龙滩大坝碾压混凝土温度控制的难点及措施
摘 要 用有限元法分析龙滩大坝碾压混凝土在自然和温控条件下的温度场，用实用法分析碾压混凝土大坝在埋设冷却水管和不埋设冷却水管情况下，典型季节的温度情况，得出高温季节和次高温季节混凝土的温度控制难点,在此基础上提出温度控制方法和温控中应注意的问题。 关键词 碾压混凝土 温度控制 龙滩大坝
1 概述
龙滩工程大坝在正常蓄水位为375m时，其坝顶高程382m，最大坝高192m，坝顶轴线长741m；当正常蓄水位抬高至400m时，其坝顶高程406.5m，最大坝高216.5m，坝顶轴线长836.5m。大坝共分31个坝段，其当水前沿宽度为20～30m不等。龙滩工程为I等大（1）型工程，除通航建筑物和大坝结构混凝土为常态混凝土外，其余的均为碾压混凝土，龙滩大坝建成后，将是世界上最高的碾压混凝土坝。
根据龙滩大坝总进度的安排，大坝混凝土施工工期为四年。要实现这一工期目标，高温季节浇筑混凝土特别关键，其温度控制非常重要，国内外已有的经验和成果表明，高温季节浇筑碾压混凝土的难题目前尚为彻底解决，这就给龙滩大坝在高温季节施工带来挑战。因此，本文通过理论分析和三峡工程的实践经验，对龙滩工程高温季节和次高温季节条件下，碾压混凝土施工的温度控制加以分析并提出对策措施。
2 混凝土坝温度场的分析
2.1 有限元仿真分析的特点
有限元分析是根据大坝混凝土浇筑的边界条件（如:混凝土的初始温度、浇筑层厚、间歇时间、外界气温变化、混凝土内部是否埋设冷却水管等）， 使用有限元数值模拟方法, 仿真地分析大坝在施工和运行状态下,混凝土的温度和温度应力发展状况,分析影响混凝土温度和应力的不利因素，为确定混凝土施工方法和温度控制提供理论依据。
2.1.1 温度场有限元仿真计算及分析
受外界气温和混凝土水化热的作用，混凝土坝体无论在空间的分布和随时间变化过程都是不均匀的。混凝土结构的部分应力正是由这种温度分布不均匀引起的，混凝土热流量服从傅立叶实验定律，这样温度场的热传导方程为：
??2??2??????＝???2??...................................................(1) 2?????y?????x式中:α为混凝土导温系数,θ
(t)为混凝土绝热温升函数。采用冷却水冷却的修正热传导方程为：
???????2?????(2?2)?(?0??w)??0..................................(2) ???????x?y式中T0为混凝土的浇筑温度；Tw为通水的水温。
选取龙滩大坝溢流17#坝段作为典型分析对象。按二维平面问题分析，基础边界温度按照第一类边界处理，坝顶面及上下游面按第三类边界条件处理。混凝土参数的选取见表1。
气温参数选取当地气温资料拟合的气温函数为： T=20.1+8.03×cos（0.5236×（t+540）×0.5/30.0-7.023））
其中t为时间变量，年气温变幅为16.06℃，混凝土表面放热系数为β=35.75[kJ/（m.h.℃）]，地温选取根据当地所处环境及经度纬度，参考有关资料按经验选取为20℃恒定温度。
表1 混凝土的力学及热学参数
表观密度类型
泊桑比 kN/m 3导温系数 m/h 2导热系数 比热 线膨胀系数 1
kJ/（m.h.℃） CC RC1 RC2 RC3 RC4 0.167 0.163 0.163 0.163 0.163 24.5 24.0 24.0 24.0 24.0 0.003704 0.003941 0.003941 0.003941 0.003941 8.776 9.27 9.27 9.27 9.27 kJ/kg.℃ 0.9697 0.9697 0.9697 0.9697 0.9697 10-6/℃ 7 7 7 7 7 为求得坝体温度场分布，采用3节点与4节点平面体单元离散坝体，时间采用差分法。其差分——有限元格式为：
22??????[?]?[R]T???[R]?????????F???????F???0...........(3)??t???????NT?N?NT?Ne式中H???????（??Y）dA?A?X?X?y?yee?????TeTF??F??（??NdA???TNdl???NTN?T?dl）??eee
R??Re????NTNdAee上式中，N为单元的形函数，???/?，?A为域内的面积单元。根据初始温度和边界条件，按照基础约束区混凝土浇筑层厚1.5m，脱离基础约束区的浇筑层厚为2.0m，可以按式（3）逐步确定温度场分布及发展过程。
图1是自然条件下和采取温控措施条件下的大坝温度场分布图。选择点A、B、C、D、E、F作为典型点进行温度分析，其坐标值分别为：（-3.0，196.0）、（16.26，193.0）、（21.7，255.0）、（123.0，269.0）、（6.0，290.0）和（1.0，350.0）。
