碾压混凝土坝大仓面碾压混凝土温度控制技术

碾压混凝土坝大仓面碾压混凝土温度控制技术

胡平

中国水利水电科学研究院结构材料所在大体积混凝土施工应力与温度控制方面的研究工作始于20世纪60年代，是国内进行混凝土高坝温控分析实力较强的单位，具有一支高水平的专业队伍。文革后水科院恢复建院，结构材料所组建了专门从事大体积混凝土温度应力与温度控制研究的专题组。1978年以来，参加本专题的研究人员先后有丁宝瑛、王国秉、黄淑萍、胡平、孙计平、岳耀真、朱绛、董福品、杨萍等。2003年以后，随着水科院体制的不断改革，温度控制研究的团队也在不断扩大重组，已经逐步形成了一个集院士、教高、高工、博士、研究生等研究人员与一体的高效研究团队，成为国内温控研究的重要力量。数十年来，在朱伯芳院士、丁宝瑛教授等老一辈科学家的带领下，中国水科院温控团队长期从事混凝土坝温控的理论研究和工程实践，主持和参与了国家七.五、八.五、九.五科技攻关、国家重大自然科学基金项目等研究工作，积累了丰富的经验，取得大量的研究成果。通过国家科技攻关项目和部重点项目的支撑，结合国内外近百座混凝土坝的科研工作的实践经验总结，获得了一系列有关混凝土坝的施工应力和温度控制方面的重要结论，取得了丰硕的研究成果，并广泛应用于实际工程中。

在数值分析技术方面，中国水利水电科学研究院结构材料所结合混凝土大坝（常态、碾压混凝土）尤其是高混凝土坝的温度场、温度应力特点，进行了深入的研究开发，取得了重大的突破，开发出一整套混凝土坝温度场、应力场仿真分析数值计算软件包，该软件包具有实验数据分析、水库水温分析、网格自动剖分（建模）、温度场仿真分析、应力场仿真分析、成果整理及分析、实测结果反馈分析等功能。经过多年的应用和不断完善，该软件包已具备正确模拟混凝土坝温度场与应力场所需的各种功能，众多仿真分析成果已得到实际工程的检验。近三十年来，经过不断的研发和完善，该软件包一直在国内处于领先水平，并且已广泛应用于国内外数十座大中型水电站工程，解决了许多工程技术难题，取得了积极的社会效益和良好的经济效益。其中“混凝土结构温控防裂研究全过程仿真计算软件包”和 “水库水温数值分析软件”，2004年通过中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记。

碾压混凝土筑坝技术在中国已有30年的实践与发展历史。碾压混凝土温度控制研究作为其中的关键问题之一，也已经历了几十年的探索与发展过程。早在上世纪70年代末，我所的科研人员就针对碾压混凝土的温度控制问题，开始了一系列的研究工作，取得了大量的研究成果，并在许多工程中得到成功应用。

碾压混凝土坝有三个核心问题——稳定、防渗、防裂，其中防裂是关系到大坝工程成败的重要问题，因为一些关键部位的裂缝，不仅会影响到大坝的使用功能（如防渗、泄洪等），还有可能影响到大坝的稳定和安全。因此如何防止危害性裂缝的产生，是温度控制研究要解决的关键问题。

碾压混凝土有两点不利于防裂，一是碾压混凝土材料的极限拉伸一般低于常态混凝土，因此与常态混凝土相比，抗裂能力较差；二是由于在碾压混凝土大坝施工中，通常不采用水管冷却措施，部分采取通水冷却的区域，一般也只有一期冷却，之后坝体温度仅依靠自然散热，坝内高温持续时间长（尤其是重力坝），坝体温度要降到稳定或准稳定温度场需要很长的一个过程。因此在很长时间里坝内持续高温，当低温季节或遇寒潮时，会因较大的内外温差而引起坝体表面裂缝。

碾压混凝土的裂缝主要由温度应力所致，按照裂缝产生的时间，可分为施工期裂缝、建成早期裂缝和后期裂缝三种。

施工期坝内温度高，气温骤降等很容易会引起过大的内外温差，从而在混凝土表面引起超标拉应力，导致表面开裂。施工期的裂缝不仅会发生在低温季节，高温季节遇连续阴雨或温度骤降时，同样会出现这个问题。另外，如果夏季高温季节停工，遇到汛期渡汛坝体过水，如果水温较低也会因冷击引起混凝土的表面裂缝；之后在老混凝土上浇筑新混凝土，当新老混凝土温差过大时，也有可能因老混凝土的约束而引起应力过大导致裂缝。

大坝建成早期，坝表面一定范围内的混凝土温度逐步下降，约束区的混凝土与基础的温差加大，遇低温季节、水库蓄水冷击等因素时，易在上下游坝面引起较深的裂缝。上游面的浅层裂缝如果进水，则会因水力劈裂的作用发展成深层裂缝，部分会穿透防渗体，对大坝的防渗和安全带来不利影响。另外由于大坝建成早期内部混凝土温度较高，遇冬季低温季节，内外温差加大，尤其是当遇寒潮时极易出现表面裂缝，并逐渐发展成深层裂缝。

随着大坝的长期运行，坝体内部温度缓慢下降，使约束区混凝土的基础温差、和高、低温季节浇筑的混凝土的上下层温差不断加大。当这两种温差引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，也会导致混凝土产生裂缝。这种裂缝会出现在大坝长期运行之后。

另外，碾压混凝土坝上游二级配防渗混凝土和溢流面的抗冲耐磨混凝土，都因水泥用量高，水化热温升高，尤其容易出现裂缝，该两处的裂缝又会直接影响大坝的使用甚至安全。

因此，在对碾压混凝土坝进行温度控制研究时，必须针对碾压混凝土材料和碾压混凝土筑坝技术的特点，对碾压混凝土坝施工期及运行期的温度及温度应力进行三维有限元仿真计算分析。在有可能产生裂缝的关键时期，对大坝的温度及温度应力加以严格控制，对特殊阶段和特殊问题进行专门的研究，确定符合工程实际、满足设计要求的大坝不同部位、不同分区混凝土的温控防裂措施。

我所在碾压混凝土坝施工应力与温度控制方面的研究工作始于20世纪70年代末，近30年来，通过依托国家科技攻关项目、国家自然科学基金项目和部重点项目的支持，结合国内数十座碾压混凝土坝科研工作的实践经验总结，开拓并逐步完善了碾压混凝土坝温度控制的理论和方法，获得了一系列有关碾压混凝土坝的施工应力和温度控制方面的重要结论。已针对普定、沙牌、招徕河、蔺河口、流波、山口岩、务川沙等碾压混凝土拱坝的分缝型式、分缝位置、分缝数目、温控标准和温控防裂措施，以及龙滩、岩滩、观音阁、大朝山、桃林口、景洪、汾河二库、索风营、光照等碾压混凝土重力坝的温控标准和温控防裂措施等问题，均进行了深入细致的仿真分析研究，解决了大量的实际工程中的难题，研究成果已广泛应用于实际工程中，多次获得国家和省部级科技进步奖多项。其中参加研究的国家“八五”科技攻关项目“普定碾压混凝土拱坝筑坝新技术研究”获1998年度国家科技进步一等奖、“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究与应用” 获2001年度国家科技进步二等奖、“碾压混凝土拱坝大仓面碾压温度控制技术研究” 独立获得1996年度能源部科技进步二等奖、“七五”国家科技攻关项目“东风水电站混凝土拱坝温度徐变应力分析”获1991年度能源部科技进步三等奖、“二滩混凝土拱坝温度徐变应力分析”获1990年度能源部科技进步三等奖。