杜 彬 杜 鋼 黃 濤 劉 敏 樂(lè) 陽(yáng)

（1.清華大學(xué) 水科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.宜昌天宇科技有限公司，湖北 宜昌 443002；3.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

1 工程概況

卡基娃水電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的木里河干流上，系木里河干流（上通壩～阿布地河段）水電規(guī)劃“一庫(kù)六級(jí)”的第二個(gè)梯級(jí)，是該河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的“控制性水庫(kù)”工程，采用混合式開(kāi)發(fā)，上、下游分別與上通壩和沙灣水電站銜接.

水庫(kù)正常蓄水位為2 850.00m，正常蓄水位以下庫(kù)容3.583億 m3；死水位2 800.00m，相應(yīng)死庫(kù)容0.777億m3；校核洪水位2 852.20m，總庫(kù)容3.745億m3，具有年調(diào)節(jié)能力.攔河大壩為面板堆石壩，最大壩高171m.大壩趾板混凝土0.64萬(wàn)m3，面板混凝土3.62萬(wàn) m3，其他混凝土1.75萬(wàn) m3，固結(jié)灌漿11.32萬(wàn)m3，帷幕灌漿6.48萬(wàn)m3，大壩壩肩及基礎(chǔ)開(kāi)挖量約144.28萬(wàn) m3.

大壩混凝土面板施工劃分為三期施工方案，一期混凝土面板斜長(zhǎng)74m，施工期安排在3～5月.二期混凝土面板斜長(zhǎng)124m，施工期安排在9～11月.三期混凝土面板斜長(zhǎng)72m，施工期安排在次年3～5月.考慮大壩面板混凝土溫變、徐變、干濕變化、混凝土自生體積變形等所引發(fā)的荷載.要把這一類荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力控制在允許范圍內(nèi)則是一件很不容易的事情.正是由于這一類荷載（其中主要是溫變）的作用，在大壩面板混凝土結(jié)構(gòu)中會(huì)由于產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫，故進(jìn)行混凝土面板施工期溫度及應(yīng)力分析［1－4］.

2 計(jì)算條件

混凝土面板的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化受很多因素的影響，在計(jì)算中考慮了如下因素：澆筑時(shí)的氣溫、入倉(cāng)溫度、水泥的水化熱溫升、氣溫變化、混凝土的硬化過(guò)程和徐變等［5－7］，計(jì)算主要考慮混凝土水化熱、澆筑條件以及外界氣溫的影響.

卡基娃面板堆石壩壩頂高程2 856.00m，河床段趾板建基面高程2 685.00m，最大壩高171m，壩頂寬11m，壩頂長(zhǎng)323m，大壩立面寬高比為1.88∶1.上游壩坡1∶1.4，下游壩坡設(shè)置三級(jí)5m寬?cǎi)R道，第一臺(tái)馬道以上壩坡為1∶1.5，其下兩臺(tái)馬道間壩坡均為1∶1.4，綜合壩坡1∶1.496.下游壩腳設(shè)置壓重區(qū)，頂高程2 710.00m，壓重區(qū)頂寬30m，2 710.00m高程以下壩坡1∶2.卡基娃面板堆石壩的面板混凝土分三期澆筑，混凝土下部填筑有墊層材料和過(guò)渡區(qū)材料.

2.1 氣候條件

工程區(qū)無(wú)氣象站，根據(jù)木里縣氣象站（高程為2 666.6m）1961～2007年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫為12.4℃，極端最高氣溫34.1℃（1983年7月3日），極端最低氣溫為－10.6℃（1982年12月31日）.多年平均年降雨量為832.0mm，最大一日降雨量77.4mm，多年平均年蒸發(fā)量2 052.6mm（20cm蒸發(fā)皿觀測(cè)值），多年平均相對(duì)濕度57%，最小相對(duì)濕度接近于0，多發(fā)生在春季.多年平均風(fēng)速1.8m／s，最大積雪深度13.0cm.木里縣氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)如圖1所示.

2.2 面板澆筑計(jì)劃

混凝土的澆筑自面板前的趾板開(kāi)始，分三期澆筑，見(jiàn)表1.面板最大斜長(zhǎng)286.2m，共鋪設(shè)32塊混凝土面板，只設(shè)置垂直縫.

圖1 卡基娃壩址處全年氣溫

表1 混凝土面板施工分期計(jì)劃

壩體材料在表面處的初始溫度為澆筑開(kāi)始時(shí)的平均氣溫，在20m深處溫度取年平均氣溫.混凝土的入倉(cāng)溫度與澆筑當(dāng)時(shí)的氣溫相同［8］.

