林建濱，羅福生，郝二峰，黃達(dá)海，皇甫澤華

（1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191；2.河南省水利第二工程局，河南鄭州450016；3.前坪水庫建設(shè)管理局，河南鄭州450003）

冬季保溫是嚴(yán)寒地區(qū)大壩混凝土施工的關(guān)鍵［1-3］,越冬期間混凝土施工是否停工一直是建設(shè)者反復(fù)論證的問題。豐滿大壩所在地區(qū)冬季氣溫極低,每年低溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)五六個(gè)月,專家們經(jīng)過論證決定中止施工,對(duì)已澆混凝土進(jìn)行越冬保溫。業(yè)主單位、施工單位及科研單位對(duì)保溫方法、保溫材料、保溫厚度、保溫起止時(shí)間等取得了共識(shí)［4］,但是保溫的實(shí)際效果如何,需要系統(tǒng)全面地監(jiān)測(cè)。過去,工程上長(zhǎng)期依賴的人工點(diǎn)式溫度計(jì)測(cè)溫方式存在測(cè)量點(diǎn)稀疏、數(shù)據(jù)有限、代表性不強(qiáng),測(cè)量時(shí)間間隔長(zhǎng)（通常每隔幾小時(shí)測(cè)量一次)、難以捕捉到最不利時(shí)刻,易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)記、漏記等問題,而利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè),可解決上述問題。

1 工程概況與保溫措施

在建的豐滿新壩位于吉林省吉林市,在1937年始建的豐滿老壩下游120 m處,壩址多年平均氣溫在5℃以下,極端最高氣溫為37℃,極端最低氣溫低于-40℃,冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。

在嚴(yán)寒地區(qū)修建大壩,往往夏季澆筑混凝土,冬季停工,大壩基礎(chǔ)溫差、上下層溫差、內(nèi)外溫差巨大［5］。豐滿新壩主體采用碾壓混凝土,上下游防滲面、廊道等部位采用變態(tài)混凝土,每年10—11月至來年3—4月為冬歇期,暫停施工。

碾壓混凝土水化熱反應(yīng)緩慢［6］,冬季停工前澆筑的混凝土成熟度低、強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,較大的內(nèi)外溫差容易使越冬面混凝土開裂［7］,因此應(yīng)采用越冬面保溫的方法,保證大壩安全平穩(wěn)度過越冬期 。

按照豐滿大壩越冬保溫設(shè)計(jì)要求,大壩保溫等效放熱系數(shù)β≤29.79 kJ/（m2·d·℃),大壩越冬面采用臨時(shí)保溫措施,頂面保溫材料自下而上為：1層0.6 mm塑料薄膜,2層2 cm聚乙烯保溫被,13層2 cm棉被,1層三防帆布。實(shí)際保溫施工中,采用的是1層0.6 mm塑料薄膜,9層2 cm厚橡塑海綿,1層三防帆布,并且在大壩上下游及側(cè)面設(shè)置0.8 m高沙袋防風(fēng)墻以減小風(fēng)速對(duì)保溫效果的影響［9］。上下游面及側(cè)面壩頂以下3 m處采用的是2層8 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板。

2 仿真分析

對(duì)保溫效果進(jìn)行仿真分析,可以檢驗(yàn)保溫方案的合理性,尤其是調(diào)整了保溫措施、實(shí)際施工方案與設(shè)計(jì)方案不一致的情況下,更需要分析保溫效果,為越冬期間可能出現(xiàn)的各種狀況做理論準(zhǔn)備。

2.1 模型信息

依據(jù)在建的豐滿新壩33＃壩段對(duì)大壩模型幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化以方便建模。2016年10月最后一倉混凝土澆筑完畢后進(jìn)入冬歇,33＃壩段高程達(dá)到220 m,即從壩基到越冬面高度約30 m。以大壩左右岸、上下游及高程方向分別為x、y、z軸,基巖在高度及上下游方向各延伸120 m。基巖四周及壩體左右側(cè)面為絕熱邊界,基巖溫度設(shè)為恒定值,表面為第三類邊界,大壩有限元模型如圖1所示。

