Research on the Temperature Control and Crack Prevention of RCC Gravity Dam of Dagu Hydropower Station During the Construction Period

Guo-shun YAN; Zhi-qiang XIE

China Rural Water and Hydropower ›› 2022 ›› (1) : 183-189,195.

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Abstract

Dagu Hydropower Station is located in the high altitude area with complex climate environment. Temperature control and crack prevention during construction are the key technical problems in the design and construction of the project. In this paper， 5# slope dam section is selected as the research object to simulate the whole process of dam pouring. Considering the concrete creep， the three-dimensional finite element method is used for numerical simulation calculation. The temperature field and stress characteristics of the dam are studied， and the temperature control and crack prevention measures are proposed. The research results show that RCC dam construction in the high altitude area has the characteristics of high risk of cracking on upstream and downstream dam surface when concrete is poured in low temperature seasons and high risk of cracking in internal concrete when concrete is poured in high temperature seasons. After adopting the temperature control and crack prevention measures proposed in this paper， the temperature variation of upstream and downstream dam surface and warehouse surface is significantly reduced under the combined action of external temperature maintenance and internal water cooling. The anti-crack safety degree of concrete on the surface and inside of the dam body can reach 1.8， which meets the engineering design requirements.

Key words

high altitude area / RCC grivity dam / simulation calculation

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Guo-shun YAN , Zhi-qiang XIE. Research on the Temperature Control and Crack Prevention of RCC Gravity Dam of Dagu Hydropower Station During the Construction Period. China Rural Water and Hydropower. 2022, 0(1): 183-189,195

大古水电站位于西藏自治区山南市桑日县境内，海拔 3 500 m，气候环境复杂，呈“温差大、气压低、辐射强、空气干燥、大风频繁”的典型高原气候特征^［1］。该水电站为二等大（2）型工程，主要水工建筑物按2级设计，拦河大坝为RCC重力坝，最大坝高126 m，最大底宽104.5 m，坝体混凝土总方量约176.9 万m³。根据国内外工程经验，海拔2 000 m以下地区碾压混凝土筑坝技术已较为成熟，但大古水电站是国内海拔3 500 m地区建设的首座碾压混凝土坝，坝址海拔高气候条件差，大坝在施工期所面临的温控防裂形势严峻，其温控仿真与措施是该工程设计、施工的关键技术之一^［2-4］。对于混凝土坝而言，基础约束区是防裂的重点部位^［5，6］，为了确保大古水电站RCC重力坝具有较高的抗裂安全性，本文以5号坝段为研究对象，对基础约束区混凝土温度、应力特性进行分析，并以此为基础制定合理的大坝施工温度控制标准，提出可行的大坝混凝土温度控制措施。

1 数值模拟

1.1 计算模型

5号坝段为边坡坝段，浇筑仓面形态差，边坡高陡，应力状态复杂，温控防裂难度较大，结构模型见图1，基础模拟范围为铅直向自建基面向下延伸1.5倍坝高，顺河向分别向上下游延伸1.5倍坝高。

图1 结构模型

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1.2 计算条件

依据大古水电站相关建设单位技术资料^［7-10］，结合混凝土现场浇筑施工组织设计^［11］，参考行业规程规范以及相关类似工程经验^{［12，13］}确定。

1.2.1 环境温度

根据坝址区域气象站实测气象要素月平均气温统计，拟合年气温作用曲线如下式：

T_{c} (t) = 10.2 + 7.9 s i n \frac{2 π}{365} (t - 100)

（1）

1.2.2 材料力学性能参数

混凝土材料抗裂能力是混凝土坝温控防裂的关键因素。大古重力坝采用粉煤灰碾压混凝土材料，虽可大量减少水泥用量，但由于掺料量的增加，使得混凝土早期抗裂能力降低，增加了早龄期混凝土开裂风险。三级配碾压混凝土C₉₀15水灰比为0.55，粉煤灰掺量为60%；二级配碾压混凝土C₉₀20水灰比为0.50，粉煤灰掺量为50%；三级配常态混凝土C₉₀20水灰比为0.50，粉煤灰掺量为25%。根据混凝土的材料性能试验成果，得到相应的混凝土物理力学参数见表1。