2.3 計(jì)算斷面及單元剖分

由于混凝土面板較薄，沿面板厚度方向溫度和應(yīng)力變化是比較劇烈的，因此為了保證計(jì)算有足夠精度，面板取5層單元.考慮到單元的長(zhǎng)寬比不能太大，以免影響計(jì)算精度，在面板順壩坡方向和沿壩軸方向亦應(yīng)設(shè)較密集的單元［9］，整個(gè)網(wǎng)格共有1 790個(gè)單元，2 017個(gè)節(jié)點(diǎn).

2.4 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)及總計(jì)算時(shí)間

計(jì)算面板混凝土溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的時(shí)間范圍在混凝土澆筑后90d內(nèi)，步長(zhǎng)為1d.

2.5 邊界條件［10］

溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，面板的上表面，壩頂為第三類邊界條件，即自由散熱面，溫度為氣溫，基巖的下表面及壩體內(nèi)部面為絕熱邊界.溫度應(yīng)力及濕度應(yīng)力計(jì)算時(shí)，基巖下表面及壩體內(nèi)部面為固定邊界.

根據(jù)壩址地區(qū)的氣溫資料以及面板的澆筑計(jì)劃，確定邊界條件之一的氣溫.另外，選取了氣溫驟降的某3d的溫度條件（寒潮，當(dāng)日氣溫降低10℃以上，溫度降到5℃以下［11－12］）進(jìn)行了具體分析，如圖2所示.

圖2 寒潮期間氣溫過(guò)程線

2.6 面板混凝土材料參數(shù)

面板混凝土配比見(jiàn)表2，面板混凝土配合比為“峨勝”P(pán).MH 42.5水泥、四川巴蜀電力開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司江油粉煤灰綜合利用開(kāi)發(fā)分公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰、卡基娃細(xì)骨料＋卡基娃粗骨料（石灰?guī)r）、JG－3萘系低堿減水劑＋HJAE－A引氣劑的組合.混凝土的最大絕熱溫升為38.4℃.常溫20℃下混凝土的絕熱溫升過(guò)程如圖3所示.

表2 1.0m3混凝土各部分材料用量（未添加增密劑） （單位：kg）

圖3 20℃面板混凝土的絕熱溫升過(guò)程

在5℃時(shí)的絕熱溫升過(guò)程根據(jù)等效時(shí)間法得出.

在常溫下澆筑混凝土?xí)r，θ可用下式表示［6，13］：

式中，θ0為混凝土的最大絕熱溫升，τ為混凝土齡期，m為取決于混凝土中可水化成分的配比的放熱速度參數(shù)，依據(jù)本工程的材料條件取為0.252（見(jiàn)表3）.

表3 溫度場(chǎng)計(jì)算中使用的基本參數(shù)

2.7 應(yīng)力計(jì)算參數(shù)

混凝土的最終彈性模量為Ec＝20 000MPa，泊松比取為0.2，密度取為2 450kg／m3，線膨脹系數(shù)取為7×10－6.

3 計(jì)算結(jié)果與分析

三期混凝土面板的溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算中，未考慮灑水或噴涂保溫材料等養(yǎng)護(hù)保溫措施的影響［4，14－15］，面板混凝土與外界環(huán)境直接接觸，本計(jì)算中考慮面板混凝土的水化熱、澆筑條件以及面板自重的綜合影響，采用第三類溫度邊界條件.

3.1 面板溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

考慮在3月初澆筑第一期、第三期面板，9月初澆筑第二期面板，因此3期的混凝土的入倉(cāng)溫度依次取為8℃、18℃、8℃，采用第三類溫度邊界.

由圖4及圖6的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，一期、三期面板是在3～5月期間澆筑的，此時(shí)的氣溫逐漸升高.剛開(kāi)始澆筑時(shí)，面板混凝土的溫度主要受其自身水化熱的影響.在開(kāi)始澆筑后的前5d內(nèi)，混凝土溫度迅速升高，并于第1～7d時(shí)，各高程的面板混凝土溫度達(dá)到初期最大值：一期面板表面混凝土最高溫度值為10.1℃，其內(nèi)部3／5處混凝土最高溫度值為11.6℃；三期面板表面混凝土最高溫度值為9.2℃，其內(nèi)部3／5處混凝土最高溫度值為9.2℃.另外，不同高程的面板混凝土的溫度變化過(guò)程也基本相同.

