余志華，羅志祥，卜飛翔，王子健，強 晟

（1.杭州市臨安區(qū)水利水電局，浙江 杭州 311300；2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098；3. 浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310002）

0 引 言

在拱壩建設(shè)中，為追求提前蓄水發(fā)電或防洪等產(chǎn)生的效益，往往要求加快大壩施工速度，縮短施工總工期?！斑厺策吂唷笔且环N可采用的拱壩快速施工方式，在此工況下，拱壩上部新混凝土澆筑及其一期冷卻與下部老混凝土二期冷卻同時進行。如何確保此工況下拱壩混凝土不開裂，能夠又快又好地進行混凝土壩建設(shè)是工程界長期關(guān)注的問題[1]。

研究表明，溫度應(yīng)力是由溫差導(dǎo)致的變形受約束產(chǎn)生的[2-3]。上下層混凝土不同步冷卻會產(chǎn)生上下層約束，在靠近冷卻區(qū)上部或下部會出現(xiàn)最大應(yīng)力[4]，容易產(chǎn)生內(nèi)部裂縫，影響大壩安全。在實際工程中，需要選取合適的溫降速率，使上下層混凝土在高度方向形成合理的溫度梯度[5-6]，協(xié)調(diào)控制好各澆筑塊的溫降收縮變形，避免出現(xiàn)危害性裂縫。在目前常用的澆完再灌方式中，上下澆筑層溫度梯度的控制難度相對較小，但施工總工期較長。如采用總工期更短的邊澆邊灌方式，溫度梯度的控制難度更大，需要專門研究后提出更具有針對性、更精細化的控制方案。

某在建水庫的擋水建筑物為混凝土拱壩，最大壩高74.50 m，壩長240.18 m，壩頂寬度7.00 m，拱冠梁底寬30.60 m。為加快施工進度，計劃上部澆筑塊進行一期冷卻的同時，下部老澆筑塊進行二期冷卻，以實現(xiàn)下部盡早灌漿封拱。在水泥水化熱和新老混凝土相互約束、共同作用下，壩體很有可能會出現(xiàn)裂縫，危及工程樞紐建筑的安全與穩(wěn)定。

因此，本文建立完整壩體三維有限元模型，采用非穩(wěn)定溫度場和應(yīng)力場的仿真計算理論與方法[7]，對比分析澆完再灌與多種邊澆邊灌方案中壩體混凝土的溫度及應(yīng)力情況，提出邊澆邊灌工況下相對較優(yōu)的溫控防裂方案，可為類似的工程問題提供參考和借鑒。

1 計算模型和計算條件

1.1 計算模型及參數(shù)

對完整拱壩的15 個壩段及其橫縫、周圍山體、基巖建立三維有限元模型，Z軸豎直向上，河谷最低處Z=180，X軸指向水流方向，Y軸按右手螺旋法則指向左岸，共計246 243 個單元，274 477 個節(jié)點，三維數(shù)值計算模型見圖1。

圖1 三維數(shù)值計算模型圖

進行溫度場仿真計算時，地基的四周和底面設(shè)為絕熱邊界，上表面為散熱邊界；混凝土澆筑塊縫面未被相鄰結(jié)構(gòu)覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界；其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場仿真計算時，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界[8]。

拱壩壩體為C20W8F50 混凝土，溢流面和閘墩為C30W6F100 混凝土。壩體混凝土和基巖的熱力學(xué)參數(shù)見表1，混凝土絕熱溫升曲線見圖2。本文的熱學(xué)計算參數(shù)來源于該工程實測溫度數(shù)據(jù)的反演，力學(xué)計算參數(shù)來源于室內(nèi)力學(xué)試驗。

表1 大壩混凝土和基巖熱力學(xué)參數(shù)表

圖2 大壩混凝土絕熱溫升曲線圖

1.2 特征點

為顯示典型關(guān)鍵位置的溫度和應(yīng)力隨齡期的發(fā)展過程，選取長澆筑間隔澆筑塊內(nèi)部特征點1 和強約束區(qū)澆筑塊內(nèi)部特征點2 作為典型特征點進行分析（見圖3）。

圖3 特征點示意圖

1.3 計算工況

為探究邊澆邊灌工況下相對較優(yōu)的溫控防裂方案，進行若干工況的對比分析，本文選取其中5 個典型工況。其中工況1 為澆完再灌工況，工況2～5為不同的邊澆邊灌工況。

工況1：分為3 個冷卻區(qū)，每個冷卻區(qū)高約24 m。2021 年冬季開始施工，2023 年春季全壩澆筑到頂；2023—2024 年秋冬季開始先后對3 個冷卻區(qū)進行二冷，以0.50 ℃/d 的溫降速率將溢流面以下冷卻至13 ℃，溢流面以上冷卻至14 ℃；2024 年春季全壩陸續(xù)封拱，2024 年夏季蓄水到校核洪水位。