表1 混凝土配合比及力学性能参数

混凝土	抗压强度/MPa				抗压弹模/GPa
混凝土	7 d	28 d	90 d	180 d	7 d	28 d	90 d	180 d
三级配碾压C₉₀15	8.1	13.3	21.8	25.9	10.6	15.6	19.9	21.7
二级配碾压C₉₀20	11.4	19.4	29.1	32.7	14.4	18.7	23.6	24.2
三级配常态C₉₀20	15.7	25.1	31.7	34.3	16.3	19.3	22.3	23.9

1.2.3 材料热学性能参数

根据混凝土的材料性能试验成果，混凝土热学性能参数见表2~表3。

表2 混凝土热学性能参数

混凝土

导温系数/（10^-3m²·h^-1）

导热系数/［kJ·（m·h·℃）^-1］

比热/［kJ·（kg·℃）^-1］

线胀系数

10^-6/℃

容重/（kg·m^-3）

泊松比

三级配碾压C₉₀15

2.46

5.58

0.938

7.9

2 420

0.167

二级配碾压C₉₀20

2.62

6.06

0.964

8.0

2 400

0.167

三级配常态C₉₀20

2.77

6.64

1.012

8.1

2 380

0.167

表3 混凝土绝热温升

混凝土	28 d绝热温升/℃	拟合最终绝热温升/℃	绝热温升
三级配碾压C₉₀15	15.2	17.57	$T_{r} = \frac{17.57 t}{t + 3.286}$
二级配碾压C₉₀20	19.8	23.08	$T_{r} = \frac{23.08 t}{t + 3.498}$
三级配常态C₉₀20	28.6	31.98	$T_{r} = \frac{31.98 t}{t + 2.860}$

2 结果与分析

2.1 基础约束区混凝土开裂风险

基础约束区混凝土受约束性强，是碾压混凝土坝防裂研究的重点区域。实测气温资料显示，大古水电站昼夜温差6月份达到20 ℃，11月份达到22 ℃，设置计算工况如表4所示，深入分析各因素对基础约束区混凝土温度、应力时空分布特性的影响。

表4 开裂风险分析计算工况

工况设置	起浇日期	昼夜温差	浇筑间歇/d	浇筑温度/℃
case 1	11-10	考虑	10	13.0
case 2	11-10	不考虑	10	13.0
case 3	11-10	不考虑	20	13.0
case 4	11-10	不考虑	20	10.0
case 5	06-10	考虑	10	13.0
case 6	06-10	不考虑	10	13.0
case 7	06-10	不考虑	20	13.0

基础约束区混凝土选取特征截面及特征点如图2所示，特征截面选取浇筑块轴向中截面；特征点T1、T2位于浇筑块中部，T1位于浇筑层表面，T3位于上游表面附近，距离上游面0.5 m，T4点位于下游面附近，距离下游表面0.5 m。

