浇筑方案和拆模时机怎么影响施工期大坝混凝土开裂风险

摘 要：

针对碾压混凝土坝温控措施相对简单、在温变幅度大等恶劣环境下温控防裂压力大的问题，为了提高碾压混凝土坝施工过程的安全性，提出适合大坝混凝土施工期的温控防裂措施，通过三维有限元建模，对某碾压混凝土拱坝的内部和表面温度应力仿真计算，分析了强约束区混凝土不同浇筑层厚和浇筑季节方案的可行性以及降低表面开裂风险的拆模时机。仿真计算结果表明，提高浇筑层的厚度，会增加混凝土的最高温度；随着浇筑层厚由1.5 m提高至4.5 m,高温季节浇筑混凝土最大应力较低温季节浇筑混凝土分别提高了32.2%、25.8%和26.9%,薄层混凝土的最大应力增幅受浇筑季节的影响较厚层混凝土提高5.3%。相比于夏季浇筑的混凝土，秋季浇筑的混凝土最高温度和最大应力增幅受浇筑层厚的影响更为明显，峰值应力增幅约为4.8%～5.8%。在满足混凝土拆模强度和不通水条件下，早期拆模有利于降低混凝土温降引发的应力，降低开裂风险，对薄层混凝土表面混凝土抗裂更为有利。

关键词：碾压混凝土拱坝;浇筑层厚;浇筑季节;拆模龄期;仿真计算;混凝土;安全系数;

基金：国家重点研发计划项目(2018YFC0406706);国家自然科学基金资助项目(51779277);中国水科院科研专项(SS0145B712017,SS0145B612017,SS0145B392016);流域水循环模拟与调控国家重点实验室资助项目(SKL2020ZY10,SS0112B102016);三峡集团公司乌东德温度应力试验项目(WDD/0428);

引用：辛建达，胡筱，王振红，等． 浇筑方案和拆模时机对施工期大坝混凝土开裂风险的影响［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52 ( 8) : 38-50. XIN Jianda，HU Xiao，WANG Zhenhong，et al． Influences of concrete placement scheme and formwork removal schedule on dam concrete cracking risk during construction period ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 38-50.

0 引 言

混凝土浇筑后，由于水化热的作用，内部温度升高。由于混凝土为不良导热体，因此其硬化过程中发生的热量绝大部分不能快速消散，聚积于混凝土内部，从而导致混凝土温度升高，体积膨胀。一般来说，水利工程中的混凝土，绝热温升可达10～40 ℃,即使考虑表面散热，混凝土内部最高温度仍比浇筑时高7～35 ℃。大坝施工期间的浇筑施工方案设计需要根据层面散热效果、施工季节、坝体混凝土温度变化、施工便捷程度等因素共同考虑。

碾压混凝土虽然粉煤灰掺量很高，水化热生成速率缓，但控制混凝土温升不足以降低大体积混凝土温度开裂风险，因为混凝土的强度同步降低，需全面考虑大坝施工期间的浇筑方案和温控措施，从降低混凝土温度应力和提高混凝土本身的抗拉强度这两方面综合考虑。

胡书红针对锦屏一级水电站的施工，就陡坡坝段、孔口坝段等部位提出了不同的浇筑厚度、温控方案以及相应的温控措施和管理要求。黄耀英等对在不同基岩上浇筑的大体积混凝土的厚度和间歇时间进行了分析，认为浇筑层厚度的增加会提高温升，约束应力也会相应增大。漆焕然认为浇筑层厚度越大，温升越高，温峰出现的时间越迟，浇筑层中心处内部点的最大拉应力增大。李俊等对约束区的大体积混凝土温度应力进行分析的同时考虑了通水冷却，在采用3.0 m浇筑厚度后，混凝土的最高温度和最大应力较1.5 m和2.0 m的浇筑层厚方案更低。邓旭模拟了水闸底板的浇筑，计算结果发现浇筑厚度越厚，温升越高，温度应力越大。