下面讨论这些点的温度变化情况。对下列3种工况进行分析：①自然条件下浇筑混凝土温度场变化分析；②为降低浇筑温度2℃时温度场变化情况；③采用通水冷却措施下温度场变化曲线，冷却水管布置在基础常态混凝土范围和高温季节混凝土浇筑区内，通水时间分别为初期15天，中期第60天～第75天，共计通水两次，通水水温为20℃。
350350F?300ED250C300250200AB
50100150200150-50 0150-50050100150图1 坝体温度特征点图 图2 通冷却水方案温度场(第1500天)
表2给出了3中工况各典型点的最大温升值及次大温升值。从表2可以看出：与工况①相比，采取工况②后，各典型点相应的最大温度降低值约在1℃左右，采取工况③以后降低温度7.6℃，降低浇筑温度和冷却通水的效果均明显。图2是上述第③种工况下的坝体第1500天温度场图，与典型点温度变化趋势相同。
表2 3种工况各典型点最大温升值比较 （单位：℃）
A B C D E F 备注 2
工况① 工况② 工况③ 30.8 30.3 30.0 29.7 29.9 27.5 34.0 33.7 33.7 30.6 31.1 30.5 31.5 26.8 31.3 26.8 30.8 26.8 31.5 28.4 30.9 28.3 31.5 28.1 36.1 29.0 35.5 28.7 32.5 27.4 38.0 36.6 37.9 30.4 最大 次大 最大 次大 最大 次大 2.1.2 实用法计算混凝土内部最高温度 通过有限元分析后，再用实用法详细计算混凝土各浇筑层的短期内部温度变化：
(Tp?Tb）E2X1（Tw?Tb）E（Tr21?X1）Tm????Tb..........................（4）1?E1X11?E1X11?E1X1（Tp?Tb）E2TbTm???Tb.....................................................................（5）1?E11?E1式中Tb为砼表面温度；Tp为新浇砼的浇筑温度；E1、E2为砼散热残留比；Tr砼的水???L化热温升；X1为计算变数，由2、的值查表求得。DCw?wqw?为导温系数；D为冷却水管转化圆直径；?为导热系数；Cw为水的比热；qw为通水流量；?w为水的密度。砼的绝热温升Tr由下式求得：20.7?17.7?16.2?；RII砼：Tr?；RIII砼：Tr?；3.257??2.616??2.0704??22.53?25.3?RIV砼：Tr?；常态砼C20CI：Tr?5.64??1.007??RI砼：Tr? 计算结果如表3。
通过对RI混凝土4、5、7、9、10月份浇筑的混凝土内部最高温度计算可知，在 4、10月份不冷却的情况下，层厚1.5m，混凝土内部最高温度为26.1℃，15天后混凝土内部温度为25℃；在5、9月份不冷却的情况下，层厚1.5m，最高温度分别为28.6℃、28.5℃，15天后混凝土内部温度为27.2℃、27.1℃；7月份浇筑的混凝土内部最高温度为30.9℃，15天后混凝土内部温度为29.1℃。由于上层混凝土的浇筑和残留的水化热温升的作用，15天后混凝土内部温度仍然会上升，其它类型的混凝土温度情况大致相仿。因此，混凝土浇筑后进行初期或中期通水是必要的。
3 坝体混凝土的温度控制分析
3.1 混凝土的内部最高温度控制分析
混凝土内部最高温度由胶凝材料的水化热温升、混凝土浇筑温度、混凝土与外界环境的热交换形成，高温季节浇筑的混凝土由于浇筑温度较高和外界气温的影响，使混凝土内部最高温度相对较高，根据2.1.2节计算前15天的结果，5月份浇筑的层厚为1.5m的混凝土仍然有28℃的高温，7月份浇筑的层厚为1.5m的混凝土，最高温度达30.1℃，9月份浇筑的层厚为1.5m的混凝土最高温度有27.7℃。至于浇筑3.0m升层，5月份最高温度为36.8℃，7月份的最高温度为38.1℃，9月份为36.9℃。上述的计算是按入仓温度22℃取值，在实际施工时，特别是夏季高温时段，控制浇筑温度在22℃以内将非常困难，因此混凝土内部的实际温度将比计算的还高，虽然其最高温度没有超过设计允许的温度，但是碾压混凝土的水化热释放得较慢。根据已有的经验，碾压混凝土的最高温度将出现在第80天～第90天左右的时间，随着混凝土浇筑层的上升，混凝土内部的热量与外界的热交换非常少，即使有初期通水，但由于通水时段在混凝土浇筑后15天内，其削峰的效果并不明显。计算表明，在5～9月份浇筑的混凝土实施冷却通水，通水温度为12℃，5、7、9月份浇筑的混凝土最高温度分别为：27.6℃、30.3℃、28.0℃，削峰的值分别为0.4℃、0.2℃、0.3℃。15天后，混凝土将有第二次温升，对于RI混凝土，第20天的水化热绝热温升为17.80℃，第90天的水化热绝
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