小湾水电站混凝土拱坝温度裂缝分析

王淑平 段秀华

(1.太原理工天成电子信息技术有限公司，山西太原 030006; 2.太原市市政工程设计研究院，山西太原 030002)

0 引言

混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝。微裂缝通常是一种无害裂缝，但是在混凝土受到荷载、温差等作用之后，微裂缝就会不断的扩展和连通，最终形成我们肉眼可见的宏观裂缝，也就是混凝土工程中常说的裂缝。

对混凝土拱坝而言，温度荷载更是主要的荷载之一。最常见的是温差引起的裂缝，温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。世界各国因温度裂缝的发生而导致拱坝失事和破坏的事例并不少见，大坝裂缝的发生和发展，不仅使大坝的安全稳定性受到影响，还增加了额外的处理投入，基于以上认识，本文参照有关大坝混凝土防裂理论，结合工程实际，提出相应的预防措施。

1 拱坝裂缝与控制

1.1 拱坝裂缝

理论和实践都已表明[1-3]，温度应力是混凝土拱坝产生裂缝的主要原因。因此研究温度应力与混凝土拱坝裂缝产生之间的内在联系、影响因素、温度应力的控制措施，从而消除和控制混凝土拱坝裂缝，这是混凝土拱坝筑坝技术发展的关键因素之一，也是保证拱坝安全的必要手段。

1.2 工程概况

小湾水电站大坝为混凝土双曲拱坝，电站装机容量为4 200 MW，坝高297 m，建成后为目前世界上最高的拱坝。坝顶高程1 245 m，坝顶弧长892.79 m，拱冠梁顶宽12 m，底宽72.91 m，采用通仓浇筑，基础约束强，因此基础温差控制严格，为目前拱坝规范中最严格的标准。

另外坝址地形、地质条件复杂，施工场地狭窄，拱坝混凝土浇筑规模大、强度高，且对质量、温控和外观有很高的要求。

由于小湾地区高温季节长，昼夜温差比较大，且大坝混凝土标号高，因此对混凝土温控防裂技术有很高的要求。严格控制混凝土的出机温度、入仓温度、浇筑温度，加强混凝土一、二期冷却及养护工作，将混凝土内部最高温度控制在允许范围之内，达到控制混凝土基础温差、上、下层温差和内外温差的目标，从而控制混凝土温度应力，防止产生裂缝。

2 施工中的温度应力与控制

2.1 温度应力的计算

混凝土拱坝施工过程中，与温度应力有关的三个特征值是:浇筑温度Tp，混凝土的水化热温升Tr，最终稳定温度Tf。施工中混凝土最高温度为Tp+Tr，并且拱坝内温差沿高度分布是不均匀的，也就是温度应力是与浇筑块长度有关。

此外，由于混凝土并不是理想弹性体，在常应力作用下，随着时间的延长，应变不断增加，即计算温度应力时还应考虑混凝土徐变影响;而在应变保持不变时，混凝土中应力将随时间延长而衰减，即还应将混凝土的应力松弛因素也计入温度应力。

在考虑这些诸多因素后，文献[1]建议基础浇筑块的最大温度应力用式(1)计算:

其中，σT为浇筑块最大水平正应力;Kp为考虑徐变影响的混凝土应力松弛系数;R为约束系数;kr为考虑早期升温的折算系数;ε0为自生体积变形，膨胀为正，收缩为负;c为自生体积变形龄期影响系数;B为水化热温度应力系数;E为混凝土弹性模量;μ为泊松比;α为混凝土线膨胀系数。

2.2 施工中温度应力控制

从式(1)可见，施工中温度应力控制应从浇筑过程的两个特征温度Tp和Tr及约束系数入手，同时在混凝土本身物性上加以选择控制。因为除两个特征温度外，式(1)中的系数基本都取决于混凝土的物理特性，但混凝土组成原材料的物性有时会受到生产条件限制，所以温度应力控制还应从控制特征温度方面采取措施。

混凝土拱坝是分层浇筑的，一般情况下，每一浇筑层为1.5 m～3.0 m厚，两次浇筑层间隔5 d～15 d左右。当然，每一浇筑层在实际浇筑时，还要再分若干铺筑薄层，逐层向上浇筑。这些浇筑层在浇筑过程中，其温度是多种因素影响的。如果混凝土入仓温度为T1，经平仓、振捣、铺筑层浇筑完毕，上面覆盖新混凝土时，下面原混凝土铺筑层的温度就是浇筑温度Tp。其大小与混凝土入仓温度、气温、日照及施工操作等有关，可按下式计算[1]:

