碾压混凝土坝的温度应力控制措施

　　摘 要：本文就总结了碾压混凝土重力坝、拱坝的分缝方式，采用微膨胀混凝土、提高材料抗裂性能等碾压混凝土坝的温控防裂措施。

　　关键词：碾压混凝土拱坝,温度应力,控制

　　1 碾压混凝土坝温度与应力的特点

　　1.1 材料性质的影响

　　影响温度控制的材料参数主要有以下几种：绝热温升、线膨胀系数、弹性模量、徐变量和极限拉伸值。这几种参数中，线膨胀系数和弹性模量主要取决于混凝土原材料，即砂石料和水泥，与施工方法关系不大。因此，本文主要比较在碾压和常态混凝土存在明显区别、又对温度应力有较大影响的几个参数。

　　(1)绝热温升

　　混凝土的发热量，主要由水泥水化热引起，虽然粉煤灰在水化过程中也会发热，但其发热量远小于水泥。碾压混凝土的水泥用量较常态混凝土小，因此绝热温升低于常态混凝土。用时由于碾压混凝土中粉煤灰掺量大，而粉煤灰有延迟发热的特点，

　　因此，碾压混凝土的水化热温升速度慢，后期温升大，部分RCC 混凝土坝曾观测到混凝土浇筑3 个月后仍在升温的现象。

　　(2)徐变度

　　徐变是影响温度应力的一个重要材料性质，徐变的存在使温度应力的部分得到松弛。徐变越大，温度应力越小。混凝土的徐变主要与胶凝材料用量有关，碾压混凝土胶凝材料少，属干硬性混凝土，与常态混凝土相比，其徐变度一般要小，这一点不利于温度应力与防裂。

　　(3)极限拉伸

　　受配合比和施工方法的影响，碾压混凝土的极限拉伸值比常态混凝土低。虽然近几年随混凝土配合技术和实验精度的提高，碾压混凝土的极限拉伸值有了很大提高，有的工程碾压混凝土极限拉伸实验值甚至远大于常态混凝土，但大多数工程90d 龄期的极限拉伸仍然低于相同原材料的常态混凝土。多数工程的钻孔取芯实测极限拉伸值远低于室内实验值，尤其是碾压混凝土的层间结合强度低，仅为混凝土本体的0.3～0.6 倍，因此碾压混凝土抗拉能力低，更容易出现裂缝。

　　1.2 施工方法的影响

　　我国碾压混凝土采用薄层铺筑、薄层碾压、连续上升的施工方式，采用低温入仓的方式时，冷量损失大，难以实现常态混凝土那样的低温浇筑。常态混凝土浇筑中最重要的温控措施—— 水管冷却由于会对碾压混凝土的施工带来不利影响，影响施工进度，因此只是近几年大部分碾压混凝土不设冷却水管，少数设冷却水管的也仅限于高温季节浇筑的部位。因此常态混凝土温控措施中的两大主要方法——降低浇筑温度和通水冷却在碾压混凝土中采用时难度大，效果差。碾压混凝土坝一般无二期水冷，大坝的后期散热仅靠自然散热，温度降到稳定温度需要很长的时间，像龙滩碾压混凝土大坝，需要100年以上内部温度才接近稳定温度。因此大坝会在较长的一段时间内处于高温状态，遇低温季节及寒潮等不利气候条件时，内外温差大更易出现裂缝。

　　1.3 温度和温度应力的特点

　　由于材料和施工方法的特点，碾压混凝土坝的温度和应力具有如下特点：一是大坝温降缓慢，坝体持续高温。二是内外温差是控制温差，上下层温差次之，基础温差对顺河向应力一般不起控制作用。三是碾压混凝土坝在坝上游面强约束区受内外温差和基础温差双重作用，更容易出现劈头裂缝。四是层间强度低，内外温差作用会引起水平裂缝。五是上游面混凝土防渗层更易出现较大拉应力。六是基础垫层混凝土易出现超标拉应力。

