摘要：中國(guó)東部沿海地區(qū)夏季溫度高，該類地區(qū)的碾壓混凝土壩工程在施工期往往會(huì)設(shè)置高溫間歇，但目前設(shè)置高溫間歇主要依賴經(jīng)驗(yàn)，缺少相關(guān)定量分析。依托福建省霍口水庫(kù)工程，以有限元仿真分析為手段，對(duì)比分析了高溫間歇對(duì)該碾壓混凝土壩施工期溫度、應(yīng)力的影響。分析結(jié)果表明：夏季高溫季節(jié)連續(xù)施工，會(huì)造成壩體基礎(chǔ)溫差與內(nèi)外溫差過大，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；與連續(xù)施工相比，設(shè)置高溫間歇能顯著降低碾壓混凝土壩表面和內(nèi)部的后期開裂風(fēng)險(xiǎn)，但復(fù)工后澆筑的混凝土仍然需要采取通水冷卻措施進(jìn)行降溫，以避免開裂。研究成果可為碾壓混凝土在施工期設(shè)置高溫間歇提供科學(xué)依據(jù)和參考。

關(guān) 鍵 詞：碾壓混凝土；高溫間歇；溫控防裂；岸坡壩段；溫度應(yīng)力；霍口水庫(kù)工程

中圖法分類號(hào)：TV315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.025

0 引 言

溫度裂縫一直是困擾混凝土壩建設(shè)質(zhì)量及安全的難題，碾壓混凝土壩的膠凝材料用量比常態(tài)混凝土壩少，但其在施工期及運(yùn)行期的開裂現(xiàn)象仍然普遍存在^［1-3］。碾壓混凝土壩一般采用效率較高的大倉(cāng)面攤鋪碾壓方式施工，然而，該方式也使得氣溫、日照等環(huán)境因素對(duì)新澆筑的碾壓混凝土溫度、含水量的影響更加顯著^［4-7］。因此，對(duì)于特定碾壓混凝土壩工程，高溫、低溫季節(jié)施工往往需要開展專門的研究或直接停工，待氣溫適宜澆筑的時(shí)候后復(fù)工。其中，低溫季節(jié)停工間歇稱為低溫間歇（或冬歇），高溫季節(jié)停工間歇稱為高溫間歇。在中國(guó)西部、北部地區(qū)，由于水電開發(fā)規(guī)模較大，同時(shí)冬季低溫問題較為突出，因此低溫間歇施工防裂或冬歇期影響相關(guān)研究較為豐富^［8-13］。然而，在東部沿海地區(qū)，盡管夏季高溫問題比較明顯，但是現(xiàn)有研究多集中于高溫季節(jié)連續(xù)施工情況下的溫控措施及效果^［14-15］，對(duì)設(shè)置高溫間歇的必要性及其影響的相關(guān)研究相對(duì)較少。東部沿海地區(qū)的大部分工程受投資規(guī)模限制，原材料降溫措施有限，夏季施工時(shí)，混凝土拌合樓的出機(jī)口溫度已經(jīng)很高，在攤鋪碾壓過程中，高氣溫和日照輻射會(huì)進(jìn)一步提高混凝土溫度，對(duì)大壩防裂極為不利。因此，東部沿海地區(qū)的中小型工程常常選擇在夏季停工，等到氣溫下降后再繼續(xù)施工，以控制混凝土溫升，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

但又有研究表明，設(shè)置高溫間歇雖能有效降低壩體溫度^［16］，但會(huì)帶來以下不利影響：① 長(zhǎng)達(dá)3～4個(gè)月的高溫間歇，導(dǎo)致施工周期大幅延長(zhǎng)，工程建設(shè)成本增加；② 恢復(fù)施工后，間歇面以下混凝土的齡期將超過設(shè)計(jì)齡期，與連續(xù)澆筑相比，其強(qiáng)度高、彈性模量大，新澆筑混凝土所受約束增加，對(duì)防裂不利；③ 若秋季復(fù)工，復(fù)工后澆筑的混凝土在入冬時(shí)齡期相對(duì)較短、強(qiáng)度低，同樣對(duì)防裂不利。

