凤山水库碾压混凝土重力坝温控措施研究

张艳君 王浏刘 袁华

1 概 述

凤山水库碾压混凝土坝属于高坝，采用碾压混凝土材料，水泥用量少、高掺粉煤灰的特点降低了混凝土的发热量，但碾压混凝土的水化热放热过程缓慢，以致坝体内部碾压混凝土长期处于较高的温度状态，坝内温度下降至稳定温度往往需要几十年甚至几百年的时间。坝址区外界温度变化大且夏季气温高，气象条件不利于混凝土散热，混凝土最高温度控制难度较大，控制坝体基础温差、内外温差和上下层温差是改善碾压混凝土重力坝的温度应力、减少温度裂缝的关键。因此，温度控制和防裂是施工中的关键问题之一，需进行防裂及温度控制设计，提出防裂措施及温度控制标准。

2 温控仿真分析

凤山水库位于贵州省黔南州福泉市鱼梁江上，水库总库容1.04亿m3，挡水建筑物设计为碾压混凝土重力坝[1]，最大坝高90m，坝顶长281m。大坝建基面高程822m，坝顶高程912m，其中822～832m为基础强约束区；大坝共分为11个坝段，其中4#、5#、6#坝段坝高为90m。

选取5#溢流坝段为典型坝段，采用三维有限元分析仿真分析2022年新浇混凝土不同高程范围、不同材料分区及不同温控措施条件下坝体温度应力状况，确定合理的温控标准和温控措施[2]。

2.1 计算模型及材料参数

根据5#溢流坝段建立计算模型，图1为溢流坝段典型剖面图，有限元模型采用六面体8节点单元，坝段顺河向最大底宽为68.7m，横缝间距为24.0m。模型单元总数39376个，节点总数44568个，z轴方向0.5m一层，顺水流方向分为30层，靠近坝面0.2m一层，横河向分为8层。有限元计算模型剖面如图2所示。

图1 溢流坝段典型剖面图

图2 三维有限元计算模型示意图

大坝混凝土弹性模量参数见表1、绝热温升见表2。

表1 混凝土弹性模量 GPa

表2 大坝混凝土热学性能参数

2.2 计算方案及混凝土应力控制标准

仿真分析共拟定11种工况，分别为5种混凝土浇筑进度计划、5种冷却水管布置方式，计算分区浇筑体最高温度、最大应力，得出安全系数[3]，计算工况见表3。

表3 溢流坝段仿真计算工况表

大体积混凝土温度和温度徐变应力三维仿真分析计算的拉应力控制标准，温度应力的控制按下式确定：

式中σ——各种温差所产生的温度应力之和，MPa；

εp——混凝土极限拉伸值，取（0.7～1.0）×10-4；

Ec——混凝土弹性模量，MPa；

Kf——安全系数。

考虑到浇筑层面对混凝土强度的削弱作用，竖向允许抗裂应力在其他方向允许抗裂应力的基础上进行一定程度的折减，折减系数取0.6。不同混凝土允许拉应力见表4。

表4 不同混凝土允许拉应力 GPa

2.3 温度应力规律分析

以工况4为例，碾压混凝土浇筑温度[4]不大于20℃，常态混凝土铺设1.5m×1.0m水管，强约束区碾压混凝土铺设1.5m×1.0m水管，弱约束区碾压混凝土铺设1.5m×1.5m水管，自由区碾压混凝土铺设1.5m×3.0m水管，通20℃水冷却15d。表5为坝段最高温度与中间剖面最大顺河向应力统计表，表6为最大横河向应力统计表，表7为强约束区碾压混凝土不同工况温度应力比较。

表5 碾压混凝土最高温度与中间剖面最大顺河向应力

表6 最大横河向应力统计表

2.3.1 坝体最高温度

碾压混凝土强约束区最高温度28.3℃，弱约束区最高温度28.5℃，自由区最高温度32.1℃。

2.3.2 坝体中间剖面最大顺河向应力

基础强约束区碾压混凝土最大顺河向应力为1.36 MPa，按90d劈拉强度其安全系数为1.64，按180d劈拉强度其安全系数为1.87；弱约束区碾压混凝土最大顺河向应力为0.97MPa，按90d劈拉强度其安全系数为2.31，按180d劈拉强度其安全系数为2.62；自由区碾压混凝土最大顺河向应力为0.65MPa，按90d劈拉强度其安全系数为3.45，按180d劈拉强度其安全系数为3.91。