图2 基础约束区混凝土典型截面位置与特征点示意（单位：m）

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2.1.1 温度及应力特征分析

基础约束区混凝土温度及应力变化规律见图3，在不采取任何温控措施情况下，混凝土施工期温度历程大致分为第一升温期、第一降温期、第二升温期、第二降温期四个阶段。第一升温期由水化放热引起，第一降温期由浇筑层间歇期仓面及上下游面散热引起，第二升温期由上层混凝土浇筑热量倒灌引起，第二降温期由后续降温过程引起。不同阶段升降温均会引起混凝土应力波动，总体表现为温升应力减小（趋于受压），温降应力增大（趋于受拉）。在第一升温期混凝土产生了不同程度的压应力，但由于早期混凝土弹模较小，其压应力水平较低。第一降温期仓面点T1主要呈拉应力状态，混凝土表面区域早期开裂风险高；第二升温期各点应力出现明显下降，而且温升速率越大，应力下降速率越明显，T1点应力下降幅度明显大于T2点，而T2点明显大于T3、T4点；第二次降温期，各部位应力重新出现回升，到龄期40 d（天）后，T3、T4点已经超过允许抗拉应力，抗裂安全度小于1.8。在第二降温期，由于T1、T2点位于坝体内部，降温缓慢，应力历程平缓，但其温度维持在23 ℃左右，高出当地平均气温近13 ℃，在后期强约束、高弹模情况下，这一温差将在T1、T2点处产生极大的拉应力，后期出现开裂风险大。因此，碾压混凝土坝施工期温控防裂关键是控制两次降温期降温幅度和降温速率。

图3 工况2基础约束区混凝土特征点温度与应力历时曲线

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2.1.2 浇筑季节影响

不同季节浇筑的混凝土温度、应力有明显差异。由图4（a）、图4（c）可见，高温季节（6月始浇）工况第一降温期降温速率低于低温季节（11月始浇）工况，上部混凝土浇筑后，出现二次温峰，对于T1、T2点，第二降温期，两种季节工况温差基本稳定，相同龄期时，高温季节工况高出低温季节工况2 ℃左右；对于T3、T4点，早期峰值温度略高，后期高温季节工况降温速率明显小于低温季节工况，两种工况温差逐渐增大，到龄期60 d时，两种工况温差达10 ℃左右。由图4（b）、图4（d）可见，对于混凝土中部点T1、T2，上部混凝土浇筑前的第一升温期和第一降温期，由于两种工况降温速率差异较小，加之早期混凝土弹性模量较低，二者应力差异很小。上部混凝土浇筑后，第二升温期和第二降温期，应力先略有下降，此后伴随坝体降温应力逐步增大，高温季节工况浇筑的混凝土温度水平高，降温至稳定温度场温差大，后期内部开裂风险高；对于上下游面附近的T3、T4点，在第二降温期，低温季节工况的降温幅度大且降温速率高，开裂风险高。因此，低温季节浇筑的混凝土上下游坝面开裂风险高，高温季节浇筑的混凝土内部后期开裂风险高。

图4 不同季节浇筑混凝土特征点温度与应力历时曲线

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2.1.3 昼夜温差影响

由图5可见，基础约束区混凝土温度随时间呈现周期性变化，昼夜温差在仓面T1点引起的混凝土温差达5 ℃左右，但在距离散热面0.5 m左右的内部T2、T3、T4点引起的温度变幅减小为1.5 ℃左右。昼夜温差对仓面点T1第一次温度峰值影响明显，对内部点T2、T3、T4影响相对较小。昼夜温差对应力的影响主要体现在使表面应力产生周期性波动，对结构内部应力整体变化规律影响较小。混凝土表面在浇筑早期即接近或超过了允许抗拉强度，开裂风险明显增大。因此，坝体上下游表面和浇筑仓面应当设置表面保温措施。

图5 昼夜温差对不同部位温度与应力的影响

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2.1.4 浇筑间歇影响

由图6、7可见，低温季节浇筑的混凝土，随着间歇期延长，在第一降温期，中部点T1、T2点应力持续增大，接近允许拉应力，容易出现裂缝。浇筑上部混凝土，出现二次温峰后的第二降温期应力回升，到龄期40 d以后，不同间歇期应力不再有明显差异；上下游坝面附近的T3、T4点应力主要受上下游面散热影响，浇筑间歇期长短对其应力影响较小，随间歇期延长应力值略有减小。高温季节浇筑的混凝土应力变化规律与低温季节基本一致，区别在于高温季节浇筑混凝土在第一降温期产生的应力增幅有限，相对开裂风险较低。在实际工程施工中，若在高温季节浇筑基础约束区混凝土，则可适当延长间歇期，充分利用仓面散热降低混凝土整体温度。