圖1 大壩有限元模型

仿真計(jì)算與大壩設(shè)計(jì)、施工方案結(jié)合,根據(jù)施工進(jìn)度設(shè)置混凝土澆筑計(jì)劃,混凝土入倉溫度采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值。環(huán)境氣溫采用多年氣溫觀測(cè)值,根據(jù)時(shí)間的變化用三角函數(shù)公式計(jì)算：

式中：T為環(huán)境氣溫；τ為時(shí)間。

2.2 混凝土材料參數(shù)與澆筑計(jì)劃

2.2.1 材料參數(shù)

大壩內(nèi)部主體采用碾壓混凝土,上下游防滲面和局部地方采用變態(tài)混凝土。豐滿大壩混凝土和基巖的熱學(xué)參數(shù)取值及絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 材料熱學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 澆筑進(jìn)度計(jì)劃

為準(zhǔn)確模擬及預(yù)測(cè)冬季保溫效果,混凝土澆筑進(jìn)度計(jì)劃設(shè)置與實(shí)際施工時(shí)間相同,見表2。保溫時(shí)間設(shè)置為2016年10月20日至2017年3月31日,等效放熱系數(shù)β≤29.79 kJ/（m2·d·℃)。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示。201～216 m高程的壩體中部最高溫度達(dá)29℃。大壩內(nèi)部混凝土溫度在整個(gè)冬季較穩(wěn)定,無明顯變化。保溫材料下混凝土表面溫度呈現(xiàn)中間高、兩邊低的分布規(guī)律。越冬面中部溫度總體較為均勻,但應(yīng)特別關(guān)注上下游面及側(cè)面等棱角處,這些部位屬于雙向散熱,熱量損失快,溫度較低,易引起開裂。33＃壩段上、中、下游3個(gè)特征點(diǎn)溫度變化情況見圖3。

表2 混凝土澆筑進(jìn)度計(jì)劃

圖2 保溫效果仿真計(jì)算結(jié)果（單位：℃)

圖3 保溫材料內(nèi)混凝土表面溫度及內(nèi)外溫差變化情況

從臨時(shí)保溫施工開始至保溫材料揭除,混凝土表面溫度變化主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：覆蓋保溫材料后,隨混凝土水化熱不斷進(jìn)行,混凝土表面溫度快速上升,隨著溫度升高,上升速率變緩,直至放熱速率和散熱速率持平,混凝土表面達(dá)到最高溫；隨著冬季氣溫逐漸變冷,混凝土水化熱速率減緩,溫度開始緩慢下降,一直持續(xù)到2月中旬；之后環(huán)境溫度回升,混凝土表面溫度趨于穩(wěn)定或略有上升。

冬歇期在保溫材料揭除前,混凝土表面溫度始終在0℃以上。溫度上升階段,上、中、下游上升到最高溫所需時(shí)間不同,分別為15、34、19 d,最高溫分別為14.5、21.3、17.8℃。溫度上升至最高后,在整個(gè)漫長(zhǎng)的冬季,上、下游混凝土表面溫度逐漸降低,尤其是上游棱角處保溫材料揭除前已接近0℃,而中游混凝土表面溫度則相對(duì)穩(wěn)定,降溫幅度低于3℃。在保溫期間,上游棱角溫度下降最快而與中游交界處溫度下降緩慢,二者溫差逐漸增大,最大溫差可達(dá)20℃,由此可見,上、下游棱角處的雙向散熱情況對(duì)混凝土保溫極為不利。與上游垂直的棱角相比,下游鈍角形棱角雙向散熱情況嚴(yán)重程度較輕。因此,大壩越冬保溫應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注上、下游及側(cè)面,防止溫度過低而開裂。

總體而言,預(yù)測(cè)整個(gè)越冬期保溫被內(nèi)溫度均在0℃以上,日均降溫幅度極小,保溫被內(nèi)外溫差與環(huán)境溫度先降后升相反,為先升后降,最大內(nèi)外溫差可達(dá)35℃,在施工質(zhì)量有保障的情況下,大壩越冬保溫方案可行。

3 監(jiān)測(cè)效果對(duì)比分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

溫控監(jiān)測(cè)采用分布式光纖遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)［10］,該測(cè)溫系統(tǒng)包括測(cè)溫光纖、DTS測(cè)溫主機(jī)、電腦及配套軟件、無線上網(wǎng)設(shè)備等（如圖4所示)。其中感應(yīng)溫度的“神經(jīng)”——測(cè)溫光纖可埋設(shè)在混凝土內(nèi)部及敷設(shè)在保溫材料下,通過DTS測(cè)溫主機(jī)、電腦及配套軟件可將測(cè)得的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù),而無線上網(wǎng)設(shè)備可將施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控電腦接入互聯(lián)網(wǎng),實(shí)時(shí)在線傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)方案示意