因此，針對(duì)以上東部沿海地區(qū)碾壓混凝土壩施工期設(shè)置高溫間歇的必要性及其對(duì)碾壓混凝土壩溫控防裂的影響問題，本文依托福建省霍口水庫(kù)工程，選取典型壩段為研究對(duì)象，以三維有限元分析為手段，對(duì)比分析了高溫間歇對(duì)碾壓混凝土溫度應(yīng)力特性的影響，研究了大壩不同部位的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況及分析軟件

1.1 工程概況

霍口水庫(kù)工程于2015年列入國(guó)家172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程，為“十三五”期間福建省重大水利民生工程。該工程為敖江流域梯級(jí)開發(fā)第二級(jí)，位于敖江流域羅源段霍口鄉(xiāng)上游6 km的大王里村，距羅源縣城關(guān)約41 km。工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型，主要永久建筑物為2級(jí)，相應(yīng)的臨時(shí)建筑物為4級(jí)，主壩壩高91 m，壩頂長(zhǎng)338 m；副壩壩高29.5 m，壩頂長(zhǎng)168.7 m。水庫(kù)總庫(kù)容2.97億m³，控制流域面積1 171 km²，水庫(kù)面積8.8 km²，淹沒范圍涉及福州市羅源縣和寧德市古田縣。工程概算總投資20.5億元，工程效益以供水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電。

1.2 分析方法及軟件

本次研究基于三維有限元法進(jìn)行混凝土壩施工期溫度、應(yīng)力場(chǎng)仿真分析^［16］。仿真軟件采用長(zhǎng)江科學(xué)院自主研發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)溫控仿真分析軟件Ckysts^［17-18］，該軟件在三峽、南水北調(diào)、丹江口、烏東德、構(gòu)皮灘、引江濟(jì)淮、引江補(bǔ)漢等國(guó)內(nèi)一系列大型工程中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證。

2 分析模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

選取岸坡壩段為研究對(duì)象，包括混凝土壩及部分地基（上下游方向各選擇1.5倍順河向壩段長(zhǎng)度，深度方向選取1.5倍壩高），壩體有限元模型見圖1。坐標(biāo)軸X方向?yàn)轫樅酉?，下游為正；坐?biāo)軸Y為壩軸線方向，左岸為正；坐標(biāo)軸Z為垂直向，向上為正。模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)41 709個(gè)，單元數(shù)35 910個(gè)，采用改進(jìn)埋置冷卻水管單元法模擬通水冷卻^［19］，水管單元共計(jì)35層（圖2）。為了研究高溫間歇對(duì)混凝土壩溫度和應(yīng)力場(chǎng)的影響，在仿真中設(shè)置了兩種澆筑方式：① 根據(jù)施工方案，壩體澆筑至144 m高程開始設(shè)置高溫間歇；② 不設(shè)置高溫間歇連續(xù)澆筑，144～156 m范圍內(nèi)的混凝土于2020年高溫季節(jié)連續(xù)澆筑（圖1）。

2.2 材料參數(shù)

岸坡壩段主要涉及兩種碾壓混凝土，相應(yīng)的配合比、力學(xué)性能參數(shù)見表1～2，熱學(xué)性能參數(shù)見表3。

2.3 環(huán)境溫度

根據(jù)壩址區(qū)域歷史氣象資料，仿真計(jì)算所采用的氣溫?cái)M合如式（1）所示。

T（t）=19.0+9.05cosπ6t-7.5（1）

式中：T（t）為t時(shí)刻氣溫，℃；t為時(shí)間，月。

2.4 澆筑分層及間歇期設(shè)置

根據(jù)施工方案，大壩底部常態(tài)混凝土墊層1.5 m，下部基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑層厚1.5 m，弱約束區(qū)澆筑層厚3.0 m，非約束區(qū)澆筑層厚4.5 m。根據(jù)工期安排，澆筑層間歇30 d左右，本文的分析也按照澆筑層間歇30 d進(jìn)行模擬，高溫間歇3.5月。

2.5 計(jì)算工況設(shè)置

仿真計(jì)算工況見表4，其中工況1、2為連續(xù)澆筑工況，用于分析連續(xù)澆筑情況下混凝土溫度應(yīng)力特性；工況3、4為高溫間歇工況，用于驗(yàn)證高溫間歇存在的必要性。