圖4 一期面板澆筑后90d面板內(nèi)部3／5處溫度過(guò)程

圖5 二期面板澆筑后90d面板內(nèi)部3／5處溫度過(guò)程

圖6 三期面板澆筑后90d面板內(nèi)部3／5處溫度過(guò)程

由于施工期外界氣溫低于混凝土初期的溫度，因此在澆筑10d后，混凝土溫度主要受外界氣溫影響并逐漸下降，并在30d左右隨著氣溫逐漸升高.在澆筑一個(gè)月以后，面板內(nèi)溫度趨近于外界氣溫，并隨氣溫的變化而變化，溫度變化的幅度略小于外界氣溫.此時(shí)面板混凝土內(nèi)外溫差大大減小，溫度差在大部分時(shí)間處于2℃以內(nèi).

由圖5的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，二期面板是在9～11月期間澆筑的，此時(shí)的氣溫逐漸降低.剛開(kāi)始澆筑時(shí)，面板混凝土的溫度主要受其自身水化熱的影響.在開(kāi)始澆筑后的前5d內(nèi)，混凝土溫度迅速升高，并于第5～8d時(shí)，各高程的面板混凝土溫度達(dá)到最大值：二期面板表面混凝土最高溫度值為19.6℃，其內(nèi)部3／5處混凝土最高溫度值為18.4℃，在澆筑初期面板內(nèi)外存在著2℃左右的溫差.同樣，不同高程的面板混凝土的溫度變化過(guò)程也基本相同.

由于9～10月份溫度呈逐漸下降的趨勢(shì)，二期面板經(jīng)過(guò)一次溫度峰值后溫度逐漸降低.在一個(gè)月以后，面板內(nèi)溫度趨近于外界氣溫，但溫度高于外界氣溫2.5℃～3℃，且溫度變化的幅度小于外界氣溫.

從以上的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，面板混凝土在澆筑初期的溫度值主要受其自身水化熱的影響，此段時(shí)間的保溫工作重點(diǎn)是有效降低混凝土的最高溫升；在澆筑20～30d后，由于混凝土面板較薄，其溫度值主要受外界氣溫變化的影響，因此該期間的保溫工作重點(diǎn)是在面板外部覆蓋或噴涂一定保溫材料，以應(yīng)對(duì)劇烈的外界天氣變化，把面板混凝土溫度控制在較穩(wěn)定的狀態(tài)，降低混凝土與外界環(huán)境的溫度差［16－21］.

3.2 面板溫度應(yīng)力計(jì)算分析

一、二、三期混凝土面板在施工期均受到溫度荷載和自重荷載的作用，取三期面板表面不同高程的面板混凝土在不同的齡期計(jì)算得到的溫度應(yīng)力值（拉應(yīng)力為正），如圖7～9所示.

圖7 一期面板表面最大主應(yīng)力分布

圖8 二期面板表面最大主應(yīng)力分布

圖9 三期面板表面最大主應(yīng)力分布

由圖7可知，對(duì)于一期面板，由于最高溫升發(fā)生在澆筑后5～10d內(nèi)，因此該時(shí)間段出現(xiàn)了一定大小的壓應(yīng)力，面板表面的最大壓應(yīng)力值均為0.2MPa，且這一壓力值主要集中在高程較低的2 695m上下的面板混凝土區(qū)域，分析原因是該區(qū)不僅受到來(lái)自上方面板混凝土的重力分量的作用，還受到來(lái)自地基的較大的約束，因此產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力.隨著高程的增加，面板的溫度應(yīng)力均在0MPa上下浮動(dòng).

由圖8可知，由于二期面板的施工期在9～11月份，此段時(shí)間外界氣溫呈下降趨勢(shì)，而混凝土由于自身水化熱的影響，內(nèi)部溫度高于外界氣溫.在混凝土澆筑一個(gè)月以后，面板混凝土產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力，在澆筑后90d時(shí)，表面最大溫度拉應(yīng)力均為1.56 MPa，此時(shí)各高程面板的溫度拉應(yīng)力都處于1.47～1.56MPa之間，存在較高的開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn).

由圖9可知，對(duì)于三期面板，在面板表面及其內(nèi)部3／5處均在較低高程，即2 810～2 815m處產(chǎn)生了溫度壓應(yīng)力，但大小均在0.05MPa以內(nèi)，原因是受到來(lái)自上方面板混凝土的重力分量的作用以及二期面板的約束.隨著時(shí)間的推移，三期面板的溫度應(yīng)力在0MPa上下微小地浮動(dòng).

3.3 寒潮工況下的面板溫度應(yīng)力

選取了氣溫驟降的某3d的溫度條件（寒潮，當(dāng)日氣溫降低10℃以上，溫度降到5℃以下）進(jìn)行了溫度應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，結(jié)果如圖10所示.在二期面板的下部出現(xiàn)了最大的溫度拉應(yīng)力，最大時(shí)達(dá)到了2.19MPa.此時(shí)混凝土面板開(kāi)裂可能性最大，因此必須采取有效的保溫措施.