2.3.3 最大横河向应力分析

上游面最大横河向应力为1.74MPa，按照90d劈拉强度其安全系数为1.59，按180d劈拉强度其安全系数为1.88；下游面最大横河向应力为1.45MPa，按照90d劈拉强度其安全系数为2.03，按180d劈拉强度其安全系数为2.25。

2.3.4 最大竖向应力分析

上游面最大竖向应力为0.94MPa，按照90d劈拉强度其安全系数为3.13，按180d劈拉强度其安全系数为3.47；下游面最大竖向应力为1.09MPa，按照90d劈拉强度其安全系数为2.70，按180d劈拉强度其安全系数为2.99。

根据上述计算分析过程，仿真模拟其他10种工况，得出最高温度和最大温度应力、安全系数见表7。

表7 强约束区碾压混凝土不同工况温度应力比较

通过仿真分析，强约束区碾压混凝土最大应力发生在靠近下游，与下层混凝土浇筑间歇期为19d。不采取任何温控措施时，中上部范围混凝土由于水化热相对较高，最高温度为38.6℃，最大顺河向应力为2.18MPa，按照90d龄期劈拉强度其安全系数为1.03，按180d劈拉强度其安全系数为1.16。

采取铺设1.5m×1.5m水管通20℃水进行一期冷却15d，混凝土最高温度为32.4℃，最大顺河向应力为1.70MPa，按照90d龄期劈拉强度其安全系数为1.32，按180d劈拉强度其安全系数为1.50。

采取铺设1.5m×1.0m水管通20℃水进行一期冷却15d，混凝土最高温度为31.5℃，最大顺河向应力为1.55MPa，按照90d龄期劈拉强度其安全系数为1.44，按180d劈拉强度其安全系数为1.64。

综上可知，在无任何温控措施下，碾压混凝土内部最大拉应力均出现大范围超标，不能满足混凝土容许抗拉应力的要求，因此需采取一定的温控措施。控制浇筑温度不大于15℃且采取铺设1.5m×1.0m水管通20℃水进行一期冷却15d，混凝土最高温度为28.3℃，最大顺河向应力为1.36MPa，按照90d龄期劈拉强度其安全系数为1.64，按180d劈拉强度其安全系数为1.87，混凝土拉应力均在容许值范围内。

3 结 语

通过仿真显示溢流坝段下游侧反弧段部位容易产生大拉应力，其主要原因是由于溢流面混凝土水泥用量大，往往会产生很大的水化热温升，基于两种混凝土的绝热温升值相差较大，易产生比较大的温度梯度，由此产生不协调的变形作用，从而引起大拉应力，通过合理的温控措施能将混凝土拉应力均在容许值范围内。

温控标准及温控措施：（1）低温浇筑：浇筑温度控制在20℃以内，浇筑间歇期7～10d，最多不宜超过14d，超过21d的按老混凝土控制；通水策略：一期冷却15～21d，通水流量1.5m3/h，通水水温20℃，过峰值后通水，调整通水流量使得降温速率为0.5℃/d。（2）表面保温：水平施工层面间歇期内，高温季节应采取仓面喷雾养护；施工期，对坝体新浇筑混凝土表面及时进行覆盖；在6—8月雨季停工时，在外层覆盖一层塑料薄膜防止降雨带来的降温冷击；重视寒潮频发和昼夜温差较大季节的表面保护，当遭遇2d降10℃的寒潮或昼夜温差15℃采用覆盖2cm的保温被进行临时保温，保温材料等效放热系数β≤200kJ/（m2·d·℃）；当遭遇3d降16℃的寒潮采用保温材料等效放热系数β≤120.0kJ/（m2·d·℃）。（3）混凝土温度监测与监控。