第２９卷第５期　２０１　０年１　０月　四川水力发电　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　ＶｏＩ．２９．Ｎｏ．５　０ｃｔ．．２　０　１　０　

某碾压混凝土重力坝温控措施研究　

左红军　（四川二滩建设咨询有限公司，四川成都６１００５１）　

摘要：在大体积混凝土工程中，温度应力和温度控制具有重要的意义。碾压混凝土坝与常态混凝土坝相似，同样存在温度　应力导致的裂缝问题。碾压混凝土坝的温度应力有它不同于常态混凝土坝的特点，必须考虑这些特点，才能制定出有效的　温控措施保证大坝安全。　关键词：碾压混凝土重力坝；温度场；温度应力；温控措施　中图分类号：ＴＶ５１；ＴＶ５２；ＴＶ６４２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－２１８４（２０１０）０５４３００４－０８　

１概述　１．１　碾压混凝土坝的发展概况　碾压混凝土是用振动碾压实的超干硬性混凝　

土，碾压混凝土坝是在常态混凝土坝与土石坝的　激烈竞争中产生的。１９７０年，美国加州大学拉斐　

尔（Ｒａｐｈａｅ１）教授首次提出了碾压混凝土的概念；　１９８０年，世界上第一座碾压混凝土坝——Ｅｔ本岛　

地川重力坝建成；１９８２年，美国建成了世界上第　

一座全碾压混凝土重力坝——柳溪坝。此后，碾　压混凝土筑坝技术被各国坝工界人士所接受，其　

发展速度如雨后春笋。到２００１年为止，全世界已　建和在建的、坝高超过１５　ｍ的碾压混凝土坝超过　

２１０座，分布在２８个国家和地区。　我国对碾压混凝土筑坝技术的研究开始于　１９７８年，１９８６年建成了第一座碾压混凝土坝（福　建坑口坝）。随后，该技术又在天生桥二级、铜街　

子、岩滩、水口、观音阁、江垭等工程中得到成功应　用。到目前为止，我国已建成的、坝高超过２５　ｍ　的碾压混凝土坝有４１座，在建的有ｌ５座，正在设　

计中的有１８座，其中超过１００　ｍ坝高的有ｌ８座，　１３２　ｍ高的沙牌碾压混凝土拱坝和２１６．５　ｍ高的　

龙滩碾压混凝土重力坝分别是目前世界上最高的　碾压混凝土拱坝和重力坝。　１．２碾压混凝土坝的主要特点　碾压混凝土筑坝发展迅速，主要是因为这种　

技术具有许多优点。碾压混凝土筑坝改变了常态　混凝土筑坝用振捣器插人振捣密实的方法，代之　

以在浇筑层面用振动碾振动碾压。所用的混凝土　

收稿日期：２０１０－０６４）７　

■Ｓｉｃｈ“册Ｗａｒｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　可以是干硬的，用水量和水泥用量均不多；同时采　用较高的粉煤灰含量，所以使用水泥也少；可用土　

石坝使用的土工机械，施工简便、安全、快速，能缩　短工期和降低造价。根据日本的实践证实：工程　

费用可节省２０％，施工速度也可加快２０％。我国　

几个碾压混凝土坝的工程实践亦证实可降低坝体　造价１６％～２３％。目前，碾压混凝土筑坝发展很　快，技术ｔ３益完善，显示了它的生命力。　

１．３碾压混凝土坝的温度应力问题　混凝土坝一般属于大体积混凝土结构，体积　庞大，混凝土浇筑后在固结硬化过程中，由于水泥　

的水化作用，在最初几天产生了大量的水化热。　因混凝土的导热性能较差，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℃。既使考虑表面散热，　

