范鹏飞

(山西省水利水电工程建设监理有限公司，太原 030000)



堆石混凝土坝温度应力仿真分析及温控措施研究

范鹏飞

(山西省水利水电工程建设监理有限公司，太原 030000)

堆石混凝土坝随着技术的成熟和推广，对于堆石混凝土的研究逐渐深入。由于受温度影响较大，坝体水上部分和水下部分之间存在一定的温差，将会导致坝体的裂缝或者局部丧失应力。鉴于堆石混凝土坝是一个较为复杂的个体，研究人员需要对其进行仿真分析，接近于真实的模仿在各种温度的作用下，堆石混凝土坝会产生怎样的变化，分析这种变化是否影响到坝体的正常使用，同时，要考虑采用何种方式来控制或者避免这些不利因素和影响的发生。

堆石混凝土坝；温度控制；仿真分析；温控；研究

堆石混凝土坝是现在较为常见的水坝，主要是考虑到堆石混凝土的特性对于温度的影响要远远小于普通混凝土，能够延长使用周期。堆石混凝土筑坝技术是建立在自密实混凝土的技术基础上，再通过多年的研究和实践，逐渐发展起来的。作为一种新型混凝土筑坝技术，2个尤其重要的施工工序是这项技术的核心：分别是堆石入仓和浇筑自密实混凝土。

文章详细介绍这两道重要的施工工序，以便可以更好的理解接下来的内容。堆石入仓的含义是：在放置模板后，将颗粒直径>30cm的碎石堆放至仓面，由于碎石之间空隙较大，通常需要将其碾压密实；下一步工序则是自密实混凝土的浇筑，这个环节尤其重要，堆石体的空隙需要自密实混凝土流动填充，使之形成高质量的堆石混凝土。

1 堆石混凝土坝温度与应力之间的关系

混凝土的堆石尺寸较大，因此对于适合常态或碾压混凝土的测定方法显然不再适用于堆石混凝土，由于堆石混凝土应用面较窄，以及对实验条件要求较高，因此难以采集大量的堆石混凝土试验参数样本进行相关规律的提取和总结。受客观条件限制，只采用有限的数量样本进行比对。绝热升温与极限拉伸2个参数指标与混凝土的抗裂性能的数据体现，可以通过这两个参数的取值变化来了解混凝土抗裂性能的优劣。另外，施工工艺也是影响徐变的重要因素，综上所述，堆石混凝土在受温度影响后的表现是通过以下几个参数进行全方位的体现：

1.1 抗裂特性

1)绝热升温：主导混凝土发热量的因素是混凝土的水化热。堆石混凝土和普通混凝土之间最大的区别在于水泥的用量，由于堆石混凝土鉴于自身特性的远近，在制作的过程中会添加大量的粉煤灰，因此绝热温升低于常态混凝土。通常来说，导致堆石混凝土的水化热初期升温慢而后期温升大的原因就在于其中所掺加的粉煤灰延迟发热。下面我们来通过一组实验数据对绝热升温进行分析，见表1。

表1 C25自密实混凝土配合比和组分参数

由表1可以得出：在配比情况理想化分为自密实混凝土和堆石各占一半的情况下，根据热量守恒原理，推算出堆石混凝土的绝热温升为18.80×(1-e-0.0339)。

2)极限拉伸：堆石混凝土的抗裂性能主要通过极限拉伸来反映，而现实中堆石混凝土的极限拉伸值比常态混凝土低是因为受配合比和施工方法的影响。混凝土配合技术和实验精度长足的提高有赖于近几年的试验与研究，堆石混凝土的极限拉伸值也有了质的飞跃，但在实际的实施过程当中，90d龄期的混凝土在极限拉伸值得表现方面与试验恰恰相反，仍然低于同质的常态混凝土。由于受条件影响，钻孔取芯实测极限拉伸值远低于室内实验值，堆石混凝土层间的结合强度是远远低于普通混凝土，因此堆石混凝土更容易出现裂缝。我们再来通过一组较为详实的实验数据对这个结论做一个验证，见表2。

表2 立方体堆石混凝土试件劈拉试验结果

1.2 徐变度

徐变是反映温度影响的一个重要指标，能够直接的反应堆石混凝土在温度作用下的变化。混凝土对于温度变化的重要反映是通过徐变值表现出来的，在温度应力作用的部分，可以通过徐变使混凝土体块减小应力反应，徐变与应力呈反比关系。由于胶凝材料用量在混凝土中的作用，相比于常态混凝土而言，堆石混凝土的徐变维持在一个低水平的取值，就可以保持坝体的功能稳定性，但是这一点于温度应力与防裂不利。

1.3 施工方法的影响

中国大规模的施工建设很难保证施工质量的一致性，而施工的手法和工艺也会对堆石混凝土产生较大的影响。中国堆石混凝土冷量损失大，究其原因是采用低温入仓导致，类似于常态混凝土那样的低温浇筑通常难以实现。常态混凝土在浇筑中可以通过温控措施来保持混凝土的完整性。然而，由于堆石混凝土的热性所致，水管冷却会对其施工带来不利影响，因此近几年大部分堆石混凝土浇筑工程不推荐采用此种方法，少数设冷却水管的也仅限于高温季节浇筑的部位。