图6 低温季节不同间歇期对温度、应力影响

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图7 高温季节不同间歇期对温度与应力的影响

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2.2 温控防裂措施研究

根据前述基础约束区混凝土温度及应力特性研究成果，综合温控防裂成本与效果，并参考类似工程，研究提出大古水电站RCC重力坝采取外部保温与内部通水降温相结合的温控防裂措施：

（1）浇筑分层与间歇期。碾压混凝土采用薄层、短间歇、连续浇筑法施工，碾压层厚30 cm，强约束区混凝土碾压升程高度为1.5 m，层间间歇8 d，弱约束区和自由区混凝土碾压升程高度为3 m，层间间歇8 d。

（2）混凝土浇筑温度。浇筑温度：强约束区，4-10月≤13 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃；弱约束区，4-10月≤18 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃；非约束区，4-10月≤20 ℃，11月到翌年3月≥5 ℃。

（3）通水冷却。水管间距为1.5 m×1.5 m沿左右岸方向布置。混凝土浇筑完成即可开始一期通水冷却，冷却20 d，进口水温12 ℃（流量1.5 m³/h），每24 h改变一次通水方向。中期进口水温为13 ℃，通水流量为0.6 m³/h，通水时间40 d。

（4）表面保温和养护。上下游表面混凝土采取表面保温措施，铺设5 cm厚的聚苯乙烯板，仓面采用保温措施，分别采用6 cm干燥的保温被（即仅考虑风对保温材料影响k=1.5）。干燥情况下保温被和聚苯乙烯泡沫塑料板的导热系数应小于 0.125 6 kJ/（m·h·℃），潮湿条件下保温被的导热系数应小于0.376 8 kJ/（m·h·℃），保温被采用保温卷材代替。

针对温控防裂措施效果进行数值计算分析，计算工况如表5所示。

表5 基础约束区碾压混凝土计算工况

工况	起浇日期	保温措施	通水冷却
case 1	11-10	有	无
case 2	11-10	有	有

2.2.1 保温效果

由图8可见，无保温措施情况下，昼夜温差导致碾压混凝土早期表面应力持续波动，极易超过允许拉应力；有保温措施的应力波动基本消除，表面附近抗裂安全度1.8以上，能够有效避免混凝土早期表面裂缝。然而，对于中部点，有保温措施的混凝土内部热量难以散失，后期降温幅度增大，应力增幅变大，抗裂安全度明显减小，开裂风险增加，因此混凝土中部必须采取通水冷却措施，减小开裂风险。

图8 保温措施对基础约束区混凝土开裂安全的影响

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2.2.2 通水冷却效果

在表面保温基础上，采用了通水冷却措施后，上下游面附近点，峰值温度降低幅度约5 ℃左右，中部点最大降幅约9 ℃左右，见图9（a）、图9（c）；大坝表面附近点抗裂安全度变化不大，基本保持1.8左右，中部点各高程最小抗裂安全度值有效提高，除越冬面上下两层外，中部点最小抗裂安全度均在2.0以上，见图9（b）、图9（d）。保温措施与通水冷却措施相结合，能够充分发挥各自的优势，做到“内外兼顾”，有效避免混凝土裂缝产生。

图9 通水冷却措施对碾压混凝土开裂安全的影响

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3 结论

（1）在浇筑季节影响方面，由于越冬影响，低温季节开浇的混凝土，越冬面距离建基面较近，其早期降温速率、应力水平明显高于高温季节开浇工况，而高温季节浇筑工况在降温期的降温速率明显低于低温季节，其内部热量累积，后期在大弹模、强约束下降温，开裂风险则高于低温季节浇筑的混凝土，故高温季节浇筑混凝土必须重点关注内部通水冷却降温。

（2）昼夜温差对表面混凝土温度与应力特性影响程度明显大于内部混凝土，考虑昼夜温差影响的坝体表面抗裂安全度普遍小于1.8，无法达到抗裂要求，因此保温对表面防裂而言至关重要。

（3）间歇期影响方面，低温季节间歇期的延长对混凝土防裂不利，而高温季节根据情况适当延长间歇期有利于散热和整体降温，对后期防裂有利。

（4）采用外部保温与内部通水冷却共同作用的温控防裂措施，坝体表面和内部的抗裂安全度均大于1.8，满足混凝土重力坝设计规范要求。 □

References

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8	华东勘测设计研究院有限公司，西藏大古水电站大坝混凝土热力学性能试验检测报告［R］．2019.5.