混凝土内部最高温度仍比浇筑时高出７℃一３５　℃。当混凝土内部温度达到最高温度后，随着时　

间的推移，温度逐渐下降。在混凝土的整个固结　硬化过程中，由于外界环境温度变化、水泥水化作　

用、外部及自身约束等各种因素的作用，将在结构　内部或表面产生拉应力。当混凝土的抗拉强度不　

足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。　

碾压混凝土坝产生温度应力的机理与常态混　凝土坝相同，虽然碾压混凝土坝使用的水泥数量　

较少，所产生的水化热总量与通常浇筑式混凝土　

坝相比也较少，这对于减少坝体由于温度作用所　产生的拉应力是有利的；但因其大量掺用粉煤灰，　

水化热散发推迟，而碾压混凝土上升速度快，因而　使施工过程中层面散热不够，与常态混凝土相比，

　左红军：某碾压混凝土重力坝温控措施研究　２０１０年第５期　

碾压混凝土的徐变较小，极限拉伸变形也略低，故　

抗裂能力较低。其极限拉伸值比同标号的常态混　凝土的极限拉伸值略低，且徐弹比只有常态混凝　土的１／３—２／３，这对混凝土抗裂不利。因此，碾　

压混凝土坝不容置疑地存在着温度应力问题。　碾压混凝土坝建成后，水化热会使坝体温度　

上升，温度改变会引起温度应力。对于这种大体　积混凝土工程，由于综合效益的需要，碾压混凝土　

必须进行包括高温季节与低温季节的全年连续通　仓碾压施工。坝体上升速度快，｝昆凝土水化热来　不及散发，坝体混凝土温度在施工期和运行期冷　

却到稳定温度场的过程都会出现温度应力，温度　裂缝问题是不可避免的。在北方地区，由于采用　

间歇式的施工方法以及碾压混凝土坝自身的施工　

特点，使得坝体温度应力问题显得尤为突出。　２工程概况　２．１　工程规模与气象　

某水利枢纽工程为Ｉ等工程，枢纽由碾压混　凝土重力坝、发电引水系统、电站厂房等组成。碾　

压混凝土重力坝正常蓄水位高程为１　３３０　１１１，坝顶　高程为１　３３４　ｉｎ，最大坝高１６８　ｉｎ，坝顶全长　

５２９．３２　ｌｆｎ，最大底宽１５３．２　１ＴＩ。　该大坝所在流域地处青藏高原东侧的边缘地　

带，属川西高原气候，主要受高空西风环流和西南　季风影响，区域内干湿季分明，每年１１月至次年　

４月为旱季，日照多、湿度小，日气温变幅大，降雨　很少，约占全年降雨量的５％～１０％；每年５～１０　月为雨季，降雨集中，约占全年雨量的９０％～　

９５％。　坝址多年平均气温为１８．６℃，极端最高气温　

３９．４℃，极端最低气温０．５℃；多年平均降雨量　１　０７７．４　ｍｍ，多年平均相对湿度７４％，多年平均　

最大风速１４　ｍ／ｓ，多年平均水温１４．１℃。坝址区　气候干燥，气温日变幅大，气温骤降多发生在２～　５月。　２．２大坝分缝设计　枢纽建筑物自左至右分别布置有左岸挡水坝　

段、河床溢流坝段和右岸挡水坝段。左岸挡水坝　段设８条横缝、９个坝段，坝顶总长１８４　ｍ，除１＃　

接头坝段长度为２４　ＩＴＩ外，其余坝段均长２０　１ＴＩ。　右岸挡水坝段设８条横缝、９个坝段，坝顶总长为　

２０４．９８　Ｉｌｌ，除２３＃、２４＃、２５＃接头坝段长度分别长　３４．９８　ｍ、２５　ｍ、２５　ＩＴＩ外，其余坝段长度均为２０　ｍ。　河床中１１＃～１５撑共５个坝段为溢流坝段，共长　

１０３　ｍ，除１１＃、１５＃坝段宽度分别为２４　ｉｎ、１９　ｍ　外，其余每个坝段均为２０　ｎｌ。２个中孑Ｌ坝段１０＃、　

１６＃分别布置在溢流坝两侧，坝段长２０　ｍ。　因大坝最大底宽为１５３．２　ｎｌ，参照同类工程　

经验，考虑不设纵缝。　２．３大坝混凝土分区　（１）溢流坝段坝体混凝土分区。　

溢流坝段坝体混凝土分区：上游迎水面采用　Ｃ９０２５ＷｌＯＦｌＯ０富胶二级配碾压混凝土防渗，高　

程１　２４０　ｍ以上厚度为５　ＩＴＩ，高程１　２４０　ＩＴＩ以下厚　度为７　ＰＳＩ。为进一步提高其耐久性，上游迎水面　

表面采用同标号变态混凝土，高程１　２４０　ｍ以上　

厚度为１　ｉｎ，高程１　２４０　ＩＩ１以下厚度为１．５　ｍ。考　虑建基面开挖起伏差、温控及灌浆等要求，基础垫　层采用２　ｎｌ厚的Ｃ９０２５Ｗ８Ｆ１００常态混凝土。溢　流面采用厚０．５　ｍ的抗冲耐磨Ｃ２８５０Ｗ８ＦｌＯ０常　

态混凝土。为方便施工和使其更好的与坝体内碾　

压混凝土结合，在该层抗冲耐磨混凝土下设置了　

一层平均厚３　ｉｎ的Ｃ２５Ｗ８Ｆ１００常态混凝土。坝　体内部碾压混凝土按高程分区，在１　２００　ｌｉｌｔ高程　以下为Ｃ９０２５Ｗ６Ｆ１００碾压混凝土，在１　２００～　Ｉ　２８４　ｉｎ高程之间为Ｃ９０２０Ｗ６Ｆ１Ｏ０碾压混凝土，　