　　2 温度应力仿真分析

　　碾压混凝土温度和应力仿真分析的基本方程与常态混凝土坝相同，但是碾压混凝土具有薄层碾压的特点，要正确模拟碾压混凝土的施工和温度应力，应该在一个碾压层内至少划分2层单元，对于一个大坝的三维仿真分析来讲，这样计算的规模十分庞大，目前一般的计算机仍难以胜任，因此，朱伯芳院士在1994年就提出了并层解法和分区异步长算法。所谓并层解法即是：新浇混凝土用薄层精细单元来模拟温度沿碾压层厚度方向分布梯度，而被覆盖达到一定厚度后，由于温度梯度变小可将若干层单元合并，分层积分，并层求解。在混凝土早龄期由于水化热发热量大，温度随时间的变化剧烈，而到后期温度随时间变化小，这样可以考虑在早龄期混凝土采用小的时间步长，在老龄期后用大的时间步长，这就是所谓的分区异步长算法。采用并层解法和分区异步长算法可以对碾压混凝土进行高精度大规模仿真分析。

　　3 碾压混凝土坝的分缝

　　分缝是混凝土防裂的重要结构措施。多年的研究与实践证明，常态混凝土的横缝间距不宜大于20m。而碾压混凝土由于水泥用量少，水化热温升低，曾一度有不分缝的做法，经过20年的研究与实践，现在对碾压混凝土坝的分缝已有了理性的认识，

　　下边就重力坝和拱坝分别讨论。

　　3.1 重力坝

　　早期有碾压混凝土可以不分缝或坝段长可为80～100m的观点。美国于1982 年建成的柳溪坝坝顶长543m未设横缝，我国第一座碾压混凝土坝坑口坝坝顶长122.5m未设横缝，碾压混凝土坝建设较多的西班牙的分缝间距也较宽。但是，实践中发现坝段过宽时，极易出现裂缝，裂缝往往将过宽的坝段裂成若干段。我国某坝河床6 个坝段为5×36m+26m，5个36m宽的坝段均开裂，缝宽最大达2mm。另一个碾压混凝土重力坝坝段宽50～64m，每个坝段都开裂成2～3 段，最严重的裂缝从上游面一直到廊道，缝宽达2mm。仿真结果表明，坝段宽超过30m 时，高温季节浇筑的混凝土在上游坝面会出现较大的坝轴向拉应力，从而引起上游面竖向裂缝，蓄水后则会发展成劈头裂缝。近年碾压混凝土重力坝横缝间距应与常态混凝土相近，以20m 左右为宜，顺河方向可按通仓浇筑。

　　3.2 拱坝

　　早期的拱坝不设横缝，只设诱导缝。实践表明：不设横缝的坝建成若干年后可能出现较严重的裂缝。沙牌拱坝建设中研制了重复灌浆系统，提出了可重复灌浆的横缝与诱导缝相结合的分缝方式。拱坝的横缝间距较重力坝宽，虽然有部分拱坝在较宽的坝段出现裂缝，但是大部分并未出现严重的危害裂缝，为什么重力坝宽度超过20m就可能出现裂缝，而拱坝坝段宽达100m 却不裂?为研究这个现象，我们对国内几座拱坝进行了仿真计算分析。结果表明：①拱坝的坝厚普遍较小，在16～30m之间，因此上下游面的散热效果好，当坝内温度最高时，内外温差并不大，表面拉应力不高;②随内部温度的下降，内外温差变小，表面应力增量为压;③蓄水时由于坝内温度已有所降低，像重力坝那样冷击效果小;④由于拱的作用，蓄水压力会在拱向引起压应力，从而减小竖直向裂缝的出现概率。需要注意的是：坝中间坝段过宽且留有过水缺口时，会因局部应力过大在缺口部位引起裂缝。碾压混凝土拱坝中部坝段的宽度可根据地质地形、材料、气象水文、施工等实际情况，参照仿真分析结果适当放宽，最宽可达100m以上。而边坡坝段由于约束面长，坝段宽度设置不当会出现建基面法向裂缝，因此拱坝两岸坝段横缝间距要适当减小，具体宽度要根据仿真分析结果而定。如果蓄水前诱导缝和横缝张开并进行了灌浆，则灌浆时的坝体温度

