況

工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 工況設(shè)計(jì)表

3 結(jié)果分析與應(yīng)用

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，倉(cāng)面保溫時(shí)，在晝夜溫差達(dá)到10 ℃情況下，間歇期7、14、21、28 d 的混凝土倉(cāng)面最大應(yīng)力分別為0.403、0.540、0.566 和0.580 MPa（見(jiàn)圖4），隨著間歇期的加長(zhǎng)，混凝土應(yīng)力逐步增加，但增加幅度較小且都處于安全范圍。在保溫情況下，當(dāng)晝夜溫差低于10 ℃時(shí)，對(duì)混凝土倉(cāng)面的應(yīng)力影響較小，不存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 晝夜溫差10 ℃時(shí)應(yīng)力變化圖（保溫情況）

倉(cāng)面不保溫時(shí)，在晝夜溫差達(dá)到6 ℃情況下，7、14、21、28 d 的最大應(yīng)力為0.701、0.908、1.057、1.133 MPa（見(jiàn)圖5），隨著間歇期的加長(zhǎng)，起初應(yīng)力變化較大，后續(xù)變化較小，都處在2.0 安全曲線(xiàn)值附近，存在一定的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，且應(yīng)力值隨著時(shí)間的增長(zhǎng)不斷增加；當(dāng)晝夜溫差到達(dá)10 ℃時(shí)，應(yīng)力變化急劇增大，7、14、21、28 d 的最大應(yīng)力值分別為1.030、1.363、1.574、1.733 MPa（見(jiàn)圖6），隨著間歇期的加長(zhǎng)，應(yīng)力不斷增大，遠(yuǎn)超2.0 安全曲線(xiàn)值，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖5 晝夜溫差6 ℃時(shí)應(yīng)力變化圖（不保溫）

圖6 晝夜溫差10 ℃時(shí)應(yīng)力變化圖（不保溫）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，間歇期控制宜在7～14 d 內(nèi)。間歇期過(guò)短，混凝土強(qiáng)度得不到充分發(fā)展；間歇期過(guò)長(zhǎng)，遭遇過(guò)大晝夜溫差和寒潮時(shí)，混凝土倉(cāng)面應(yīng)力過(guò)大，易產(chǎn)生開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，間歇期長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)28 d，當(dāng)間歇期超過(guò)28 d，遭遇溫度驟降時(shí)，倉(cāng)面混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高。

3.2 計(jì)算結(jié)果應(yīng)用

在施工現(xiàn)場(chǎng)，施工單位會(huì)根據(jù)施工技術(shù)要求進(jìn)行倉(cāng)面保護(hù)，對(duì)于新澆的澆筑層鋪設(shè)1～2 層保溫被進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)澆筑層中的坯層需要進(jìn)行隔熱保護(hù)，在遭遇溫度驟降和長(zhǎng)間歇情況下會(huì)覆蓋5 cm 厚度的聚乙烯卷材進(jìn)行保溫。在技術(shù)要求中僅說(shuō)明倉(cāng)面保溫方法，卻未曾對(duì)各個(gè)情況下如何操作進(jìn)行說(shuō)明。因此，可以根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，建立分層保溫措施。當(dāng)晝夜溫差達(dá)到6 ℃時(shí)，間歇期達(dá)到14 d 的鋪設(shè)1 層保溫被；當(dāng)晝夜溫差達(dá)到10 ℃時(shí)，間歇期超過(guò)14 d 的鋪設(shè)2 層保溫被，低于14 d 的鋪1 層保溫被；當(dāng)晝夜溫差大于10 ℃時(shí)，間歇期超過(guò)14 d的覆蓋5 cm 厚度的聚乙烯卷材，低于14 d 的鋪2 層保溫被。

通過(guò)建立分層防護(hù)措施，可以借助天氣預(yù)測(cè)手段，提前備好保溫材料，減小晝夜溫差過(guò)大帶來(lái)的影響，提升大壩倉(cāng)面的安全性。

4 結(jié) 論

通過(guò)仿真計(jì)算，在考慮氣大幅度晝夜溫差情況下計(jì)算出不同間歇期拱壩倉(cāng)面的應(yīng)力變化情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)晝夜溫差6 ℃以?xún)?nèi)時(shí)，間歇期對(duì)倉(cāng)面影響較小，倉(cāng)面可以不保溫；當(dāng)晝夜溫差達(dá)到6 ℃時(shí)，長(zhǎng)間歇期超過(guò)14 d 的倉(cāng)面有一定開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，可以鋪設(shè)1 層保溫被保溫。

2）當(dāng)倉(cāng)面不保溫時(shí)，晝夜溫差達(dá)到10 ℃，所有倉(cāng)都有一定的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，間歇期超過(guò)14 d 的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高，需鋪設(shè)2 層保溫被保溫，低于14 d鋪設(shè)1 層保溫被保溫；當(dāng)晝夜溫差大于10 ℃時(shí)，所有倉(cāng)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高，對(duì)于間歇期14 d 以上的鋪設(shè)5 cm 厚聚乙烯卷材保溫，其余鋪設(shè)2 層保溫被保溫。

3）間歇期宜控制在7～14 d 內(nèi)，不應(yīng)該超過(guò)28 d，當(dāng)間歇期超過(guò)28 d，倉(cāng)面不保溫時(shí)，遭遇溫度驟降時(shí)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高。

4）根據(jù)天氣預(yù)測(cè)及時(shí)做好保溫措施，可以使晝夜溫差造成的影響最小化，有效保護(hù)大壩倉(cāng)面安全性。