9	中国水利水电第九工程局有限公司，DBTJ-进度-2019-007 2019年实施性进度计划（已审批）［R］．2019.3.

10	中国水利水电第九工程局有限公司，西藏大古水电站大坝土建及金属结构安装工程施工总进度计划［R］．2018.12. 本文引用 [1]

11	邱冬梅，熊涛，蔡畅，等. DG水电站大坝工程碾压混凝土仓面设计［J］. 水电与新能源， 2019（12）. 本文引用 [1]

12	中华人民共和国能源行业标准，混凝土坝温度控制设计规范［S］．NB/T 35092-2017，2017. 本文引用 [1]

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1 数值模拟
1.1 计算模型
图1 结构模型
1.2 计算条件
1.2.1 环境温度
1.2.2 材料力学性能参数
表1 混凝土配合比及力学性能参数
1.2.3 材料热学性能参数
表2 混凝土热学性能参数
表3 混凝土绝热温升
2 结果与分析
2.1 基础约束区混凝土开裂风险
表4 开裂风险分析计算工况
图2 基础约束区混凝土典型截面位置与特征点示意（单位：m）
2.1.1 温度及应力特征分析
图3 工况2基础约束区混凝土特征点温度与应力历时曲线
2.1.2 浇筑季节影响
图4 不同季节浇筑混凝土特征点温度与应力历时曲线
2.1.3 昼夜温差影响
图5 昼夜温差对不同部位温度与应力的影响
2.1.4 浇筑间歇影响
图6 低温季节不同间歇期对温度、应力影响
图7 高温季节不同间歇期对温度与应力的影响
2.2 温控防裂措施研究
表5 基础约束区碾压混凝土计算工况
2.2.1 保温效果
图8 保温措施对基础约束区混凝土开裂安全的影响
2.2.2 通水冷却效果
图9 通水冷却措施对碾压混凝土开裂安全的影响
3 结论
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Received	Published
2021-03-25	2022-01-15
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2022-02-13

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1.2 计算条件

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2 结果与分析

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2.1.1 温度及应力特征分析

图3 工况2基础约束区混凝土特征点温度与应力历时曲线

2.1.2 浇筑季节影响

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2.1.3 昼夜温差影响

图5 昼夜温差对不同部位温度与应力的影响

2.1.4 浇筑间歇影响

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图7 高温季节不同间歇期对温度与应力的影响

2.2 温控防裂措施研究

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2.2.1 保温效果

图8 保温措施对基础约束区混凝土开裂安全的影响

2.2.2 通水冷却效果

图9 通水冷却措施对碾压混凝土开裂安全的影响

3 结论

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1.2.1 环境温度

1.2.2 材料力学性能参数

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1.2.3 材料热学性能参数

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2.1 基础约束区混凝土开裂风险

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2.1.1 温度及应力特征分析

图3 工况2基础约束区混凝土特征点温度与应力历时曲线

2.1.2 浇筑季节影响

图4 不同季节浇筑混凝土特征点温度与应力历时曲线

2.1.3 昼夜温差影响

图5 昼夜温差对不同部位温度与应力的影响

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2.2 温控防裂措施研究

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2.2.1 保温效果

图8 保温措施对基础约束区混凝土开裂安全的影响

2.2.2 通水冷却效果

图9 通水冷却措施对碾压混凝土开裂安全的影响

3 结 论

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References

3 结论