武都碾压混凝土坝施工期温控措施防裂效果分析.pdf

第 3 7卷第 1 2期 2 0 1 1 年1 2 月 水 力 发 电 武 都 该 压 混 凝 土 坝 施 工 期 温 控 措 狍 防 裂 效 票 分 析 刘有 志 ，刘伟明 ，徐 波 。 ，张 国新 ，石子 明 ，刘 涛 ( 1 中国水利水 电科 学研 究院，北京1 0 0 0 3 8 ；2 四川省绵 阳市水利 电力建 筑 勘察设计研究院 ，四川 绵 阳 6 2 1 0 0 0 ；3 四川 1 武都水利水 电集 团 有 限责任公 司 ，四川绵阳 6 2 1 0 0 0 ) 摘 要 ：在深入分 析碾 压混 凝土重力坝施工期常见裂缝开裂机理 的基础上 ，以武都碾压混凝土大坝为例 ，采用反馈 分析获取 的热 力学 参数 仿真分析了采用不 同温控措施时大坝温度和应力 的变化规律 ，对 比了不 同温控措施之 间的 差异 ，尤其是保 温与不 保温之间的差异 。针对施工期 出现 的几种典型开裂风险 ，提 出了相应 的温控措施 ，为大 坝施 工期 防裂决策提供 了依据 。 关键 词 ：碾压混凝土坝 ；温控防裂 ；反演分析 ；风险预测 ；武都水库工程 An a l y s i s o n Te mp e r a t u r e Co n t r o l a n d Cr a c k Pr e v e n t i n g i n W u d u RCC Da m d u r i n g Co n s t r u c t i o n L i u Yo u z h i ， L i u W e i mi n g ，X u B o ， Z h a n g Gu o x i n ， S h i Z i mi n g ， L i u T a o ( 1 C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 Mi a n y a n g I n s t i t u t e o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ri c P o we r a n d Ar c h i t e c t u r e I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 0 0 ， S i c h u a n ， C h i n a ； 3 W u d u Hy d r a u l i c a n d Hy d r o e l e c t ri c C o n s t r u c t i o n G r o u p C o r p o r a t i o n ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 0 0 ， S i c h u a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：On t h e b a s i s o f c r a c k i n g me c h a n i s m r e s e a r c h o f RCC d a ms d u ri n g t h e p e ri o d o f c o n s t r u c t i o n t h e d i s t ri b u t i o n s o f t e mp e r a t u r e a n d t h e r ma l s t r e s s i n d a m b o d y u n d e r d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a r e o b t a i n e d f o r W u d u R CC Da m a f t e r a d o p t i n g t h e t h e rm a l a n d me c h a n i c a l p a r a me t e r s o b t a i n e d b y t h e f e e d b a c k a n a l y s i s f o r s i mu l a t i o n T h e r e