趙澤湖，周秋景，牟榮峰，楊 寧，張家豪

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038；2.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京 100038）

1 研究背景

拱壩混凝土拉應(yīng)力［1］主要源于溫差及溫差變化過程中外在的約束作用，其中溫差［2］主要包括基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差，這三種溫差在拱壩設(shè)計(jì)和施工中受到普遍重視，采取各種措施進(jìn)行控制。除上述三種溫差外，還存在其它溫度差異，如目前在特高拱壩中，300 m級(jí)特高拱壩壩體中下部厚度一般在50 m以上，壩段寬度一般在20～25 m，倉塊面積達(dá)1000～1200 m2。在此情況下，每一澆筑倉需要布置多根冷卻水管，混凝土在通水過程中，熱量被冷卻水管帶走，距水管越近溫度下降越快，每一澆筑倉不同區(qū)域平均溫度存在差異是必然的。傳統(tǒng)拱壩測溫是在典型壩段典型高程埋設(shè)少量永久溫度計(jì)，壩體溫度依靠悶溫檢測成果，該溫度能夠反映大壩澆筑倉塊整體溫度，但無法給出內(nèi)部各區(qū)域之間溫度差異。目前大壩施工中，為滿足智能和安全控制，壩體各壩段各倉均埋設(shè)溫度計(jì)，同時(shí)布設(shè)分布式光纖［3］等線式溫度計(jì)，可以對大壩各倉溫度分布和變化規(guī)律有比較全面和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。西南幾座高拱壩施工期監(jiān)測資料表明，同倉溫度存在差異的現(xiàn)象是普遍的，一般一倉混凝土根據(jù)冷卻水管布置可分為上中下游三個(gè)區(qū)，各區(qū)之間溫度差異最大可達(dá)到6～8℃，一般也有2～3℃，該溫度差異會(huì)對大壩應(yīng)力產(chǎn)生影響［4］。針對同倉溫度差異及影響問題，朱伯芳［5］分析了小灣拱壩同倉溫度上中下三區(qū)分批冷卻溫度差異3℃對應(yīng)力的影響，結(jié)果表明上下游溫度梯度會(huì)帶來附加拉應(yīng)力，最大約0.35 MPa，遠(yuǎn)小于二冷及高度方向溫差帶來的拉應(yīng)力。除此以外，因監(jiān)測條件等限制，對同倉混凝土溫差分布及量值的認(rèn)識(shí)并不十分清楚，對相應(yīng)溫度應(yīng)力的研究也不充分［6］，目前實(shí)際澆筑過程中同倉上下游溫度控制缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)。

本文以我國西南某特高拱壩為例，針對典型倉塊冷卻水管埋設(shè)及溫度監(jiān)測資料進(jìn)行分析，定性判斷大壩混凝土同倉溫差原因，在此基礎(chǔ)上，采用有限元方法定量研究不同溫差形式、不同溫差大小對倉塊應(yīng)力的影響，為拱壩施工過程中的溫控防裂提供技術(shù)支撐。

2 某混凝土拱壩通水冷卻概況

2.1 工程概況西南某水電站位于四川會(huì)東縣和云南祿勸縣交界的金沙江河道，電站以發(fā)電為主，水電站裝機(jī)容量1000 MW，總庫容58.63億m3，水電站壩址樞紐建筑物由混凝土雙曲拱壩、地下廠房、左岸泄洪洞等組成。混凝土拱壩壩頂高程988 m，最大壩高270 m，拱冠梁頂厚9.95 m，底厚45.45 m，厚高比0.172，壩頂上游面弧長325.67 m，弧高比1.23。壩體設(shè)橫縫不設(shè)縱縫，共分15個(gè)壩段，橫縫設(shè)接縫灌漿，陡坡壩段岸坡設(shè)接觸灌漿，壩身共布置5個(gè)表孔6個(gè)中孔，混凝土總方量約273萬m3。

2.2 水管布置及溫度計(jì)埋設(shè)為滿足拱壩有關(guān)溫控標(biāo)準(zhǔn)和智能通水要求，拱壩各澆筑倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管和數(shù)字式溫度計(jì)。圖1分別為典型澆筑倉平面方向與垂直方向上的冷卻水管與溫度計(jì)布置示意圖，整壩大部分采取該種布置形式，冷卻水管采用高密度乙烯冷卻水管，單根長度不超過250 m，冷卻水管埋設(shè)間距一般為1.5 m×1.5 m，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，同一高程多根冷卻水管由一根主管供水，冷卻水經(jīng)另一主管引出，由于主管與多根冷卻水管的連接部位均位于澆筑倉內(nèi)部，即形成壩內(nèi)“一拖多”的水管布置形式；大壩混凝土各倉均埋設(shè)施工期溫度計(jì)進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫度測量，溫度計(jì)埋設(shè)于兩層冷卻水管中間的上中下游區(qū)域（約長度方向1/4點(diǎn)），在鋼筋密集區(qū)等特殊部位適當(dāng)增加溫度計(jì)。

