堆石混凝土壩溫度應力仿真分析及溫控措施研究

范鵬飛

(山西省水利水電工程建設監理有限公司，太原 030000)

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堆石混凝土壩溫度應力仿真分析及溫控措施研究

范鵬飛

(山西省水利水電工程建設監理有限公司，太原 030000)

堆石混凝土壩隨著技術的成熟和推廣，對于堆石混凝土的研究逐漸深入。由于受溫度影響較大，壩體水上部分和水下部分之間存在一定的溫差，將會導致壩體的裂縫或者局部喪失應力。鑒于堆石混凝土壩是一個較為復雜的個體，研究人員需要對其進行仿真分析，接近于真實的模仿在各種溫度的作用下，堆石混凝土壩會產生怎樣的變化，分析這種變化是否影響到壩體的正常使用，同時，要考慮采用何種方式來控制或者避免這些不利因素和影響的發生。

堆石混凝土壩；溫度控制；仿真分析；溫控；研究

堆石混凝土壩是現在較為常見的水壩，主要是考慮到堆石混凝土的特性對于溫度的影響要遠遠小于普通混凝土，能夠延長使用周期。堆石混凝土筑壩技術是建立在自密實混凝土的技術基礎上，再通過多年的研究和實踐，逐漸發展起來的。作為一種新型混凝土筑壩技術，2個尤其重要的施工工序是這項技術的核心：分別是堆石入倉和澆筑自密實混凝土。

文章詳細介紹這兩道重要的施工工序，以便可以更好的理解接下來的內容。堆石入倉的含義是：在放置模板后，將顆粒直徑>30cm的碎石堆放至倉面，由于碎石之間空隙較大，通常需要將其碾壓密實；下一步工序則是自密實混凝土的澆筑，這個環節尤其重要，堆石體的空隙需要自密實混凝土流動填充，使之形成高質量的堆石混凝土。

1 堆石混凝土壩溫度與應力之間的關系

混凝土的堆石尺寸較大，因此對于適合常態或碾壓混凝土的測定方法顯然不再適用于堆石混凝土，由于堆石混凝土應用面較窄，以及對實驗條件要求較高，因此難以采集大量的堆石混凝土試驗參數樣本進行相關規律的提取和總結。受客觀條件限制，只采用有限的數量樣本進行比對。絕熱升溫與極限拉伸2個參數指標與混凝土的抗裂性能的數據體現，可以通過這兩個參數的取值變化來了解混凝土抗裂性能的優劣。另外，施工工藝也是影響徐變的重要因素，綜上所述，堆石混凝土在受溫度影響后的表現是通過以下幾個參數進行全方位的體現：

1.1 抗裂特性

1)絕熱升溫：主導混凝土發熱量的因素是混凝土的水化熱。堆石混凝土和普通混凝土之間最大的區別在于水泥的用量，由于堆石混凝土鑒于自身特性的遠近，在制作的過程中會添加大量的粉煤灰，因此絕熱溫升低于常態混凝土。通常來說，導致堆石混凝土的水化熱初期升溫慢而后期溫升大的原因就在于其中所摻加的粉煤灰延遲發熱。下面我們來通過一組實驗數據對絕熱升溫進行分析，見表1。

表1 C25自密實混凝土配合比和組分參數

由表1可以得出：在配比情況理想化分為自密實混凝土和堆石各占一半的情況下，根據熱量守恒原理，推算出堆石混凝土的絕熱溫升為18.80×(1-e-0.0339)。

2)極限拉伸：堆石混凝土的抗裂性能主要通過極限拉伸來反映，而現實中堆石混凝土的極限拉伸值比常態混凝土低是因為受配合比和施工方法的影響?；炷僚浜霞夹g和實驗精度長足的提高有賴于近幾年的試驗與研究，堆石混凝土的極限拉伸值也有了質的飛躍，但在實際的實施過程當中，90d齡期的混凝土在極限拉伸值得表現方面與試驗恰恰相反，仍然低于同質的常態混凝土。由于受條件影響，鉆孔取芯實測極限拉伸值遠低于室內實驗值，堆石混凝土層間的結合強度是遠遠低于普通混凝土，因此堆石混凝土更容易出現裂縫。我們再來通過一組較為詳實的實驗數據對這個結論做一個驗證，見表2。