s u l t s u n d e r d i ff e r e n t t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a r e c o mp a r e d ，p a r t i c u l a r l y w i t h i n s u l a t i o n a n d wi t h o u t i n s u l a t i o n T h e c o r r e s p o n d i n g t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s a r e p u t f o r w a r d t o d e a l wi t h t h e t y p i c a l c r a c k i n g r i s k s T h e s t u d y p r o v i d e s a b a s i s for t h e d e c i s i o n - ma k i n g o f c r a c k p r e v e n t i o n d u rin g t h e c o n s t r u c t i o n p e rio d Ke y Wo r d s ： R C C d a m ； t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n ； f e e d b a c k a n a l y s i s ； r i s k p r e d i c t i o n ； Wu d u R e s e r v o i r p r o j e c t 中图分类号 ： T V 6 4 2 2 ；T V 5 4 3 6 文献标识码 ： A 文章编 号： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 2 7 0 4 U 刖 舌 近 年 来 ，碾 压 混 凝 土 坝 在 我 国 得 到 越 来 越 广 泛 的应 用 ，其原 因在 于 它 具有 水 泥 用 量少 、水 化 温升 低 、施 工 速度 快 、造 价低 、质 量 可靠 以及 有 利 于简 化温 控措 施 和减少 大 坝分缝 等优 点l 1 2 1 。 以往 普 遍 认 为 碾 压混 凝 土 由于水 泥 用 量 少 ，绝 热 温 升 低 ，无 需 采 用 额 外 的 温 控 措 施 。在 我 国 2 0 0 0 年 以前 兴 建 的一些 中小 型 碾压 混 凝 土 坝 中 ，依 据 这 一 思想 充 分 利 用低 温 季 节 浇筑 、高 温 季节 不 浇 或 者 少 浇 、不 采 用 温 控 措 施 或 采 用 一 些 简 易 的 措 施 ， 也 取得 了一 些成 功 如 江垭 、岩滩 和棉 花 滩等 工程 。 但 近 年 来 的 建 坝 经 验 和 研 究 成 果 表 明 ， 由 于 碾 压 混 凝 土 坝 坝 体 上 升 速 度 快 ， 且 一 般 不 设 纵 缝 ， 横 缝 不 形 成 外露 面 ，仅靠 浇 筑 层 面热 量 散 失很 少 。且 大 多 数 是 全 年 施 工 ，再 加 上 碾 压 混 凝 土 由 于 加 入 粉 煤 灰 而 具 有延 迟 发 热 的特 性 ，高温 季 节 浇筑 的混凝 土如 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 4 一 O 1 基金项 目：国家 自然科学青 年基金项 目 ( 5 0 9 0 9 1 0 5 ) ；水 利部行 业公益科研专项( 2 0 0 8 0 1 0 0 7 ) ；国家科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A B 2 9 B 0 5 ) ； 中国水利水 电科学研究院科研专项 基金项 目 ( 材集 1 0 2 8 ) 作者 简介 ：刘 有志 ( 1 9 7 7) ，男 ，江西 高安人 ，高级 工程 师 ， 博士 主要从事水利水电工程温控 、结构仿真与材料研究工作 e r P o c r o f 3 7 N o 1 2 国匝 果 不 妥 善 控 制 浇 筑 温 度 或 者 不 采 用 水 管 冷 却 导 出 内 部 热 量 ，后 期 坝 体 内部 会 在 较 长 的 一 段 时 间 内 处 于 高 温 状 态 ，坝 体 表 面 也 会 长 时 间 处 于 一 种 受 拉 状 态 ， 这 种 受 拉状 态 在 遇 到汛 期 坝 面 过水 且 水 温 较 低 或者 低 温 季节 和寒 潮等 不利 气候 条件 时 ，会 进一 步加 剧 应 力 超标后 就 会导 致大 坝 裂缝 的 出现_ 3 - 5 。 