工況2：澆筑進度同工況1，但二期冷卻和封拱灌漿時間提前。2022 年11 月將第一冷卻區(qū)以0.50 ℃/d 的溫降速率降至14 ℃，隨后封拱，上部壩體繼續(xù)上升；2023 年初以相同的速率對第二冷卻區(qū)進行二期冷卻后封拱，上部壩體繼續(xù)上升；2023 年春季開始蓄水至壩體中下部并產(chǎn)生城鄉(xiāng)供水效益；2023—2024 年冬季對第三冷卻區(qū)以0.50 ℃/d 的溫降速率降至16 ℃，隨后封拱；2024 年夏季蓄水至校核洪水位。

工況3：在工況2 基礎(chǔ)上，延長一冷時間，進行長達數(shù)月的緩慢溫降，第二冷卻區(qū)的一冷長期溫降速率為0.20 ℃/d，降至約24 ℃。2022 年11 月，同時開始第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)的二冷，溫降速率為0.25 ℃/d。

工況4：在工況3 基礎(chǔ)上，第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)的二冷溫降速率減小至0.12 ℃/d，第三冷卻區(qū)的一冷溫降速率調(diào)整為1.00 ℃/d，降至20 ℃，二冷溫降速率調(diào)整為0.25 ℃/d。

工況5：在工況4 基礎(chǔ)上，將第一冷卻區(qū)和第二冷卻區(qū)分3 期冷卻。一冷降至24 ℃后，中期冷卻以0.20 ℃/d 降至19 ℃，間隔1 個月開始三冷，以0.20 ℃/d 降至15 ℃。第三冷卻區(qū)以0.10 ℃/d 降至17 ℃。

2 計算結(jié)果

在仿真分析中，溫度和應(yīng)力的最大值及其出現(xiàn)的時間、部位是觀察重點。因此，本文采用典型剖面的溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖，以及特征點的溫度和應(yīng)力歷時曲線進行表達，以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

圖4 為澆完再灌工況（工況1）仿真計算中典型壩段豎直切面溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖，圖5～6 為各工況特征點1 和2 的溫度、應(yīng)力歷時曲線圖，圖7 為工況5 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖。

圖4 工況1 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖

圖5 不同工況特征點1 和2 溫度歷時曲線圖

圖6 不同工況特征點1 和2 應(yīng)力歷時曲線圖

圖7 工況5 溫度、應(yīng)力包絡(luò)圖

由圖4 可見，在204.00～228.00 m 高程（第二冷卻區(qū)）處，因2022 年夏季氣溫異常高，澆筑塊內(nèi)部最高溫度近50 ℃，工況1 相應(yīng)的內(nèi)部最大拉應(yīng)力超過2.0 MPa（極限抗拉強度）。壩體不同部位很可能會出現(xiàn)貫穿性裂縫、深層裂縫和表面裂縫，特別是曾經(jīng)出現(xiàn)歷史高溫的部位。

分析圖5～6，工況1、2 的特征點應(yīng)力歷時曲線表明，在邊澆邊灌過程中以較大速率進行二期冷卻，特征點1 的拉應(yīng)力增幅達到1.3 MPa，會超過抗拉強度；工況3、4 中，對第二冷卻區(qū)的澆筑塊進行長時間緩慢的一冷后，二冷期間溫降速率越小，澆筑塊的應(yīng)力也越??；工況5 將二冷分2 期進行，中間停止冷卻1 個月，略有利于減小拉應(yīng)力，拉應(yīng)力相較工況4 下降約0.1 MPa。

圖5 ～7 表明，延長一期冷卻時間并盡早進行緩慢的二期冷卻，可以使大部分澆筑塊在二冷結(jié)束時的應(yīng)力滿足強度要求，不再存在貫穿性和深層的拉應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域；最終雖有少部分澆筑塊的表面拉應(yīng)力仍然略超過抗拉強度，但這與異常氣候?qū)е碌臍v史最高溫有關(guān)，現(xiàn)有措施已經(jīng)使得開裂危害最小化。

根據(jù)工程現(xiàn)場提供的信息，截至2023 年3 月，該拱壩下部冷卻區(qū)已完成封拱灌漿，中部冷卻區(qū)正在灌漿，各監(jiān)測點數(shù)據(jù)正常，為提前分階段蓄水提供了保障。

3 結(jié) 論

1）與邊澆邊灌方案相比，澆完再灌方案二冷前壩體溫度自然緩慢降至較低，且上、下灌漿區(qū)的溫度更均衡，相互約束更小，壩體二冷之前的拉應(yīng)力累積較少，其大部分區(qū)域在二期冷卻期間的安全性高于邊澆邊灌方案。因此，邊澆邊灌方案更易致裂。

2）邊澆邊灌方案中，一期冷卻速度不宜太快，需要與周圍相鄰澆筑塊的溫度相協(xié)調(diào)，形成合理的溫度梯度，避免澆筑塊在一冷期間出現(xiàn)裂縫。

3）二冷越慢越有利于減小拉應(yīng)力增幅。將邊澆邊灌方案中的二冷分2 期進行，中間停止冷卻1 個月，使溫度梯度更加緩和，略有利于減小拉應(yīng)力。

4）邊澆邊灌方案中，當(dāng)采用更嚴(yán)格的溫降速率（溫度的時間梯度）和相鄰澆筑塊溫差（溫度的空間梯度）時，可將壩體大部分區(qū)域的拉應(yīng)力控制在抗拉強度范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)保證防裂安全前提下的拱壩快速施工。