其中，Tp为浇筑温度;T1为入仓温度;Ta为气温;T'为太阳辐射热;β为表面放热系数;φ1，φ2均为平仓前后的温度系数。

式(2)中两个温度系数的确定，可根据经验或施工过程中量测，或参考相应的文献[1]。

由式(2)可得到降低浇筑温度的基本方法，再结合施工经验和操作，以达到控制浇筑温度Tp的目的。

1)降低混凝土出仓温度，具体方法有:预冷骨料、冷水拌料、地笼取料等。

2)减少混凝土运输中的温升，从温升快慢来排序的话，依次是皮带机运料温升最快，其次是汽车运料，大型吊罐运料温升最慢，可根据现场实际条件确定运输混凝土料的方法。

3)加快浇筑速度，以减少浇筑过程中的温升，力争在最短时间内覆盖新混凝土。

4)在加强施工管理的前提下，将全仓面平浇改成台阶式浇筑，尽量缩短混凝土层面的暴露时间。

5)在夏季浇筑混凝土时，应采用边浇筑边覆盖保温被的仓面隔热措施。

6)在炎热地区或盛夏季节，调整施工时间，尽量在夜间或阴天时浇筑，所以施工中掌握较准确的天气预报是必要的。

7)夏季浇筑时，还可以向仓面喷雾或在仓面上搭建凉棚。

上述方法只是一些原则性作法，实际施工时应根据当地条件和以往积累的施工经验，选择更符合实际的降温方法。

采取上述措施的目的，无非是使浇筑温度符合要求，降低温度应力，减少或消除裂缝。为此规定了小湾水电站拱坝各部位的温控标准，施工中应参照执行。

此外，用数值模拟方法，对小湾拱坝全施工过程进行了三维有限元仿真计算，给出了封拱前的竖向应力变化值[4]，施工中可以参考。当然，仿真计算得到的是最终残留应力值，施工中的最大应力值应比计算值为高，使用时注意。

要降低水化热温升，可以用减少水泥用量的方法:

1)加掺合料——粉煤灰。

在规范范围内最大限度的发挥了粉煤灰的良好性能，降低混凝土的水化热。据有关文献，粉煤灰掺量20%，可以降低水化热10%～25%。

2)采用天然骨料、大骨料。

用四级配的天然骨料取代了人工骨料。根据经验，采用天然骨料混凝土比采用人工碎石的混凝土可以节约水泥用量10%左右。

3 结语

由温度应力产生的裂缝一般是不可避免的，但是只要把温度应力控制在规范允许的范围之内，就可以减少大的裂缝的出现。控制温度应力一般是现场进行温控。在浇筑混凝土时，采用温度传感片和测温仪，从浇筑开始测温，并及时抹压和保温保湿养护。浇筑完后根据温控指标，及时调整保温保湿养护条件。

温度影响系数受多种因素影响，其中温度、湿度、散热界面(土、空气等)，初凝时间、风速、温差等影响较大，特别是风速和温差较大时，温度影响系数则大大降低，最高温升也将降低，但为防止降温过快，形成大的温度梯度，夏季选用蓄水养护，秋冬季加盖草袋、海绵，如果工地气候具有风大、干燥特征，拆模后应及时采取防风，保温措施，并及时回填土。

小湾拱坝作为高拱坝，其温控防裂是保证坝体正常施工和安全运行的重要措施。无论在施工期和运行期，温度荷载都是引起坝体开裂及裂缝扩展的重要原因。本文提出的预防温度裂缝的措施可供施工和运行时参考。

[1]朱伯芳.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利电力出版社，2002.

[2]黎展眉.普定碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨[J].水利发电学报，2001(1):96-102.

[3]李春贵.泰顺仙居水电站混凝土拱坝施工中的温控及防裂措施[J].浙江水利科技，2003(4):60-69.

[4]王树和，朱伯芳.小湾拱坝封拱以前温度应力仿真计算[D].北京:中国水利水电科学研究院，2000:37-38.