鉴 于 裂 缝 的 出 现 对 大 坝 的施 工 进 度 、运 行 稳 定 、 防渗 等 都会 带 来 不 利影 响 ，因此 ，施 工 期 需 尽 可 能 减 少 此 类 裂 缝 的 产 生 而 只 有 从 裂 缝 出 现 的 深 层 原 因 和 机 理 人 手 ， 弄 清 此 类 裂 缝 出 现 的 根 源 ， 同 时 采 用 反 馈 仿 真 的手 段 ，提前 对 这 些 问题 进 行 预 警 ，并 提 出相 应 的处 理 措 施 ，提 醒 工 程 人 员重 视 ，才 是确 保 施 工期 温控 安全 的关 键 所在 。 本 文 以武 都 碾 压 混凝 土 坝 为 基 础 从 分 析 典 型 碾 压 混 凝 土 施 工 期 几 种 常 见 裂 缝 的 成 因 和 机 理 人 手 ， 结 合 实 际 工程 中可 能 出 现开 裂 的风 险 ，采 用 仿 真 手 段 提 出 解 决 预 防 此 类 裂 缝 的 方 案 与 措 施 起 到 了 理 论 研 究 为实 际工 程服 务 的作用 。 1 碾压混凝土坝典型裂缝成因和机理分析 混 凝 土裂 缝 的产 生是 混 凝 土 自身抗 裂 能力 与 开 裂动 力 拉 应 力抗 衡 的结 果 。施 工期 拉 应 力 主 要 源 自 于 温 差 以 及 温 差 变 化 过 程 中 外 在 的 约 束 作 用 。 其 中温 差 主要 包 括 基 础 温差 、内外 温差 和上 下 层 温 差 ：约 束 作用 则 包 括 基 础 区混 凝 土 温 降 过程 中受 地 基 的约 束 ，内部 混 凝 土对 表 层 混 凝 土 的 约束 ，以及 混凝 土冷 却 时上 、下 层 之 间 的相 互 约 束 。 当混 凝 土 由 于 温 度 变 化 的 差 异 产 生 相 对 温 差 变 形 ， 这 种 相 对 变形 受 到 外 在 约束 作 用 时 ，就会 产 生 拉 应力 ，因此 预 防 开 裂 的 关 键 是 要 控 制 温 差 和 减 小 约 束 。 1 1 基础 温 差控 制不 当导 致 的裂 缝 基 础 温差 裂 缝 的 出现是 混凝 土 温 降 收缩 变 形 受 到 岩 基 强 约 束 作 用 所 致 混 凝 土越 靠 近 中心 部 位 ， 约 束 作用 越 强 ，因此 最 大 应 力 一般 出现 在 基 础 中心 部 位( 见 图 1 ) ；最 终 应力 值 与基 础 温差( 最 高 温度 与稳 定 温度 或 封拱 温度 之差 )相 关 ，基础 温 差越 大 ， 应 力 越 大 。 对 于 碾 压混 凝 土坝 而 言 预 防此 类 裂 缝 的关 键 是 控 制最 高 温 度 ，可 通 过 降 低 浇筑 温 度 和 采用 水 管 冷 却进 行 削峰 等措施 来 实现 。 1 2上 、 下层 温差控 制不 当导 致的裂 缝 因碾 压 混凝 土坝 上 、下 层 温差 控 制 不 当致 裂 的 现 象 大都 出现 在在 老 混 凝 土 上 浇筑 新 混 凝 土 时 。度 汛过 流后 过 流 面一 般 都 是 温度 较 低 的老 混凝 土 ，而 新 浇混 凝 土 内部 温 度 往 往较 高 ，如 果新 浇混 凝 土 冷 却 进 度 控 制不 当 ，则 有 可能 出现 由于上 、下 层 温差 X St ES S s C P【 | T A X S t E S S 图 1 基 础 约 束 区 应 力 包 络 线 导 致 的 裂 缝 。 预 防此类 裂 缝 的途径 一般 是优 化通 水冷 却 方 案 和合 理 控制 上 、下层 温度 梯度 。 1 3内外温 差控 制不 当导 致 的裂 缝 内 外 温 差 作 用 机 理 如 图 2所 示 。 