溫度監(jiān)測(cè)分為施工與運(yùn)行期混凝土溫控監(jiān)測(cè)和冬季停工期越冬面保溫效果監(jiān)測(cè)。夏季施工期間,測(cè)溫光纖與碾壓混凝土澆筑高程同步上升,每一倉混凝土高程中部埋設(shè)測(cè)溫光纖,可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)從施工到運(yùn)營(yíng)期大壩內(nèi)部混凝土溫度。冬季停工后,將測(cè)溫光纖敷設(shè)于越冬面表面,再覆蓋保溫材料。測(cè)溫光纖敷設(shè)方案見圖5。

圖5 測(cè)溫光纖敷設(shè)示意

3.2 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)相比,分布式光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有三方面優(yōu)勢(shì)：實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè),遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè),高密度監(jiān)測(cè)。

通過設(shè)置儀器測(cè)量時(shí)間可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè),測(cè)溫主機(jī)測(cè)量頻率極高,每?jī)纱螠y(cè)量時(shí)間間隔可小于10 s；與測(cè)溫主機(jī)連接的電腦上加裝無線上網(wǎng)設(shè)備,并安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,可在任何有互聯(lián)網(wǎng)的地方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行操控,還可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳；測(cè)溫主機(jī)發(fā)射激光,通過光纖回傳的光信號(hào),即可測(cè)定光纖任意點(diǎn)的溫度,故光纖所到之處均是監(jiān)測(cè)點(diǎn),可達(dá)到極高的監(jiān)測(cè)密度。

在保溫材料內(nèi)密集敷設(shè)測(cè)溫光纖,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩整個(gè)越冬面任何部位的保溫效果。當(dāng)寒潮來臨、局部保溫施工不可靠、保溫材料受潮導(dǎo)致保溫效果降低等引起的混凝土表面或局部（或大面積)溫度驟降,均可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),定位保溫薄弱點(diǎn),以便采取緊急補(bǔ)救措施,防止冷季開裂。測(cè)溫光纖還具有耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)［11］,與大壩施工同步埋設(shè)在大壩內(nèi)部的測(cè)溫光纖可使用幾十年甚至上百年,實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)營(yíng)期間的全生命周期監(jiān)測(cè)。當(dāng)大壩出現(xiàn)裂縫時(shí),壩體滲漏、溫度較低的庫水滲流經(jīng)過測(cè)溫光纖時(shí)造成光纖局部溫度降低,通過定位,能夠準(zhǔn)確判定大壩裂縫位置［12］。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2016—2017年度大壩冬季越冬臨時(shí)保溫從2016年10月中旬開始施工,11月初全壩保溫施工完畢,保溫時(shí)間約5個(gè)月,從2017年3月中旬開始逐步逐層揭除保溫被,至4月初全部揭除。保溫效果監(jiān)測(cè)時(shí)間貫穿2016—2017年度冬歇期,自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為每10 min監(jiān)測(cè)一次,當(dāng)保溫被內(nèi)混凝土表面溫度驟降速度達(dá)5℃/d時(shí)可觸發(fā)報(bào)警。

3.3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)監(jiān)測(cè)及仿真結(jié)果,各選取33＃壩段上、中、下游3個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,見圖6。