圖1 水管及溫度計(jì)埋設(shè)

3 典型倉塊溫度監(jiān)測分析

表1 澆筑倉上下游溫度計(jì)讀數(shù)（上游/中游/下游，單位：℃）

表1為大壩不同壩段不同倉塊四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上中下游區(qū)域溫度統(tǒng)計(jì)情況，各倉塊在9月10日左右溫度普遍在22～25℃之間，基本達(dá)到初冷目標(biāo)溫度，同一倉混凝土不同區(qū)域最大差異約3℃，為7#-0009倉；隨著中期冷卻和二期冷卻的進(jìn)行，各倉塊不同區(qū)域溫度普遍下降，但下降幅度存在差異，至11月20日，最大溫差約5.5℃，出現(xiàn)在5#-0004倉。在空間分布上，上游區(qū)溫度一般偏高，下游和中游溫度相對較低，但也有上游區(qū)溫度偏低情況存在?？傮w來看，上游溫度高中下溫度低、中部溫度高上下游溫度低、下游溫度高中上溫度低等幾種形式均有存在。

圖2為典型倉塊溫度監(jiān)測曲線，可知：（1）同倉混凝土溫度變化總體趨勢相同，升溫和降溫階段基本一致；（2）相同時(shí)間內(nèi)不同區(qū)域混凝土溫度變化幅度存在一定差異，造成同倉混凝土溫度差異；（3）個(gè)別溫度計(jì)測值波動(dòng)較大，與其它溫度計(jì)差別明顯。

圖2 典型溫度計(jì)測值過程線

圖3 通水流量與溫度計(jì)讀數(shù)過程曲線

基于以上監(jiān)測溫度分布和變化規(guī)律，結(jié)合冷卻水管和溫度計(jì)埋設(shè)情況，可知：（1）溫度計(jì)埋設(shè)位置距冷卻水管距離不一致會(huì)使得溫度測值存在偏差。溫度計(jì)均要求埋設(shè)于兩層冷卻水管中間位置，即垂直方向和平面方向均位于冷卻水管中間位置，以該位置溫度代表倉塊該區(qū)域溫度。但實(shí)際施工過程中，埋設(shè)位置存在偏差難以避免。在溫度計(jì)距冷卻水管較近時(shí)，溫度測值會(huì)受到冷卻通水過程影響，導(dǎo)致溫度偏低且波動(dòng)性較大，不能反映該區(qū)域混凝土溫度，使得同倉溫度出現(xiàn)較大差異。圖3為某倉通水流量曲線與溫度過程曲線圖，在通水階段，溫度曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，存在0.5℃左右的波幅，可以推測該溫度計(jì)埋設(shè)位置過于靠近冷卻水管，受通水影響明顯。（2）倉塊上游側(cè)較中下游寬，等長水管形成的彎形水管數(shù)量不同，各支管的水流阻力也會(huì)有所差別，一拖三的水管布置形式造成在上中下游側(cè)流量不均勻。其次，冷卻水管的擠壓變形甚至破壞也會(huì)導(dǎo)致流量在各支管分配不均勻，從而造成同倉溫差的出現(xiàn)。表1中各時(shí)間點(diǎn)上中下游溫度計(jì)讀數(shù)表明最低溫度往往出現(xiàn)在中下游區(qū)域，上游區(qū)域未出現(xiàn)最低溫度，這與冷卻水管的進(jìn)出水口均布置在下游有一定關(guān)系。（3）在陡坡壩段基礎(chǔ)約束區(qū)，澆筑倉側(cè)面與基巖接觸，溫度計(jì)一般埋設(shè)于倉塊中軸線位置，上下游溫度計(jì)與基巖的距離不一致，基巖溫度普遍偏高，在22～24℃之間，溫度計(jì)受到基礎(chǔ)溫度影響也會(huì)有所差別，如圖4所示。

圖4 陡坡壩段澆筑倉溫度計(jì)平面位置

4 溫度差異對應(yīng)力影響分析

4.1 計(jì)算模型和參數(shù)以該拱壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑倉為例，分析同倉溫差對應(yīng)力影響程度，計(jì)算混凝土和基巖主要熱力學(xué)參數(shù)見表2。倉塊有限元模型見圖5，倉塊中不同顏色部分表示澆筑倉上中下游區(qū)域，對不同區(qū)域調(diào)整通水流量以模擬溫差對壩體的應(yīng)力影響?；娴酌嫒蚬潭?，側(cè)面軸向約束共計(jì)62 060個(gè)節(jié)點(diǎn)，56 032個(gè)單元。