圖10 寒潮時(shí)期面板表面出現(xiàn)的最大主應(yīng)力

4 結(jié) 論

結(jié)合卡基娃面板堆石壩面板混凝土的澆筑計(jì)劃，分別對(duì)三期面板混凝土在施工期的溫度場(chǎng)以及溫度應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析，并根據(jù)圖形特征和數(shù)據(jù)特征分析了混凝土面板的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，得出相應(yīng)的結(jié)論.

1）由溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，面板混凝土在澆筑初期的熱源主要來(lái)自其自身水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，此段時(shí)間內(nèi)混凝土的溫度迅速升高，在澆筑約一個(gè)月后，由于混凝土面板厚度較薄，其溫度值主要受外界氣溫變化的影響.

2）由溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可知，由于一、三期面板在當(dāng)年的3～5月份澆筑，該段時(shí)間外界氣溫呈逐漸升高的趨勢(shì)，面板混凝土只會(huì)產(chǎn)生微小的拉壓應(yīng)力，不會(huì)造成混凝土面板的開(kāi)裂.而二期面板施工期在當(dāng)年的9～11月份，該段時(shí)間外界氣溫逐漸降低，混凝土內(nèi)部與外界存在一定的溫度差，導(dǎo)致面板混凝土產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，且表面拉應(yīng)力大于內(nèi)部的拉應(yīng)力.因此當(dāng)在施工期遇到外界氣溫驟降即寒潮時(shí)，面板混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)大大增加.

3）綜合以上針對(duì)混凝土面板施工期溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的分析，在正常的氣溫條件下，卡基娃堆石壩的混凝土面板處于安全范圍以內(nèi).為防止面板在外界氣候急劇變化時(shí)產(chǎn)生裂縫，建議采取一定的保溫措施，提高混凝土面板抵抗寒潮等極端氣候的能力，降低混凝土面板的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn).

［1］ 劉光廷，胡 昱，焦修剛，等.高面板堆石壩面板應(yīng)力規(guī)律分析及改善應(yīng)力狀態(tài)的對(duì)策［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（2）：135－140.

［2］ 張國(guó)新，張丙印，王光綸.混凝土面板堆石壩溫度應(yīng)力研究［J］.水利水電技術(shù)，2001（7）：1－5.

［3］ 麥家煊，孫立勛.西北口堆石壩面板裂縫成因的研究［J］.水利水電技術(shù)，1999，30（5）：30－34.

［4］ 曹 偉，楊 斌，田忠勇，等.混凝土壩保溫保濕研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

［5］ 杜 彬，胡 昱，等.混凝土大壩保溫保濕新技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［6］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［7］ 林南薰.關(guān)于混凝土徐變理論［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，1979（2）：178－181.

［8］ 麥家煊.水工建筑物［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［9］ 顧永明.面板那堆石壩面板脫空問(wèn)題分析方法研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［10］趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［11］朱伯芳.寒潮引起的混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算［J］.水力發(fā)電，1985（3）：13－18.

［12］龔召熊，羅承管，張錫祥.氣溫驟降與大體積混凝土表面裂縫［J］.人民長(zhǎng)江，1990，21（12）：10－15.

［13］庫(kù)馬·梅塔，保羅J.Mo蒙特羅.混凝土微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［14］杜 彬.聚氨酯泡沫保溫保濕施工試驗(yàn)研究［J］.水利水電施工，2006（2）：22－23.

［15］李世新，楊長(zhǎng)征，杜 彬，等.新疆山口水電站混凝土壩保溫保濕方案分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27（3）：43－47.

［16］李鵬輝，杜 彬，劉光廷.石門(mén)子碾壓混凝土拱壩采用聚氨酯硬質(zhì)泡沫保溫保濕的效果分析［J］.水利水電技術(shù)，2002（6）：37－38.

［17］杜 彬，程加明.聚氨酯保溫、保濕材料在新疆石門(mén)子水庫(kù)工程中應(yīng)用［J］.水利水電施工，2002（2）：22－25.

［18］杜 彬.聚氨酯硬質(zhì)泡沫在大壩工程中的應(yīng)用研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2002，22（4）：14－16.

［19］杜 彬，王崇舉，焦庭林.聚氨酯泡沫保溫保濕施工試驗(yàn)研究［J］.水利水電施工，2006（2）：22－23.

［20］杜 彬，任宗社，周炳良.混凝土大壩表面噴涂聚氨酯保溫保濕試驗(yàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007（2）：62－65.

［21］劉騰飛，胡 昱，李 祥，等.聚氨酯防水保溫材料對(duì)混凝土抗凍性能的影響［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30（1）：132－138.