2.6 特征點(diǎn)選取

仿真模擬中，大壩的每個(gè)澆筑層各布置3個(gè)特征點(diǎn)。其中，中心點(diǎn)位于澆筑層的中心，其余兩個(gè)特征點(diǎn)位于上下游表面附近，分別距離表面50 cm。

2.7 抗裂安全度

為便于分析，參考文獻(xiàn)［20］，采用混凝土抗裂安全度k作為防裂評(píng)價(jià)指標(biāo)。后續(xù)分析中“最小抗裂安全度”為計(jì)算周期內(nèi)（即2019年7月澆筑至2020年3月越冬結(jié)束期間）k的最小值：

k=f（t）σ（t）（2）

式中：t為混凝土齡期，d；k（t）為齡期t時(shí)混凝土抗裂安全度；f（t）為齡期t時(shí)混凝土強(qiáng)度；σ（t）為齡期t時(shí)的混凝土第一主應(yīng)力。根據(jù)文獻(xiàn)［20］，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，抗裂安全度指標(biāo)取1.8。

3 高溫間歇必要性分析

3.1 連續(xù)澆筑情況下大壩溫度應(yīng)力特性

在連續(xù)澆筑且按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行通水冷卻的情況下，計(jì)算周期內(nèi)大壩中截面最高溫度見圖3，最低溫度見圖4，最大應(yīng)力見圖5，最小抗裂安全度見圖6。

溫度方面，除高溫季節(jié)澆筑混凝土外，絕大多數(shù)區(qū)域內(nèi)部峰值溫度控制在28～30 ℃，而高溫季節(jié)澆筑的混凝土即使采用通水冷卻措施，內(nèi)部峰值溫度仍然能達(dá)到37 ℃以上，越冬后最低溫度仍然在30 ℃以上。

應(yīng)力方面，采用通水冷卻措施情況下，壩體內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)較小，大應(yīng)力主要集中在墊層、基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)、上下游面，特別是在距離壩基15 m范圍內(nèi)的澆筑層峰值應(yīng)力最大，開裂風(fēng)險(xiǎn)最高。此外，低溫季節(jié)澆筑混凝土的倉(cāng)面也會(huì)存在大應(yīng)力。在連續(xù)澆筑情況下，高溫期澆筑的混凝土在計(jì)算周期內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)較小，大應(yīng)力主要集中在上下游面。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，高溫期澆筑的混凝土在計(jì)算周期內(nèi)的最大應(yīng)力并非最終內(nèi)部的最大應(yīng)力值，因?yàn)樵蕉螅?020年3月），高溫期澆筑的壩體混凝土（圖4中虛線框范圍內(nèi)混凝土）溫度仍有33 ℃，而此時(shí)其上部、下部混凝土基本已經(jīng)在17～20 ℃左右。隨著壩體散熱，高溫期澆筑壩體混凝土最終會(huì)下降至壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度，考慮蓄水后水庫(kù)水溫的影響，此部分穩(wěn)定溫度將低于壩址區(qū)年均氣溫19 ℃。因此，高溫期澆筑的混凝土內(nèi)部將來的降溫幅度將大于14 ℃。另外，根據(jù)仿真結(jié)果，高溫期澆筑混凝土的上部、下部混凝土在越冬后的溫度為17～20 ℃，其已經(jīng)基本接近了19 ℃的壩址區(qū)平均氣溫，因此，高溫期澆筑的混凝土在降溫過程中將受到來自其下部、上部混凝土的極大約束。即使后續(xù)高溫期澆筑混凝土的降溫幅度與下部、上部混凝土的降溫幅度相差10 ℃，考慮后續(xù)降溫，內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生極大拉應(yīng)力，若不考慮徐變影響，溫降產(chǎn)生的應(yīng)力將達(dá)到2～3 MPa，即高溫期澆筑的混凝土內(nèi)部累積應(yīng)力會(huì)達(dá)到2.6～3.6 MPa。進(jìn)一步考慮徐變影響，實(shí)際應(yīng)力會(huì)小于該數(shù)值，然而由于混凝土徐變會(huì)隨齡期增長(zhǎng)而減小，混凝土后期應(yīng)力仍然會(huì)較大。