表2 立方體堆石混凝土試件劈拉試驗結果

1.2 徐變度

徐變是反映溫度影響的一個重要指標，能夠直接的反應堆石混凝土在溫度作用下的變化?；炷翆τ跍囟茸兓闹匾从呈峭ㄟ^徐變值表現出來的，在溫度應力作用的部分，可以通過徐變使混凝土體塊減小應力反應，徐變與應力呈反比關系。由于膠凝材料用量在混凝土中的作用，相比于常態混凝土而言，堆石混凝土的徐變維持在一個低水平的取值，就可以保持壩體的功能穩定性，但是這一點于溫度應力與防裂不利。

1.3 施工方法的影響

中國大規模的施工建設很難保證施工質量的一致性，而施工的手法和工藝也會對堆石混凝土產生較大的影響。中國堆石混凝土冷量損失大，究其原因是采用低溫入倉導致，類似于常態混凝土那樣的低溫澆筑通常難以實現。常態混凝土在澆筑中可以通過溫控措施來保持混凝土的完整性。然而，由于堆石混凝土的熱性所致，水管冷卻會對其施工帶來不利影響，因此近幾年大部分堆石混凝土澆筑工程不推薦采用此種方法，少數設冷卻水管的也僅限于高溫季節澆筑的部位。

在常態混凝土中通常會采用以下方法對此類問題進行規避，一個是降低澆筑溫度，第二個是通水冷卻。后者在對視混凝土中難以實現并且效果欠佳。堆石混凝土壩通常不做二期冷卻，僅靠大自然散熱進行后期穩固，因此將壩體溫度降至穩定需要相當長的一段時間。鑒于此，大壩會長時間處于一種高溫狀態，當遇到溫度驟降時，降溫所帶來的溫差將產生熱脹冷縮從而出現裂縫。

盡管堆石混凝土與普通混凝土比起來，有較大的區別，但是在壩體建設當中，堆石混凝土的特點尤為突出：

1)水泥使用量小，溫度變化指數值低。

2)高機械化的施工過程，有利于管理者梳理工程組織體系并控制質量，人為不可控因素大大降低。

3)施工成本低施工速度快，能夠盡快的提高產能，產生效益。

2 溫度控制的仿真分析

堆石混凝土壩對于溫度的變化需要做仿真分析。在溫差的作用下，壩體會出現裂縫，對于拱壩來說，盡管小部分拱壩在寬壩段出現裂縫，但是大部分并未收到裂縫的破壞。與之相反的是重力壩，寬度超過20m的重力壩很大概率上會出現裂縫，這種特性表現也與拱壩形成鮮明對比。為了能夠很好的解釋這個現象，我們通過幾座拱壩為研究對象進行仿真計算分析。

以下幾點原因控制了這種現象：

壩厚16～30m的拱壩上下游面的散熱效果好。即便是壩內溫度達到峰值，壩體的內外溫差變化并不突出，表面拉應力也不產生突變；導致表面應力增量為壓力的誘因是內外溫差變??；蓄水時，水的比熱容發揮了重要的作用使壩體溫度有所降低；比之同質的普通混凝土，抗拉強度增強的同時提升了防裂性能，可弱化溫控措施的作用；堆石混凝土的特性決定了通水冷卻的方法無顯著效果，因此決定壩體最高溫度的主要是初始澆筑溫度和環境溫度；對于低溫澆筑的混凝土，壩體的拉應力較小，溫度對于壩體的影響不影響壩體的施工，可不采取分縫和溫控措施；而對于高溫澆筑的混凝土，需要考慮通過表面流水或者避開高溫時段澆筑的方式疏散熱量。但如果該地區冬夏溫差大，溫度應力作用明顯，壩體在溫差作用下存在拉裂風險；較大間距分縫能有效降低壩體溫度應力，將溫度應力逐漸傳遞出去，避免在壩體內部及表面發生損傷。