混 凝 土 浇 筑 后 ， 由 于 水 化 热 导 致 内部 温 升 幅 度 大 ，表 面 温 升 幅 度 小 将 形 成 内外 温 差 。其 中 ，冬 季 内外 温差 大f 3 0 c C一 5 = 2 5 o C ) ，夏 季 内 外 温 差 相 对 较 小f 3 5 o C一 2 5 c C =l O ) ， 因 此 混 凝 土 冬 季 比 夏 季 更 容 易 开 裂 。 另 外 ，高 温 季 节 浇 筑 的混 凝 土 ，虽 然 浇 筑 时 内外 温 差 不 大 ， 但 至 低 温 季 节 时 ， 受 气 温 变 化 影 响 ，表 层 混 凝 土 产 生 收 缩 变 形 ，这 种 变 形 受 内 部 混 凝 土 约 束 容 易 在 表 面 形成 轴 向超 标 拉应 力 ，进 而 形成 裂 缝 。基 础 约束 区混 凝 土 受 内外 温 差 和基 础 约束 温 差 的双 重 作 用 ， 开 裂风 险更 大些 。 2 5 5 秋季混凝 f f ： 夏季混凝土 ，I 。 一 春季混凝上 0 轴线 i _ 冬季混凝土 T T 3 0。C 0轴线 竺 I 水平向 夏零混凝 土应 力 =内外温差应力 +气温年变化应力 冬季 混凝 土应 力 ：内外温差应力 图 2内外 温差作用机理 由 内外 温 差 导致 的裂 缝 主要 分 为 个 区域 ：一 是 基础 约 束 区上 、下 游 表 面 ：二 是 高 温季 节 浇 筑 的 混凝 土 上 、下游 表 面 ； 是 出现 长 间 歇 、表 面 保 温 力 度 不 够 的施 工 仓 面 以 及浇 筑 在 老 混凝 土 上 的 新 浇 混 凝 土 的 上 、下 游 表 面 。 此 外 ， 初 次 蓄 水 、过 水 时 表 面 温 降也 有 可 能 导 致 内外 温 差 过 大 引起 混 凝 土 开 裂 。基 本 上 ，表 面 可 见 的裂 缝绝 大多 数 与 内 外温 差 有关 ，这 也 是 目前 碾 压 混 凝 土 坝 出现 裂 缝最 主要 的 第 3 7卷第 1 2 期 刘有志 ， 等： 武都碾压混凝土坝施工期温控措施防裂效果分析 原 因 。 1 4其他 因素 除 了 前 面 提 到 的 由 于 基 础 温 差 和 上 、下 层 温 差 及 内外 温差 导 致 开 裂 的 因素 外 ，还 有 其 他 一些 因素 也 可 能 导 致 裂 缝 的 出 现 ， 比 如 固 结 灌 浆 期 间 的 上 抬 应力 和低 温浇 筑仓 面冷 击作 用 导致 的潜 在风 险7 1 。 2 武都工程施工期典型温度裂缝问题分析及 温控措施研究 武都 水 库 是 武 都 引水 工 程 的水 源 工 程 ，工 程 主 体 为 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 ， 最 大 坝 高 1 2 0 m，坝 址 所 在 地昼 夜 温 差较 大 ，年 均 温差 大 ，施工 期 存 在 多次 度汛 、坝面 过水 等 问题 ，施 工期 温 控 防裂难 度大 。 2 1 混凝土特性参数反馈分析 取 典 型 坝段 作 为研 究 对 象 ，该 坝段 整 体仿 真模 型 见 图 3。混 凝 土 温 度 场 仿 真 计 算 时所 用 的边 界 环 境 温 度 、 风 速 、 浇 筑 温 度 、 浇 筑 过 程 、 拆 模 时 间 、 水 管 流 量 以 及 入 口水 温 等 均 采 用 实 测 资 料 。 笔 者 进 行 了温 度 场 的 反演 分 析 ，坝体 典 型 部位 温 度 监 测值 和 反 演 仿 真值 对 比曲线 见 图 4 。 由特 征 点 温度 曲线 可 以看 出 两 者 吻合 情 况 较好 。采 用 反演 计 算 所得 参数 可 以较 好地 反 映大坝 混凝 土 的真实 特性 。 图 3计算 模 型 2 _ 2 施 工期 开裂 风 险预报 与措 施分 析 根 据 武 都 工程 的施 工进 度 安 排 ，武都 大 坝 首 次 度 汛 温控 主要 面 临 三大 突 出难 题 ： 基 坑度 汛 ，混 凝 土浸 泡 3个 月 ； 汛后 恢 复施工 ，长 间歇至 1 1月 中下 旬 ； 左 右 两岸 坝 段 横缝 面长 期 暴 露 。