開裂風(fēng)險(xiǎn)方面，計(jì)算結(jié)果顯示，岸坡壩段墊層、基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)（距壩基15 m范圍內(nèi)的混凝土）、上下游面以及低溫季節(jié)澆筑的混凝土倉(cāng)面，在計(jì)算周期內(nèi)均出現(xiàn)抗裂安全度在1.8以下甚至低于1.0的情況，說明上述區(qū)域在施工期抗裂能力無法滿足要求，極有可能出現(xiàn)裂縫。如前所述，高溫期澆筑的混凝土內(nèi)部后期應(yīng)力極有可能達(dá)到2.6～3.6 MPa，開裂風(fēng)險(xiǎn)極高。

上述計(jì)算結(jié)果表明，如果高溫季節(jié)連續(xù)澆筑，即使采取通水冷卻措施，大壩上下游面抗裂安全度仍無法滿足防裂要求（即抗裂安全度小于1.8），甚至存在極大的開裂風(fēng)險(xiǎn)（抗裂安全度不足1.0）；對(duì)于大壩內(nèi)部，雖然在施工期其應(yīng)力相對(duì)較小，滿足防裂要求，但后期也存在極高的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)置高溫間歇是必要的。

3.2 連續(xù)澆筑及高溫間歇后澆筑的比較

圖7為144～147 m高程澆筑層（間歇后第一層）表面及內(nèi)部特征點(diǎn)的溫度及應(yīng)力歷程。

溫度方面，在澆筑層表面（圖7（a）），設(shè)置高溫間歇后混凝土表面峰值溫度會(huì)下降2 ℃左右，若采取通水冷卻措施，表面附近溫度會(huì)再降低1～2 ℃。澆筑當(dāng)年的冬季溫度能夠降低至16 ℃左右。在澆筑層內(nèi)部（圖7（b）），連續(xù)澆筑工況下峰值溫度37.5 ℃，高于間歇工況（33 ℃），越冬后溫度降低至30 ℃。如果設(shè)置高溫間歇的同時(shí)對(duì)復(fù)工后澆筑的混凝土進(jìn)一步采取通水冷卻措施，則越冬后澆筑層內(nèi)部溫度會(huì)下降至26 ℃左右。

應(yīng)力方面，在澆筑層表面（圖7（c）），設(shè)置高溫間歇且采取了通水冷卻措施后，峰值應(yīng)力基本小于混凝土允許拉應(yīng)力；若無通水冷卻，表面應(yīng)力將超過混凝土允許應(yīng)力，但整體超過允許應(yīng)力的程度不大。而在連續(xù)澆筑情況下，無論是否采取通水冷卻措施，表面峰值應(yīng)力均會(huì)超過混凝土允許應(yīng)力。在澆筑層內(nèi)部（圖7（d）），無論是連續(xù)澆筑還是間歇澆筑，混凝土應(yīng)力均比較小，設(shè)置了高溫間歇的工況應(yīng)力值略高于無高溫間歇的工況（約0.3 MPa）。設(shè)置高溫間歇后，如果不采取通水冷卻措施，在越冬前內(nèi)部應(yīng)力一直小于混凝土允許應(yīng)力，但采取了通水冷卻措施后，早期的峰值應(yīng)力會(huì)接近混凝土允許應(yīng)力。值得注意的是，設(shè)置高溫間歇后，雖然壩體內(nèi)部點(diǎn)的應(yīng)力（無論是否通水）基本一致，但溫度存在明顯差異，若采取通水冷卻措施，混凝土內(nèi)部的溫度可降低至26 ℃，比無通水冷卻措施的30 ℃低4 ℃左右，比連續(xù)澆筑工況低6 ℃左右。考慮后續(xù)內(nèi)部降溫至19 ℃左右產(chǎn)生的應(yīng)力，單純地設(shè)置高溫間歇還不足以確保復(fù)工后的混凝土內(nèi)部不開裂，有必要在設(shè)置高溫間歇的同時(shí)對(duì)復(fù)工后的混凝土采取通水冷卻降溫措施。