堆石混凝土壩的實操方法需要建立在仿真計算校核的基礎上，充分利用低溫季節的優勢完成混凝土的澆筑，而高溫季節應較大間距分縫并采取溫控措施，達到快速優質筑壩的目的。

3 堆石混凝土壩體的分縫

分縫不僅僅是存在于混凝土防裂，在諸多工程領域也有各種實踐應用。所以“常態混凝土的橫縫間距≤20m”也是通過多年的研究與工程實踐證明的。大體積量的工程由于各種原因，同時也是出于安全的考慮，無可避免要進行分縫。其中重力壩和拱壩是完全不同的展示個體。

3.1 重力壩

基于早期的工程經驗出現過“堆石混凝土壩可以不分縫或壩段長可為80～100m”這樣的極端的說法。但是，實踐中發現壩段過寬時，由于混凝土配比以及本身的熱性等原因，會在橫向隨著溫度變化而產生劇烈變化，由于各向異性的緣故，極易出現裂縫，寬體壩段被裂縫分割為若干段，導致壩體的實際功能的喪失。

一個實際的案列在我國南方某壩沿分為河床6個壩段，前5個為36m，最后1個為26m，在投入使用達到一定年限后，5個36m寬的壩段均開裂，縫寬最大達2mm，產生了破壞性的影響。對壩體功能的使用產生了極其不好的后果；另一個在溫度的反復作用下，壩段寬50～64m的重力壩，每個都開裂成2～3段，開裂的裂縫從上到下貫穿，最大縫寬達2mm，這種貫穿式開裂直接導致壩體的報廢，無法載繼續進行工作。隨著堆石混凝土在各類實驗和工程實例當中反復的應用，對于其特性大家逐漸的了解，針對堆石混凝土壩的分縫長度逐漸形成了同一的看法，為了避免拉應力引起上游面豎向裂縫，蓄水后發展成劈頭裂縫的后果，因此規定壩體分縫以20m左右為宜，順河方向可按通倉澆筑。

3.2 拱壩

早期的拱壩所存在的縫不是真正意義上的分縫，只是誘導縫。誘導縫不能夠真正意義上滿足分縫的功能需求，大壩會在使用多年后出現嚴重的裂縫。在某拱壩的實際建設中，為了將分縫和誘導縫結合使用，最終提出了可重復灌漿的橫縫與誘導縫相結合的方式促進實踐。

縱向引起的壓應力在水壩蓄水時會突然增加，導致豎直向裂縫被很好的控制。然而，在中間壩段如果有集中應力破損或者壩體過長時，會因局部應力集中在缺口部位引起更大面積的裂縫延展。關于堆石混凝土拱壩最為敏感中部壩段，可根據現場情況估算寬度，以仿真分析結果為參考依據，上限寬度為100m。而拱壩兩岸壩段橫縫間距要適當減小，具體寬度要理論分析結合實際情況綜合評定。

4 控制溫度的措施

對于中小型堆石混凝土壩的降溫措施較為簡單，在低溫季節性澆筑即可解決問題，雖然有些工程由于某些原因沒有采取降溫措施，但是對于大體積高壩，尤其是在高溫季節且連續施工的大壩工程，不采用溫控措施難以保證工程質量，因此，為確保工程質量，采取一些必要的措施勢在必行。近年來，關于堆石混凝土的研究日益深化、力度加大，與之相關的措施也在日新月異的變化。在一些堆石混凝土壩的實際工程中，常態混凝土中驗證成功的所有溫控措施被移至到此并收獲了不錯的效果。