在常态混凝土中通常会采用以下方法对此类问题进行规避，一个是降低浇筑温度，第二个是通水冷却。后者在对视混凝土中难以实现并且效果欠佳。堆石混凝土坝通常不做二期冷却，仅靠大自然散热进行后期稳固，因此将坝体温度降至稳定需要相当长的一段时间。鉴于此，大坝会长时间处于一种高温状态，当遇到温度骤降时，降温所带来的温差将产生热胀冷缩从而出现裂缝。

尽管堆石混凝土与普通混凝土比起来，有较大的区别，但是在坝体建设当中，堆石混凝土的特点尤为突出：

1)水泥使用量小，温度变化指数值低。

2)高机械化的施工过程，有利于管理者梳理工程组织体系并控制质量，人为不可控因素大大降低。

3)施工成本低施工速度快，能够尽快的提高产能，产生效益。

2 温度控制的仿真分析

堆石混凝土坝对于温度的变化需要做仿真分析。在温差的作用下，坝体会出现裂缝，对于拱坝来说，尽管小部分拱坝在宽坝段出现裂缝，但是大部分并未收到裂缝的破坏。与之相反的是重力坝，宽度超过20m的重力坝很大概率上会出现裂缝，这种特性表现也与拱坝形成鲜明对比。为了能够很好的解释这个现象，我们通过几座拱坝为研究对象进行仿真计算分析。

以下几点原因控制了这种现象：

坝厚16～30m的拱坝上下游面的散热效果好。即便是坝内温度达到峰值，坝体的内外温差变化并不突出，表面拉应力也不产生突变；导致表面应力增量为压力的诱因是内外温差变小；蓄水时，水的比热容发挥了重要的作用使坝体温度有所降低；比之同质的普通混凝土，抗拉强度增强的同时提升了防裂性能，可弱化温控措施的作用；堆石混凝土的特性决定了通水冷却的方法无显著效果，因此决定坝体最高温度的主要是初始浇筑温度和环境温度；对于低温浇筑的混凝土，坝体的拉应力较小，温度对于坝体的影响不影响坝体的施工，可不采取分缝和温控措施；而对于高温浇筑的混凝土，需要考虑通过表面流水或者避开高温时段浇筑的方式疏散热量。但如果该地区冬夏温差大，温度应力作用明显，坝体在温差作用下存在拉裂风险；较大间距分缝能有效降低坝体温度应力，将温度应力逐渐传递出去，避免在坝体内部及表面发生损伤。

堆石混凝土坝的实操方法需要建立在仿真计算校核的基础上，充分利用低温季节的优势完成混凝土的浇筑，而高温季节应较大间距分缝并采取温控措施，达到快速优质筑坝的目的。

3 堆石混凝土坝体的分缝

分缝不仅仅是存在于混凝土防裂，在诸多工程领域也有各种实践应用。所以“常态混凝土的横缝间距≤20m”也是通过多年的研究与工程实践证明的。大体积量的工程由于各种原因，同时也是出于安全的考虑，无可避免要进行分缝。其中重力坝和拱坝是完全不同的展示个体。

3.1 重力坝

基于早期的工程经验出现过“堆石混凝土坝可以不分缝或坝段长可为80～100m”这样的极端的说法。但是，实践中发现坝段过宽时，由于混凝土配比以及本身的热性等原因，会在横向随着温度变化而产生剧烈变化，由于各向异性的缘故，极易出现裂缝，宽体坝段被裂缝分割为若干段，导致坝体的实际功能的丧失。

一个实际的案列在我国南方某坝沿分为河床6个坝段，前5个为36m，最后1个为26m，在投入使用达到一定年限后，5个36m宽的坝段均开裂，缝宽最大达2mm，产生了破坏性的影响。对坝体功能的使用产生了极其不好的后果；另一个在温度的反复作用下，坝段宽50～64m的重力坝，每个都开裂成2～3段，开裂的裂缝从上到下贯穿，最大缝宽达2mm，这种贯穿式开裂直接导致坝体的报废，无法载继续进行工作。随着堆石混凝土在各类实验和工程实例当中反复的应用，对于其特性大家逐渐的了解，针对堆石混凝土坝的分缝长度逐渐形成了同一的看法，为了避免拉应力引起上游面竖向裂缝，蓄水后发展成劈头裂缝的后果，因此规定坝体分缝以20m左右为宜，顺河方向可按通仓浇筑。

3.2 拱坝

早期的拱坝所存在的缝不是真正意义上的分缝，只是诱导缝。诱导缝不能够真正意义上满足分缝的功能需求，大坝会在使用多年后出现严重的裂缝。在某拱坝的实际建设中，为了将分缝和诱导缝结合使用，最终提出了可重复灌浆的横缝与诱导缝相结合的方式促进实践。