圖8為連續(xù)澆筑及設(shè)置高溫間歇后不同高程特征點(diǎn)在計(jì)算周期內(nèi)的最大第一主應(yīng)力分布比較。

設(shè)置高溫間歇后，在高溫間歇層面附近上游面的應(yīng)力有明顯減?。▓D8（a））。然而，高溫間歇結(jié)束后澆筑的前幾層混凝土中心點(diǎn)的最大應(yīng)力略大于連續(xù)澆筑工況的最大應(yīng)力（圖8（b））。這是由于經(jīng)過3個(gè)月的高溫間歇后，間歇面（144 m高程）以下混凝土已超過90 d齡期，對(duì)于10月重新開始澆筑的混凝土而言，其受到的約束強(qiáng)度明顯高于連續(xù)澆筑工況，但沿高程方向中線點(diǎn)的第一主應(yīng)力整體增幅不大。設(shè)置高溫間歇且同時(shí)采取通水冷卻措施后，距離間歇面越遠(yuǎn)，沿著澆筑層中心點(diǎn)應(yīng)力會(huì)越小，對(duì)內(nèi)部防裂有利。

4 結(jié) 論

針對(duì)東部沿海地區(qū)碾壓混凝土壩夏季高溫季節(jié)溫控防裂問題，利用三維有限元軟件開展是否設(shè)置高溫間歇期的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）夏季高溫季節(jié)連續(xù)施工，會(huì)造成過大的基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差，前者會(huì)大幅增加大壩內(nèi)部后期的開裂風(fēng)險(xiǎn)，后者對(duì)于該時(shí)段澆筑的混凝土在當(dāng)年入冬時(shí)的表面防裂極為不利。

（2）設(shè)置高溫間歇后，澆筑溫度、環(huán)境溫度相對(duì)下降，導(dǎo)致大壩內(nèi)部峰值溫度、基礎(chǔ)溫差明顯減小，對(duì)于復(fù)工澆筑（尤其是間歇面附近）的混凝土，其后期內(nèi)部開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯降低。此外，由于內(nèi)部溫度下降，入冬時(shí)大壩內(nèi)外溫差也會(huì)減小，對(duì)表面防裂同樣有利。

（3）設(shè)置高溫間歇后，隨著下部混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)，對(duì)復(fù)工澆筑的混凝土約束會(huì)增大，而復(fù)工后相對(duì)較低的環(huán)境溫度導(dǎo)致相同部位的混凝土在澆筑早期的內(nèi)外溫差和約束較大。因此間歇面附近混凝土在復(fù)工后的早期防裂工作極為重要，必須嚴(yán)格落實(shí)內(nèi)部通水降溫及表面保溫措施，否則同樣面臨早期表面開裂及后期內(nèi)部開裂的問題。

（4）整體而言，對(duì)于工期要求相對(duì)寬松，且工程投資規(guī)模有限，無法對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)冷，同時(shí)河谷、日照條件不利于澆筑攤鋪過程溫度控制的工程，設(shè)置高溫間歇對(duì)于混凝土壩防裂是必要且有利的。

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（編輯：鄭 毅）

Influence of high-temperature break on temperature control and crack prevention of roller

compacted concrete dams during construction periodZHENG Wenyong¹，XIE Zhiqiang²

（1.Fujian Water Resources Investment and Development Group Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350011，China； 2.Department of Materials and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract： The temperature in the eastern coastal areas of China is high in summer，and roller compacted concrete dam projects in such areas often have high temperature intervals during the construction period.Aiming at the current cases of setting high-temperature breaks relying mainly on experiences and lacking relevant quantitative analysis，this article carried out FEM analysis on Huokou Reservoir project to analyze the impact of high-temperature breaks on temperature and stress durinlHt5xtBSymMAU6kUdU9FYxs4Mjdy3xVPudGFnGcPJHE=g the construction period of the roller compacted concrete dam.The results indicate that continuous construction in high temperature period will cause large temperature difference at dam foundation as well as inside and outside of the dam body，and give rise to cracking risks.Compared to continuous construction，setting high-temperature breaks can significantly reduce cracking risks on the surface and interior of the roller compacted concrete dam.However，the concrete poured after resumption of work still needs to be cooled down by water cooling measures to avoid cracking.The results can provide reference for high-temperature breaks in construction period of roller compacted concrete dams.

Key words： roller compacted concrete；high-temperature break；temperature control and crack prevention；bank slope dam section；temperature stress; Huokou Reservoir project