基于施工期溫度變化效應的碾壓混凝土重力壩設計問題研究

梁嘉輝

三門峽市水利勘測設計有限責任公司中山分公司 528400

摘要：施工期溫度變化效應是碾壓混凝土重力壩的主要荷載形式之一，一般人們會注意到這一點，但所選擇的溫控措施卻不盡相同，甚至大相徑庭，這也讓該壩型的溫控設計存在爭議，因此本文對有關(guān)問題進行了探討。

關(guān)鍵詞：施工期；溫度變化效應；碾壓混凝土重力壩；設計

碾壓混凝土重力壩是上世紀80年代發(fā)展起來的，采用干硬混凝土碾壓施工筑成的實體重力壩，與常態(tài)混凝土重力壩相比，由于具有施工快、省水泥、造價低、工期短等優(yōu)勢，所以該壩型得到迅速推廣應用，目前最大壩高已超過200m[1，2]。在碾壓混凝土重力壩設計時，施工期溫度變化效應是人們關(guān)注的焦點之一，因為混凝土導熱性能較差，若集聚在混凝土內(nèi)部的水泥水化熱不加控制，那么溫度應力就會超過混凝土允許變形的能力而引起開裂，因此施工期溫度控制就成為碾壓混凝土重力壩設計中的重要問題，本文對此進行了研究和探討。

1 考慮施工期溫度變化效應的碾壓混凝土重力壩的設計思路

1.1 碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩的差異

目前，針對常態(tài)混凝土重力壩施工期溫度變化效應的研究比較成熟，但由于碾壓混凝土重力壩出現(xiàn)時間并不長，研究的系統(tǒng)性、深度相對不足，于是很多人習慣于采用常態(tài)混凝土重力壩的觀點和方法來考慮碾壓混凝土重力壩的設計問題，這就難免產(chǎn)生偏差，實際上碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩在施工期溫度變化效應方面有明顯的差別，主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）碾壓混凝土配用水泥較少，摻用大量粉煤灰，水化熱較常態(tài)混凝土少，這是事實，但因主要采用通倉薄層快速澆筑方式，壩體內(nèi)部熱量不易散失，沿澆筑層高度方向溫差大，恒溫時間很長，例如某壩高140m的碾壓混凝土重力壩經(jīng)仿真分析，溫度場穩(wěn)定時間需在30年以上，所以同樣溫差條件下碾壓混凝土重力壩內(nèi)部溫度應力比常態(tài)混凝土大。（2）碾壓混凝土水泥含量少，抗拉強度和徐變較小，所以其抗裂能力較弱，再加上一般不設置縱縫和埋設冷卻水管，施工期間更易出現(xiàn)表面裂縫和上游面劈頭裂縫。（3）碾壓混凝土重力壩在壩基上通常會澆筑2m厚的常態(tài)混凝土面板，以便停歇一段時間（如2個月）后進行基巖固結(jié)灌漿，該面板常出現(xiàn)貫穿性裂縫，并會向上擴展到碾壓混凝土層，即使跨裂縫布設騎縫鋼筋也難以避免。以上特點決定了碾壓混凝土重力壩溫控設計思路與常態(tài)混凝土重力壩不同。

1.2 碾壓混凝土重力壩施工期溫度控制思路

基于碾壓混凝土重力壩施工期溫度變化效應，提出以下設計思路：（1）優(yōu)化混凝土配合比，協(xié)調(diào)溫度應力與混凝土抗拉強度關(guān)系[3]。在滿足混凝土強度、極限拉伸值、抗?jié)B、抗凍等指標基礎上，配制線膨脹系數(shù)小、彈性模量低、澆筑性能好、抗拉強度高的混凝土，例如增加Ⅰ級粉煤灰摻量，摻加高效緩凝減水劑和引氣劑，以降低水膠比。合理選擇的骨料級配，例如采用四級配混凝土，石子骨料按特大石：大石：中石：小石=2：3：3：2（最大粒徑控制在120mm）配制，減少膠凝材料用量，可以簡化溫控措施，提高碾壓層厚（采用50cm）和施工進度[4]。（2）溫控措施應結(jié)合混凝土澆筑計劃，也就是根據(jù)混凝土澆筑時的溫度變化、澆筑部位等情況采取相應的溫控措施。年溫變化較大的地區(qū)，碾壓混凝土溫度應力更大，所以應采取更嚴格的溫控措施，反之則可采取較為寬松的溫控措施。在大壩強約束和溫度降幅大的部位，應采取更嚴格的溫控措施，而在大壩次要部位和溫度降幅小的部位，可采取相對寬松的溫控措施。（3）溫控措施應結(jié)合溫控標準和溫控對象。施工期混凝土約束應力主要呈現(xiàn)廣泛分布狀態(tài)，對混凝土自身缺陷較為敏感，所以溫控標準要求更高，溫控措施更加嚴格。同時針對不同的溫控對象要有相應的溫控措施，例如水閘底板閘墩以限裂設計為主導，而廠房進水口框架以抗裂設計為主導，這些情況不應等同于混凝土重力壩。（4）鑒于碾壓混凝土重力壩施工期溫度變化效應的復雜性，應結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)、施工過程、計算能力與精度要求，并且同時考慮溫度、水壓力和大壩自重三種負荷，采用有限元法計算大壩溫度應力。