　　即为RCC 拱坝的封拱温度，一般拱坝蓄水时温度较高，因此RCC拱坝的实际封拱温度较高，在蓄水后随温度的降低，坝轴线缩短，坝体向下游位移，坝踵应力增大，易引起坝踵开裂，因此RCC 高拱坝的封拱温度和对坝踵应力的影响要重点研究。

　　4 温度控制措施

　　碾压混凝土的优势之一即是简化温控甚至取消温控。对于中小型碾压混凝土坝，充分利用低温季节性浇筑，不采取温控措施而取得成功的例子也有一些。但是实践证明，对于大体积高坝，尤其是高温季节连续施工的大坝，还必须采取一些必要的温控措施。近年碾压混凝土坝的温控有日趋复杂的趋势，一些高碾压混凝土坝，已采用在常态混凝土中成功运用的所有温控措施，包括预冷骨料、加冰拌合、仓面喷雾、仓面保温、通水冷却、斜层碾压等。

　　①降低浇筑温度。与常态混凝土坝相比，降低浇筑温度相对更困难。由于碾压混凝土水灰比低、可加冰量少，通过加冰的方式降低机口温度的幅度小。在高温季节浇筑的混凝土，由于采用薄层碾压的方式，混凝土入仓温度回升快，如南方15℃入仓、4h覆盖时夏天日间的浇筑温度可达26℃～27℃，回升10℃以上。因此采用喷雾、盖保温被、快速覆盖对降低高温季节的浇筑温度是非常必要的。

　　②仓面保温。高温季节浇筑时的仓面保温是一项重要措施。葛洲坝集团设计了1.5cm 厚聚乙烯保温被，当这种保温被不持水时，其保温效果可相当于0.5～0.6m厚的混凝土。混凝土碾压完毕，即用保温被保温，等混凝土温度高于考虑辐射热的环境温度后，即除去保温被，以利用表面散热。利用仓面保温被可以使夏季浇筑混凝土最高温度降低2℃左右。

　　③水管冷却。水管冷却是在常态混凝土中成功运用的有效措施，由于铺设冷却水管与混凝土的碾压干扰较大，有时会损坏冷却水管，因此碾压混凝土中运用较少。近几年大体积高温季节混凝土的浇筑，如仅采用其他温控措施已不能满足温控防裂的要求，加上塑料冷却水管的成功采用，使越来越多的碾压混凝土坝在高温季节采用冷却水管。

　　④采用微膨胀混凝土。除如上直接控制温度的温控措施外，近几年已有多个工程利用外掺MgO 作为辅助手段，使混凝土具有微膨胀性，简化温度控制。如贵州的鱼简河拱坝，三江河拱坝等都采用了外掺MgO 作为辅助手段。重力坝采用MgO 微膨胀混凝土也可以降低约束区、高温季节浇筑区及坝上游防渗层的拉应力，有利于防裂，目前尚在研究尝试阶段。

　　⑤提高材料抗裂性能。提高材料的抗裂性能是混凝土防裂的一个重要手段，通过优化配合比，在控制水泥用量降低体积收缩和水化热温升的同时，提高混凝土的极限拉伸值，可有效地提高混凝土的抗裂性，达到防裂的目的。

　　⑥斜层碾压。斜层碾压主要是为了解决浇筑能力的问题，由于斜层碾压缩短了覆盖时间，从而可以减少热量倒灌，起到温控的作用。仿真分析结果表明，如果斜层碾压的覆盖时间从4h 缩短到2h，与仓面不采取保温措施相比可使最高温度降低1℃～2℃。

　　参考文献：

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　　[3] 黎展眉.普定碾压混凝土拱坝裂缝成因探讨[J].水力发电学报，2001(10).

《碾压混凝土坝的温度应力控制措施》

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