混凝土的温度裂缝除与混凝土热、力学参数、自生体积变形和约束度有很大关系外，施工期所处的地区环境和表面保护措施的影响也不容忽略。对于新浇混凝土，不合理的拆模时间容易导致表层混凝土经历昼夜大温差和寒潮等不利环境影响，产生的表层裂缝不仅影响美观，也容易进一步扩展至内部，形成贯通裂缝，危及混凝土结构的安全性。汪娟等借助三维有限元和水管冷却计算方法，对不同温控方案的混凝土温度场和应力场进行了仿真计算分析，认为增强表面保护可以有效降低混凝土的温度应力极值，获得良好的温控防裂效果。许继刚等研究了高寒地区大坝表层混凝土保温措施的合理性，计算结果表明表面保护可以降低周围环境温度对混凝土的影响，防止昼夜温差和寒潮对混凝土表面的冷击。

但是，上述研究在进行大体积混凝土结构有限元仿真计算时(特别是易遭受恶劣温变的表层混凝土部位),多基于月平均气温来计算每天不同时刻浇筑的外界气温进行温度场和应力场仿真计算，不能真实地反映实际情况，具有一定的局限性。事实上，考虑短时间内的大温差恶劣条件时，昼夜温差等气温骤变的外界环境导致的表面温度应力数值可观，极易引发表层开裂。另一方面，上述研究也未考虑拆模龄期和大温差耦合作用下表面混凝土的开裂风险，不便于施工阶段确定合适的拆模龄期。

1 计算理论

1.1 热传导方程

式中，τ为时间(h);λ为导热系数[kJ/(m·h·℃)];ρ为密度(kg/m3);C为比热[kJ/(kg·℃)];a=λ/cρ为导温系数(m2/h);θ为绝热温升(℃);Τˉ=Τˉ(τ)为C1边界上的给定温度(℃);q=q(τ)为C2边界上的给定热流[kJ/(m2·h)];β为C3边界上表面放热系数[kJ/(m2·h·℃)];Ta为在自然对流条件下，Ta为外界环境温度(℃);在强迫对流条件下，Ta为边界层的绝热壁温度(℃)。

1.2 应力计算

2 工程概况

2.1 工程概况、气象和地质条件

选取某碾压混凝土拱坝进行仿真计算(下游立视图见图1),该拱坝为引汉济渭枢纽工程建筑物之一，坝址位于陕西省佛坪县大河坝乡三河口村下游2 km处，其主要任务是调蓄支流子午河来水及一部分抽水入库的汉江干流来水，向关中地区供水，兼顾发电，是整个调水工程的调蓄中枢。拱坝最大坝高145 m, 正常蓄水位643 m。坝址区域多年平均气温12.3 ℃,极端最高气温37.4 ℃,最低气温-16.4 ℃。坝址区地质构造单元位于南秦岭褶皱体系带的东西向的倾伏背斜之中，地层以倾伏褶皱变形为主。背斜两翼及核部地层受南北向挤压应力，呈向北倾伏。

2.2 混凝土和基岩热、力学参数

碾压混凝土拱坝坝体材料采用三级配的C9025碾压混凝土，坝体上、下游面设1 m厚C9025二级配碾压混凝土，坝基设1.5 m厚C2825常态混凝土垫层。

混凝土和基岩的热、力学参数引用自文献[1],如表1至表3所列。

[1] 昆明勘测设计研究院有限公司.陕西省引汉济渭工程三河口水利枢纽碾压混凝土双曲拱坝温控措施研究 告[R].昆明：昆明勘测设计研究院有限公司，2017.PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited.Report of temperature control measures of Sanhekou roller compacted arch dam of hanjiang-to-weihe river water transfers project in Shannxi Province[R].Kunming:PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited,2017.