表2 主要熱力學(xué)參數(shù)

圖5 仿真分析模型

4.2 計(jì)算工況和軟件上下游溫差的存在帶來了附加拉應(yīng)力，為了準(zhǔn)確計(jì)算此溫度荷載，本文考慮了上下游溫差的不同分布形式以及溫差大小，計(jì)算工況見表3，仿真計(jì)算利用中國水利水電科學(xué)研究院獨(dú)立自主開發(fā)的結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性軟件Saptis［7-8］，SAPTIS歷經(jīng)30年的“開發(fā)—應(yīng)用—再開發(fā)—再應(yīng)用”過程，是一款成熟的大型混凝土全過程、全要素仿真分析平臺(tái)，已應(yīng)用于錦屏［9］、小灣［10］、溪洛渡、大崗山等多個(gè)大型工程。

仿真分析過程中，混凝土澆筑溫度為16℃，初期冷卻目標(biāo)溫度均控制為24℃左右，中后期通水冷卻開啟及結(jié)束時(shí)間均保持一致，通過控制倉塊上中下游流量來調(diào)節(jié)不同的二冷結(jié)束溫度，以滿足各工況計(jì)算需求。

表3 計(jì)算工況 （單位：℃）

4.3 不同溫差形式對應(yīng)力影響溫差為5℃的6種溫差形式下的應(yīng)力情況見表4，各工況均在順河向方向出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，圖6～圖12為順河向應(yīng)力最大時(shí)工況1～工況7順河向應(yīng)力等值線圖。

表4 各工況最大拉應(yīng)力

圖6 工況1順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖7 工況2順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖8 工況3順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖9 工況4順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖10 工況5順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖11 工況6順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

圖12 工況7順河向應(yīng)力等值線圖（MPa）

從表中可以看出：（1）順河向應(yīng)力，無溫差工況下順河向應(yīng)力量值居于各工況中間水平，上下波幅0.1 MPa左右，中間區(qū)域溫度最低產(chǎn)生的應(yīng)力最大，下游平均拉應(yīng)力次之，上游區(qū)域最小。工況4上中下游的溫差形式15/13/18℃，拉應(yīng)力最大，為1.295 MPa；工況3上中下游的溫差形式13/18/15℃，拉應(yīng)力最小，為1.078 MPa，兩者相差20%。（2）橫河向應(yīng)力，溫差存在工況下橫河向應(yīng)力均大于無溫差工況橫河向應(yīng)力為0.619 MPa，澆筑倉上游溫度最低的溫差分布形式產(chǎn)生的橫河向應(yīng)力最大，其次是中部和下游，最大0.899 MPa，最小0.643 MPa，兩者相差40%。由于澆筑倉在順河向尺度大于橫河向，無溫差工況順河向應(yīng)力大于橫河向，導(dǎo)致溫差形式不同所產(chǎn)生的附加應(yīng)力對橫河向應(yīng)力的影響程度大于順河向。

以應(yīng)力量值較大的順河向應(yīng)力為例，從各工況順河向應(yīng)力等值線圖可以看到：（1）各種工況下順河向應(yīng)力分布的基本規(guī)律為倉塊中間區(qū)域出現(xiàn)最大順河向應(yīng)力，向上下游兩側(cè)減小。這主要由于上下游面均為臨空面，順河向基本處于零應(yīng)力狀態(tài)，中間區(qū)域混凝土收縮變形收到上下游兩側(cè)混凝土的強(qiáng)約束作用。（2）無溫差工況與其它溫差存在工況的對比可以得出，順河向應(yīng)力分布主要表現(xiàn)為中部應(yīng)力大，上下游兩側(cè)小的基本應(yīng)力規(guī)律，但溫差分布形式對應(yīng)力分布也有一定程度的影響，主要體現(xiàn)在應(yīng)力較大位置會(huì)向溫度較低的區(qū)域有一定的偏移，使得上下游應(yīng)力梯度發(fā)生改變。（3）在6種溫差分布形式中，中間區(qū)域溫度最低的溫差分布形式產(chǎn)生的順河向應(yīng)力最大，這是因?yàn)橹虚g溫度最低時(shí)，混凝土變形收到的約束最強(qiáng)，使得中間部位順河向應(yīng)力最大。

4.4 不同溫差大小對應(yīng)力影響溫差大小對拉應(yīng)力影響明顯，不同的溫差大小對同一區(qū)域意味著溫度梯度的不同，溫差越大，所形成的溫度梯度也就越大，最終拉應(yīng)力也就越大。下面分別仿真計(jì)算了倉塊上中下游溫度為13/18/18℃、13/15/18℃、13/13/18℃的3種工況，即中下游形成的溫差分別為0℃、3℃、5℃。