2 基于施工期溫度變化效應的碾壓混凝土重力壩的其他設計問題討論

2.1 大壩結(jié)構(gòu)型式

大量實踐和理論研究證實，壩體受到約束越強，例如體型復雜、孔洞較多、基礎不平整等情況，越容易開裂，因為這些型式和部位容易形成應力集中，開裂的可能性也就較大，因此對于碾壓混凝土重力壩來說，為避免壩體中產(chǎn)生貫穿性裂縫，就應該改善壩體體型和結(jié)構(gòu)，大壩外形應盡可能平順，減少突然的轉(zhuǎn)折，內(nèi)部孔洞設置也應盡量減少，基礎面盡量整平。

2.2 大壩上游面溫度縫的設置

目前，對于碾壓混凝土重力壩是否分縫有兩種不同的做法：一種主張不分縫，其理由是不分縫的壩體具有類似拱壩的超靜定結(jié)構(gòu)特征，不僅超載能力強，兼具施工簡便、壩體工程量減少、施工工期短等特點，而且對于防滲要求不高的二類壩來說壩體開裂漏水也不影響運行；另一種主張分縫，按20～30m間距設置橫縫。設置適當?shù)臏囟瓤p可以減少開裂并無爭議，對防滲要求較高的一類壩宜根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)在應力集中的部位設置橫縫。溫度縫和橫縫宜采用誘導縫型式，不影響大倉面澆筑施工。可在大壩上游面設置溫度縫，縫深距上游面3m，并應采用止縫孔結(jié)構(gòu)，因為槽鋼止縫仍會影響倉面施工。

2.3 冷卻水管的設置

一般來說，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設水管，可以降低混凝土溫度，控制混凝土內(nèi)外溫差和減少溫升幅度，但也許不是所有情況都是合適的。據(jù)某工程現(xiàn)場測試，澆筑層每層敷設水管占用2.5～4h時間，但這段時間混凝土澆筑溫度最大升高了約10℃，也就是說為了降低混凝土溫度而不得不增加倉面覆蓋時間的做法，反而更易引起混凝土溫度升高，因此從施工質(zhì)量控制、施工費用控制角度來講都不夠合理[5]。但如前所述，碾壓混凝土重力壩體積很大，內(nèi)部溫度降低十分緩慢，往往在運行后要經(jīng)過數(shù)十年乃至上百年才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，在冬季低溫和寒潮來襲下，上游面易出現(xiàn)劈頭裂縫，對于高碾壓混凝土壩還是應該采取通冷卻水的措施，因為不能只注重施工期的溫度控制而不顧運行期的裂縫控制。

2.4 澆筑層厚與間歇時間的設置

碾壓混凝土澆筑一般采取薄層短間歇連續(xù)澆筑方式，但近來傾向于厚層短間歇連續(xù)澆筑方法，前者不設冷卻水管，但因為澆筑層數(shù)多，易受到下雨等不利天氣的影響，并在高溫季節(jié)易受到熱量倒灌影響，后者需配置通水冷卻等倉面保護措施，但溫控成本比前者更低[5]，這種變化值得設計人員注意。

3 結(jié)語

施工期溫度變化效應是碾壓混凝土重力壩設計工作中關(guān)鍵問題之一，而溫控措施主要基于成本、質(zhì)量、進度三方面考慮，然而無論采取哪種措施，各種措施的綜合協(xié)調(diào)運用都是最重要的，只有綜合壩型、材料、施工、環(huán)境等條件采取最有利的做法，才能確保大壩安全運行。

參考文獻：

[1] 雷聲軍，陳毅峰，陳能平，等. 光照高碾壓混凝土壩的設計理念與實踐總結(jié)[J]. 水力發(fā)電，2014，40（7）：45-48.

[2] 周建平，黨林才. 水工設計手冊. 第5卷，混凝土壩[J]. 2版. 北京：中國水利水電出版社，2011.

[3] 王焰駒. 碾壓混凝土重力壩工程溫度控制施工技術(shù)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督，2014（2）：60-62.

[4] 張海超，姚元成，羅洪波，等. 四級配碾壓混凝土在沙沱水電站中的設計及應用[J]. 貴州水力發(fā)電，2012，26（1）：28-31，45.

[5] 陳康德. 樂昌峽碾壓混凝土重力壩的實用設計與施工[J]. 廣東水利水電，2012（12）：9-11，16.