纵向引起的压应力在水坝蓄水时会突然增加，导致竖直向裂缝被很好的控制。然而，在中间坝段如果有集中应力破损或者坝体过长时，会因局部应力集中在缺口部位引起更大面积的裂缝延展。关于堆石混凝土拱坝最为敏感中部坝段，可根据现场情况估算宽度，以仿真分析结果为参考依据，上限宽度为100m。而拱坝两岸坝段横缝间距要适当减小，具体宽度要理论分析结合实际情况综合评定。

4 控制温度的措施

对于中小型堆石混凝土坝的降温措施较为简单，在低温季节性浇筑即可解决问题，虽然有些工程由于某些原因没有采取降温措施，但是对于大体积高坝，尤其是在高温季节且连续施工的大坝工程，不采用温控措施难以保证工程质量，因此，为确保工程质量，采取一些必要的措施势在必行。近年来，关于堆石混凝土的研究日益深化、力度加大，与之相关的措施也在日新月异的变化。在一些堆石混凝土坝的实际工程中，常态混凝土中验证成功的所有温控措施被移至到此并收获了不错的效果。

4.1 降低浇筑温度

常态混凝土坝的浇筑降温较快，而堆石混凝土却与之恰恰相反。然而堆石混凝土难以通过常规加冰的方式降温主要是因为受限于水灰比和可加冰量。在高温季节浇筑混凝土会面临一些麻烦，比如混凝土入仓温度回升快。因此，为了能够给堆石混凝土快速降温，在不影响其化学性能的前提下，采用物理降温措施对降低浇筑温度就成为工程实际当中可选择的方法。

4.2 仓面保温

在高温季节浇筑需要进行仓面保温。许多相关企业经过多年的工程经验加以总结，发明了保温被投入使用。该保温被材料为厚聚乙烯，在不持水的情况下，该保温被等同于半米厚的混凝土。通常会在碾压完毕后，用保温被保温，待辐射热的环境温度低于混凝土温度时，可使混凝土自主散热。

4.3 水管冷却

水管冷却方法的效果已经在常态混凝土实验中获得了认证。但是，在堆石混凝土坝的实践中却难以实现。以为在铺设冷却水管的过程中，冷水管常常会由于混凝土的碾压干扰而破损，因此很少应用在堆石混凝土工程当中。近几年出现了塑料冷却水管，并在工程实际中获得了成功的运用，使得水管冷却在堆石混凝土坝的施工中应用成为可能。

4.4 采用微膨胀混凝土

除直接控制温度外，还可以利用外掺MgO添加剂使混凝土具有微膨胀性，简化温度控制。在实际操作中，对于重力坝通常会采用微膨胀混凝土，因此，可以降低约束区、浇筑区等受力区域的拉应力，使得坝体受到应力破坏减弱，从而有利于防裂，但该技术目前尚未成熟。

4.5 材料抗裂性能的提高

作为混凝土防裂的重要环节，如何提高材料的抗裂性能是重中之重，这个环节一般由两个指标控制体现。通过对配合比的优化可以达到两个目的，一方面降低体积收缩和水化热温升可以通过控制水泥用量得以实现，而提高混凝土抗裂性能的关键就在于提高混凝土的极限拉伸值。

4.6 斜层碾压

在实际的工程操作当中，通长使用斜层碾压的方法解决浇筑工程上的难题。因为为了减少热量倒灌，斜层碾压缩短了覆盖时间，起到温控的作用。

5 结 语

随着科技和针对堆石混凝土研究的发展，如何在施工过程中更好的控制温度的影响将会被越来越多的专家学者所关注。通过对新型材料的研发和新型技术的实践应用，堆石混凝土坝的施工将会呈现另外一种状态，立足于常态混凝土的研究，将堆石混凝土坝的施工温控技术逐渐推广出去。

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Temperature Stressing Simulation Analysis and Temperature Control Measure Research of Rock-fill Concrete Dam

FAN Peng-fei

(Shanxi Provincial Water Conservancy & Hydropower Project Construction Supervision Limited Company,Taiyan 030000,China)

With the technological development of rock-fill concrete dam，the research of rock-fill concrete is deepening gradually. Impacted greatly by the temperature control，there is a certain temperature difference between the surface water and down water of dam body and will cause the dam body to crack or lose the stress partially. In view of the rock-fill concrete dam as a complex individual，the researchers need to conduct the simulation analysis to distinguish the changes of rock-fill concrete dam under the actions of various temperatures closed to real simulation，and analyze whether this kind of changes could affect the ordinary use of dam body，simultaneously，to consider the way in which to control or avoid the occurrence of these adverse factors and effects.

rock-filled concrete dam; temperature control; analysis of simulation; research

2016-06-26

范鹏飞(1987-)，男，山西太原人，工程师，研究方向为水利水电工程。

1007-7596(2016)09-0013-04

TV544

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