表5 各工況最大拉應(yīng)力

圖13 中下部溫差為0℃（MPa）

圖14 中下部溫差為3℃（MPa）

圖13～圖15為3種工況下順河向及橫河向拉應(yīng)力等值線圖。由圖可知：（1）各種工況下順河向應(yīng)力分布的基本規(guī)律為倉塊中間區(qū)域出現(xiàn)最大順河向應(yīng)力，向上下游兩側(cè)減小。（2）溫差大小對中下游區(qū)域順河向應(yīng)力分布規(guī)律也有一定影響，溫差越大，最大順河向應(yīng)力越大，同時(shí)中部與上下游的應(yīng)力梯度也就越大。這與整個(gè)中下游區(qū)域溫度的降幅有關(guān)，溫差越大意味著在下游溫度不變的前提下，中部溫度越低，中部溫度降幅越大，所引起的拉應(yīng)力也就越大，由于上下游面零應(yīng)力狀態(tài)的存在，中間部位順河向應(yīng)力的增大必將導(dǎo)致應(yīng)力梯度的增大。（3）在不同溫差大小情況下，橫河向應(yīng)力變化規(guī)律與順河向類似，橫河向最大應(yīng)力分布于倉塊上游部分中間位置，其原因在于倉塊上游橫河向方向尺度最大且溫度最低。在中下部溫差增大的情況下，溫度最低的中間部位橫河向應(yīng)力逐步增大，由于整體倉塊最大橫河向應(yīng)力位于上游區(qū)域，所以中下游溫差的增大直接體現(xiàn)為從中下游應(yīng)力近似均勻分布到應(yīng)力梯度的逐步增大。

圖15 中下部溫差為5℃（MPa）

圖16 中點(diǎn)順河向應(yīng)力過程線

由表5可以看出，0℃、3℃、5℃所形成的最大順河向拉應(yīng)力分別為0.948 MPa、1.139 MPa、1.345 MPa。取同一點(diǎn)即中軸線中點(diǎn)位置，應(yīng)力分別為0.77 MPa、1.09 MPa、1.28 MPa；溫差每增大2～3℃，順河向應(yīng)力增大0.2～0.3 MPa左右。圖16為倉塊中軸線中點(diǎn)3種工況下的過程線，拉應(yīng)力的增長符合一般規(guī)律，溫差越大，順河向最大拉應(yīng)力越大。從橫河向應(yīng)力來看，只考慮中下游橫河向應(yīng)力變化，中軸線中點(diǎn)位置應(yīng)力分別為0.17 MPa、0.49 MPa、0.68 MPa；溫差每增大2～3℃，橫河向應(yīng)力同樣增大0.2～0.3 MPa左右。

5 結(jié)論

本文研究了拱壩澆筑過程中混凝土同倉溫差問題，利用SPATIS軟件對基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)澆筑倉進(jìn)行不同溫差形式及溫差大小等工況的仿真分析，本文得出如下結(jié)論：（1）同倉溫差測值較大原因，一是溫度計(jì)埋設(shè)距冷卻水管距離不同帶來的監(jiān)測數(shù)值上的偏差，二是冷卻水管長度不同、施工過程中擠壓變形不同等導(dǎo)致流速流量差異從而引起的溫度差異。因此，在實(shí)際工程中為避免同倉溫差的出現(xiàn)，建議：對各支管流量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，而不僅僅是只對主管流量進(jìn)行控制；溫度計(jì)埋設(shè)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和施工，確保埋設(shè)位置一致。在一些倉塊出現(xiàn)溫差較大情況下，通過仿真分析可以得到比較準(zhǔn)確的應(yīng)力估計(jì)，采取“小流量、持續(xù)通水”的策略，能夠避免不利情況的產(chǎn)生。（2）溫差分布的形式對整體應(yīng)力分布規(guī)律有一定影響，主要體現(xiàn)在應(yīng)力最大值點(diǎn)會(huì)向溫度較低的區(qū)域有一定的偏移，使得上下游應(yīng)力梯度發(fā)生改變。（3）最大溫差為5℃的上中下游不同溫差分布導(dǎo)致的順河向拉應(yīng)力最大和最小分別為1.295、1.078 MPa，相差約20%，橫河向拉應(yīng)力最大和最小分別為0.899、0.643 MPa，相差約40%，溫差對橫河向應(yīng)力的影響大于順河向應(yīng)力。中部溫度最低的15/13/18℃溫差分布形式對順河向最為不利，形成的最大順河向拉應(yīng)力為1.295 MPa；上游溫度最低的13/18/15℃溫差分布形式對橫河向最為不利，形成的最大橫河向應(yīng)力為0.899 MPa。（4）相同溫差形式下，在最小溫度降幅一定時(shí)，溫差增大2～3℃，順河向及橫河向應(yīng)力增大約0.2～0.3 MPa，引起不同溫差大小情況下應(yīng)力梯度不同。