圖6 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖6 中,實(shí)測(cè)溫度過程線（實(shí)線)與仿真所得溫度過程線（光滑虛線)相比較為粗糙,這與每日早晚溫差波動(dòng)及監(jiān)測(cè)儀器極小的系統(tǒng)誤差有關(guān),其中2016年11月16日—11月21日、2016年12月29日—2017年1月4日及2017年2月18日—3月10日因大壩現(xiàn)場(chǎng)停電及監(jiān)測(cè)房改移而無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯簩?shí)測(cè)溫度與仿真結(jié)果具有一致的變化趨勢(shì),且中游溫度＞下游溫度＞上游溫度,上、中、下游溫度差異與上、下游棱角雙向散熱及棱角形態(tài)有關(guān)；實(shí)測(cè)的上、中、下游溫度雖有一定差異,但與仿真結(jié)果的20℃溫差相比差異較小,約為5℃,溫度分布較均勻。由于實(shí)際保溫施工措施中,為了防止棱角效應(yīng),在上、下游棱角處約3 m范圍內(nèi)加強(qiáng)了保溫措施,保溫材料增厚一倍,且在上、下游和側(cè)面采用沙袋設(shè)置防風(fēng)墻,故棱角處保溫效果良好,實(shí)測(cè)溫度較仿真結(jié)果高。對(duì)此,在仿真計(jì)算模型上、下游棱角處增厚保溫材料,使仿真模型與實(shí)際保溫施工方案相同,所得結(jié)果見圖7,考慮到實(shí)際施工情況復(fù)雜,加強(qiáng)棱角保溫后的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)最大絕對(duì)溫差在2℃內(nèi),二者較為吻合。

圖7 上下游棱角加強(qiáng)保溫后的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.3.2 保溫施工時(shí)間對(duì)保溫效果的影響

值得注意的是,由于大壩越冬臨時(shí)保溫施工面積極大,從開始保溫施工到施工完畢歷時(shí)約20 d。不同壩段及不同部位保溫施工在時(shí)間上有前后差異,選取3個(gè)不同壩段越冬面中游處的特征點(diǎn),對(duì)比保溫施工時(shí)間差異對(duì)保溫效果的影響。3個(gè)特征點(diǎn)的保溫施工時(shí)間分別為2016年10月12日、2016年10月23日及2016年11月4日,溫度變化曲線見圖8。在溫度上升階段,保溫施工較早部位混凝土表面溫度峰值較高,特征點(diǎn)1最高溫度為22℃；保溫施工越晚,保溫被內(nèi)溫度峰值越低,特征點(diǎn)3保溫施工時(shí)間最晚,溫度僅上升至最高13.5℃。特征點(diǎn)1與特征點(diǎn)3保溫施工時(shí)間前后相差23 d,最大溫差8.5℃,即使后期溫度趨于穩(wěn)定后,依然相差2℃左右。因此在工期允許條件下,保溫施工越早,保溫效果越好。

圖8 不同保溫施工時(shí)間3個(gè)特征點(diǎn)的溫度變化情況

3.3.3 保溫效果評(píng)價(jià)

（1)在保溫監(jiān)測(cè)期間,外界環(huán)境氣溫總體先降后升,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),2016—2017年度冬歇期間極端低溫出現(xiàn)于2017年1月23日,為-25.35℃,此時(shí)保溫被內(nèi)混凝土表面溫度為13.45℃,內(nèi)外溫差達(dá)38.80℃。

（2)大壩越冬面上、下游及側(cè)面棱角處加強(qiáng)保溫措施得當(dāng),未出現(xiàn)溫度過低情況,在整個(gè)越冬保溫期間,溫度均在10℃以上。

（3)混凝土內(nèi)部溫度相對(duì)穩(wěn)定,大壩內(nèi)部距越冬面5 m處混凝土溫度為20～25℃,內(nèi)外溫度梯度約為2℃/m,符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

通過對(duì)豐滿大壩2016—2017年度冬歇期間越冬面臨時(shí)保溫效果的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè),并與仿真分析結(jié)果對(duì)比,得出如下結(jié)論：分布式光纖即使在室外氣溫-25～-30℃的情況下,也能正常測(cè)溫,這是我國(guó)首次將分布式光纖在極寒的氣溫條件下用于大壩混凝土溫度監(jiān)測(cè),具有較強(qiáng)的示范效應(yīng)；豐滿大壩施工采取的保溫措施效果良好,冬歇期間大壩混凝土表面溫度為13～16℃,混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度差別不大,保溫措施起到了防止混凝土表面開裂的作用；大壩越冬面上、下游及側(cè)面棱角處雙向散熱,上游棱角處與中游水平面相比溫度約低20℃,需加強(qiáng)對(duì)該處的越冬保溫,以防止受凍開裂；入冬前應(yīng)盡早進(jìn)行大壩保溫施工,保溫施工越早越冬期間保溫被內(nèi)溫度越高,保溫效果越好。