１　２８４　１＂１３高程以上为Ｃ９０１５Ｗ４Ｆ１００碾压混凝土。　闸墩及边墙采用Ｃ２８３５Ｗ８Ｆ１００常态混凝土。坝　

体内廊道周边１　ｍ范围内采用所在部位同标号的　变态混凝土。分区情况见图１。　（２）中孔坝段坝体混凝土分区。　

上游迎水面为Ｃ９０２５Ｗ１０ＦｌＯ０富胶二级配碾　压混凝土防渗，高程１　２４０　ＨＩ以上厚度为５　Ｉｎ，高　

程１　２４０　１ＴＩ以下厚度为７　１ＴＩ；上游迎水面表面采用　

一层同标号变态混凝土，高程１　２４０　ＩＴＩ以上厚度　

为１　ｉｎ，高程１　２４０　ｉｎ以下厚度为１．５　ｉｎ。　基础垫层采用２　ｍ厚的Ｃ９０２５Ｗ８ＦＩＯ０常态　混凝土。　坝体内部碾压混凝土按高程分区，在１　２００　ｍ　

高程以下为Ｃ９０２５Ｗ６Ｆ１００碾压混凝土，在１　２００　

～１　２８４　ＩＴＩ高程之间为Ｃ９０２０Ｗ６ＦｌＯ０碾压混凝　

土，１　２８４　ｍ高程以上为Ｃ９０１５Ｗ４Ｆ１００碾压混凝　

土。　中孔工作门位于出口处，平时为充水状态，温　

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ｒ■　第２９卷总第１４０期　四川水力发电　２０１０年１Ｏ月　

图１　溢流坝段坝体分区图　度应力较大，并且中孔周边的坝体应力集中现象　根据施工安排，基础常态混凝土垫层浇筑层　

较严重，需要配置一定数量的结构受力钢筋。同　厚１　１ＴＩ；碾压混凝土基础强约束区升程为１．５　ｉｎ，　时，为满足抗冲耐磨要求，中孔周边采用钢板衬　基础弱约束区升程为２　Ｉｎ，非约束区升程为３　ｍ。　

砌，闸门后过水面采用厚０．５　ｍ的抗冲耐磨　施工进度见表１。按照总体施工进度安排，蓄水　Ｃ２８５０Ｗ８Ｆ１００常态混凝土。综合考虑上述结构　时间初步定在施工开始后（开浇日期为２００８年９　特点并方便施工，确定孔口周边混凝土分区，孔口　月１日）第６年的１１月份，蓄水温度按当月天然　

底板以下１　ｉｎ和两侧及顶板以上３　ｉｎ均采用　河水温度考虑。　Ｃ９０２５Ｗ６Ｆ１００常态混凝土。　３　碾压混凝土坝温度场和应力场的研究方法　坝体内廊道及检修闸门孑Ｌ周边１　ｍ范围内在　３．１　碾压混凝土坝温度场的研究方法　高程１　２８４　ＩＴＩ以上使用Ｃ９０２０Ｗ６ＦｌＯ０变态碾压　对碾压混凝土坝进行温控防裂研究，首先要　

混凝土，该高程以下采用Ｃ９０２５Ｗ１０Ｆ１００变态碾　进行大坝温度场的研究，研究方法一般可分为解　压混凝土。分区具体情况见图２。　析方法和近似方法两类。近似方法包括数值解　

２．４施工进度计划　法、图解法、电热模拟等。由于后几种方法近年来　

■Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ

　左红军：某碾压混凝土重力坝温控措施研究　２０１０年第５期　

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图２　中孔坝段坝体分区图　表１施工进度计划表　一　＋　

很少使用，因此，近似方法一般多指数值解法。数　值解法根据其计算原理可分为差分法、边界元法　和有限元法。　３．２碾压混凝土坝温度应力场的研究方法　碾压混凝土坝温度应力场的分析方法主要有　理论解法、实用算法、数值方法三种。其中数值方　法又分边界单元法和有限单元法两种方法。　３．３有限单元法　本工程进行碾压混凝土坝温度场和应力场的　研究和分析采用的是有限单元法。有限单元法是　目前较为成熟的计算混凝土坝温度场和应力场的　数值方法。根据温度应力随时间发展变化的特　点，一般采用增量初应变法。即在每一计算时段　初用前一时段的应力增量计算徐变变形增量，并　

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