4.1 降低澆筑溫度

常態混凝土壩的澆筑降溫較快，而堆石混凝土卻與之恰恰相反。然而堆石混凝土難以通過常規加冰的方式降溫主要是因為受限于水灰比和可加冰量。在高溫季節澆筑混凝土會面臨一些麻煩，比如混凝土入倉溫度回升快。因此，為了能夠給堆石混凝土快速降溫，在不影響其化學性能的前提下，采用物理降溫措施對降低澆筑溫度就成為工程實際當中可選擇的方法。

4.2 倉面保溫

在高溫季節澆筑需要進行倉面保溫。許多相關企業經過多年的工程經驗加以總結，發明了保溫被投入使用。該保溫被材料為厚聚乙烯，在不持水的情況下，該保溫被等同于半米厚的混凝土。通常會在碾壓完畢后，用保溫被保溫，待輻射熱的環境溫度低于混凝土溫度時，可使混凝土自主散熱。

4.3 水管冷卻

水管冷卻方法的效果已經在常態混凝土實驗中獲得了認證。但是，在堆石混凝土壩的實踐中卻難以實現。以為在鋪設冷卻水管的過程中，冷水管常常會由于混凝土的碾壓干擾而破損，因此很少應用在堆石混凝土工程當中。近幾年出現了塑料冷卻水管，并在工程實際中獲得了成功的運用，使得水管冷卻在堆石混凝土壩的施工中應用成為可能。

4.4 采用微膨脹混凝土

除直接控制溫度外，還可以利用外摻MgO添加劑使混凝土具有微膨脹性，簡化溫度控制。在實際操作中，對于重力壩通常會采用微膨脹混凝土，因此，可以降低約束區、澆筑區等受力區域的拉應力，使得壩體受到應力破壞減弱，從而有利于防裂，但該技術目前尚未成熟。

4.5 材料抗裂性能的提高

作為混凝土防裂的重要環節，如何提高材料的抗裂性能是重中之重，這個環節一般由兩個指標控制體現。通過對配合比的優化可以達到兩個目的，一方面降低體積收縮和水化熱溫升可以通過控制水泥用量得以實現，而提高混凝土抗裂性能的關鍵就在于提高混凝土的極限拉伸值。

4.6 斜層碾壓

在實際的工程操作當中，通長使用斜層碾壓的方法解決澆筑工程上的難題。因為為了減少熱量倒灌，斜層碾壓縮短了覆蓋時間，起到溫控的作用。

5 結 語

隨著科技和針對堆石混凝土研究的發展，如何在施工過程中更好的控制溫度的影響將會被越來越多的專家學者所關注。通過對新型材料的研發和新型技術的實踐應用，堆石混凝土壩的施工將會呈現另外一種狀態，立足于常態混凝土的研究，將堆石混凝土壩的施工溫控技術逐漸推廣出去。

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Temperature Stressing Simulation Analysis and Temperature Control Measure Research of Rock-fill Concrete Dam

FAN Peng-fei

(Shanxi Provincial Water Conservancy & Hydropower Project Construction Supervision Limited Company,Taiyan 030000,China)

With the technological development of rock-fill concrete dam，the research of rock-fill concrete is deepening gradually. Impacted greatly by the temperature control，there is a certain temperature difference between the surface water and down water of dam body and will cause the dam body to crack or lose the stress partially. In view of the rock-fill concrete dam as a complex individual，the researchers need to conduct the simulation analysis to distinguish the changes of rock-fill concrete dam under the actions of various temperatures closed to real simulation，and analyze whether this kind of changes could affect the ordinary use of dam body，simultaneously，to consider the way in which to control or avoid the occurrence of these adverse factors and effects.

rock-filled concrete dam; temperature control; analysis of simulation; research

2016-06-26

范鵬飛(1987-)，男，山西太原人，工程師，研究方向為水利水電工程。

1007-7596(2016)09-0013-04

TV544

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