表1 大坝混凝土的热学性能

Table 1 Thermal properties of dam concrete

3 浇筑方案和拆模时机敏感性分析

3.1 计算模型和边界条件

3.1.1 河床坝段模型

3.1.1.1 模型 格与边界

用于分析浇筑季节和浇筑层厚影响的河床坝段计算模型与 格如图2所示。坝段底高程501.0 m, 顶高程646.0 m。图中顺河向为X方向，横河向为Y方向，竖向为Z方向。

表2 混凝土弹性模量

Table 2 Elastic modulus of dam concrete

GPa

温度场计算的边界条件如图3所示。基岩的四周和底面为绝热边界，其它面为热量交换边界，坝体表面蓄水位以上采用环境气温，并考虑2 ℃辐射热的影响，水位以下为水温边界。

应力场计算的边界如图4所示。基岩的底面为三向约束，基岩侧面为法向约束。共剖分单元总数71 122个，结点总数82 767个。

3.1.1.2模型验证

为了验证模型的准确性，本节对比了河床坝段施工阶段埋设的温度计实际监测数据与仿真计算结果。本工程坝体内部埋设的温度计分布在512～586 m高程范围，编 及位置如图5所示。受限于篇幅，本小节选取527 m高程坝体内部特征点T4-7的温度计实测数据。图6给出了基于本模型计算出的特征点处混凝土温度历程计算值和实测值的对比曲线。可以看出，特征点温度历程计算值能较好的反映混凝土实测温度过程，温变过程与实测温度历程基本吻合，验证了模型的准确性。

表3 基岩热力学性能

Table 3 Thermal and mechanical properties of bedrock

3.1.2 昼夜温差计算模型

用于分析拆模时机对表面应力影响的精细化计算模型与 格如图7所示，混凝土层的厚度分别设为1 m和10 m, 用于分析表层混凝土浇筑后的应力状态。

10 m厚 格如图7(a)所示， 格厚度10 cm, 共剖分13 002个单元，12 724个节点；1 m厚 格如图7(b)所示， 格厚度1 cm, 共剖分39 600个单元，43 245个节点。

3.2 计算基本条件及工况

3.2.1 浇筑层厚和浇筑季节工况

本次计算采用SAPTIS有限元软件仿真模拟典型河床坝段混凝土浇筑全过程。设计工况下，强约束区的浇筑厚度为3 m, 浇筑间歇期为8 d, 浇筑时间为2016年11月19日。

为了分析不同浇筑层厚度的可行性并对温控措施进行优化，在设计工况的基础上，拟定了其余5种工况，浇筑厚度分别为1.5 m和4.5 m, 同时考虑了7月份浇筑的施工方案，其他温控措施不改变，具体设定如表4所列。

3.2.2 拆模时机工况

本节主要考察不同拆模时机(3 d、7 d和14 d)条件下表面混凝土应力的变化，计算工况如表5所列。坝址区域混凝土边界日气温变化曲线如图8所示。

3.3 结果与讨论

鉴于坝体的最大应力通常出现在强约束区，因此本节主要分析强约束区的应力发展和开裂风险。表6列出了各工况条件下混凝土的温度应力和安全系数值。

图9和图10分别给出了gk1和gk4条件下坝段典型的温度和应力包络图，低温和高温季节浇筑的混凝土最高温度相差7 ℃。由温度包络云图可以看出，混凝土坝内部的高温区域出现在两个区域：一个是高温季节(6—8月份)浇筑仓[图9(a)中高温季节浇筑仓处于强约束区],另一个区域是靠近上游区域的表层混凝土，原因是由于二级配碾压混凝土的绝热温升较大坝主体混凝土温度更高，导致混凝土的最高温度更高；由图9(b)可以看出，高温季节浇筑坝段的强约束区存在较大范围的高拉应力区域，表层混凝土附近拉应力也略高，主要是由于其较高的绝热温升导致。

表4 计算工况

Table 4 Parameters of calculation case for casting plan

表5 拆模时机计算工况

Table 5 Parameters of calculation case for demolding age

表6 不同浇筑层厚对温度应力的影响

Table 6 Effect of cas