针 对 这 三 个 主要 问题 ，我们 进行 了多种 工况 的敏 感性 分 析 ， 受 篇 幅所 限 ，选 取 主要 方案进 行 对 比。 ( 1 )度 汛 基坑 充 水 。针对 这 一 问题 ，主 要 对 比 直 接 充水 和分 期 充水 方 案 ，直接 充 水 和 分期 充 水 时 仓 面 中心 点温 度 、应力 历时 曲线 对 比见 图 5 。 由 图 5 不 难 发现 ，若 将 1 8的河 水 直接 充 至基 坑 内部 ，充 水 瞬 间表 层 混凝 土温 度 骤 降 幅度 接 近 8。瞬 间 导 致 的 最 大 拉 应 力 达 到 1 4 MP a左 右 ，将 超 出 混 凝 土 4 0 35 蓄：3 0 20 20 p 蹰 2 0 0 7 0 3 2 9 2 0 0 7 0 5 ， 2 8 2 0 0 7 0 7 2 7 2 0 0 7 - 0 9 2 5 2 0 0 7 1 1 2 4 时闻 年月一日 d 图 4 典型点温度计算值和实测值历时曲线对 比 的 即 时设 计 抗 拉 强 度( 1 2 MP a ) ，而 且 拉 应 力 在 整 个度 汛 期 间长 期 保 持在 一 个 较 高 的水 平 。采 用 变 温 分期 充 水 方案 后 ，应力 历 程 发 生显 著 变 化 ，早 龄 期 应力 明显减 小 ，开 裂风 险大 大 降低 ，后期 平 均 应 力 减 幅达 O 2 0 3 MP a 显然 分期 充水 方 案更 有利 于 减 小坝 体长 时 间浸泡后 的开裂 风险 。 ( 2 ) 汛 后 保 温 效 果 分 析 成 果 。保 温 和 不 保 温 状 态 下 典 型高 程 特 征 点 的顺 河 向应 力 曲线 见 图 6。对 比 a、b两 图 可 知 ，若 汛 后 不 能 及 时覆 盖 上 层 混 凝 土 则 基 坑 内 部 的 水 抽 干 以 后 ，受 环 境 温 度 下 降 的 影 响 表 层混 凝 土 应力 仍 将 继 续增 大 ，即使 度 汛 期 不 开裂 ，汛后 仍 然 难 以避 免 开 裂 的可 能 。上游 表 面 点 的应 力 过程 线 同样表 明 ，若施 工 期 不 在上 下 游 面 保 温 则 冬 季低 温 季节 坝 体 上 、下 游 表 面 均将 出现 超 过 3 0 MP a的 拉 应 力 ， 而 采 用 必 要 的 保 温 措 施 以 后 ， 表 面 最 大 拉 应 力 可 控 制 在 2 0 MP a以 下 ， 大 坝 施 工 期 上 下 游 表 面 出 现 裂 缝 的 风 险 将 大 大 减 小 。 J J 仅 巳 U I I I Z 月 2 O 1 5 1 0 0 5 O 0 5 I) 5 2 8 2 0 0 7 ， 0 6 2 8 2 0 0 7 0 7 2 8 2 0 0 7 0 8 2 8 H q问 -月啊 a瀣皮过程线 2 0 0 7 0 5 2 8 2 0 0 7 0 6 2 8 2 0 0 7 0 7 2 8 2 0 0 7 0 8 2 8 时问 年一 月 臼 b应力过程线 图 5度汛高程表面点温度和应力对比 曲线 时间 年 月 口 a仓面特征点 时间 年一 月一 日 b上游表面特 征点 图 6长 间 歇 仓 面 和 上 游 表 面 混 凝 土 保 温 与 不 保 温 应 力 对 比 曲线 侧 面 长期 暴 露 保 温 与 不保 温 顺 河 向 应力 分 布 对 比见 图 7 。 由图 7可 知 ，若 陡坡 坝 段 过 冬 时侧 面 暴 露 ， 侧 面 有 可 能 出 现 2 0 MP a左 右 的 拉 应 力 ，对 侧 面 采 用 必 要 的 保 温 措 施 后 ， 施 工 期 应 力 可 降 至 1 6 MP a以 下 ， 开 裂 的 可 能 性 大 大 减 小 。 仿 真 计 算 结 果 表 明 ，对 于侧 面 长期 裸 露 的 区域 ，保 温 是 降低 开 裂 风 险 的首 选 方 案 这 一 结 论 对那 种 相 邻 坝 段侧 面裸 露 时 间较长 的情 况 也有 同样 的借 鉴作 用 。 3 结论 ( 1 )仿 真计 算 参 数 需 通 过反 馈 分 析 获取 ，温 度 计 算结 果 与 实 测 结果 吻合 较 好 ，表 明仿 真 计 算结 果 能 真实 反 映大 坝 的实际情 况 。 ( 2)结合 预报 仿 真 结 果 ，提 出 了“ 变 温分 层 充 水方 案 ” ，可 有效 减小 大 坝过水 期 间 的开 裂风 险 ：长 疆WI ll r l o c r V o l 3 7 1 2 a无保温 b有保温 m高程 图 7侧 面 长 期 暴 露保 温 与不 保 温顺 河 向应 力分 布 对 比 间 歇 以 后 必 须 尽 早 覆 盖 上 层 混 凝 土 ， 否 则 至 低 温 季 节前 需 要 做好 表 面 保 温 工作 ，同时 上 、下 游 侧 也 要 做 好 表 面 保 温 ；对 于 长 期暴 露 的侧 面 ，同样 需 做好 表 面保 温 工作 。入 冬 做好 表 面 保 温 工作 是 武 都 碾压 混 凝 土 坝 工 程 施 工 期 防 裂 的 关 键 所 在 。 ( 3 )反馈预 警仿真 需与实 际工程相 结合 ，方 能达 到 有 效 指 导 实 际施 工 的 目 的 。 本 文 的研 究 成 果 在 工 程 中得 到应 用 ，有效减少 了施工期危 害性裂缝 的产生 。 参考文献 ： 1 Z h a n g G u o x i n R e s e a r c h o n T h e r m a l S t r e s s a n d T e m p e r a t u r e C o n - t r o l o f R o l l e r C o mp a c t e d C o n c r e t e Da m M N e w P r o g r e s s o n Ro l l e r C o m p a c t e d C o n c r e t e D a ms B e i j i n g ， 2 0 0 7 ： 5 4 1 - 5 5 0 2 L i u Y o u z h i ， Z h a n g G u o x i n ，L i u w e i mi n g ， S h i Z i mi n g S i m u l a t i o n An a l y s i s o f T e mp e r a t u r e S t r e s s i n RCC Gr a v i t y Da m B a s e d o n F e e d b a c k I n f o rm a t i o n o f On s i t e C o n s t r u c t i o n M N e w P r o gre s s o n R o l l e r C o mp a c t e d C o n c r e t e D am s B e i j i n g ，2 0 0 7 ：6 0 9- 6 1 4 3 朱伯芳 建设 高质量永 不裂缝拱 坝 的可行 性及 实现策略 J 水 利学报 ，2 0 0 7，3 ( 1 2 ) ： 3 4 3 9 4 刘有 志 水工混凝土 温控与温控 防裂方法研究 D 南京 ：河海 大学 2 0 0 6 5 朱伯 芳 大体 积混凝 土温度应 力与温度 控制 M 北京： 中 国电 力出版社 ，1 9 9 9 6 朱伯 芳 考虑 水管冷 却效果 的混凝土等 效热传 导方法 J 水利 学报 ，1 9 9 1( 3 ) ： 2 8 3 4 7 张 同新 ，刘有志 ，马 晓芳 混凝土坝低 温人 仓致裂问题探讨 J 水利水电技术 ，2 0 1 0，4 1 ( 7 ) ： 4 5 4 8 ( 责任 编辑常 青 ) I I i I+II +I 1 + II II I I I I+1 I I I II Ii I I I I I I II I I II I I II I I II I I I I I II I I I I I I I I ( 上 接 第 2 6页 ) 紫坪铺水利枢纽工程重大工程地质问题研究 M 北京 ：中国水 利水 电出版社 2 0 0 1 1 0 康 文龙 碾 压式 土石 坝 的填 筑标 准 与 实践 J 标准化 ，2 0 0 8 f 41 ：6 1 0 1 2 杨 泽艳洪家 渡水 电站工 程设 计创 新技 术与 应用 M 北京 ： 中国水利水 电出版社 2 0 0 8 13本 土质 工学 会 著粗粒 料 的现 场压 实 M 郭熙灵 ，文丹 ， 译 北京 ：中国水利水电出版社 ，1 9 9 9 ( 责任编辑杨健) 幻 3 燃 2