高寒大温差对高拱坝工作性态影响及应对措施

刘 毅，杨 波，程 恒2，，周秋景2，，张国新1，，张秀崧，李海涛

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 100038；3. 中国水利水电科学研究院结构材料研究所，北京 100038；4. 中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；5.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830002)

0 引 言

目前，我国在高寒地区已建成拱坝最高的是石门子拱坝，坝高109 m。对于高寒地区特高拱坝建设，我国仍然缺乏相关经验，而从世界范围看，在高寒地区修建的特高拱坝中，有多座大坝发生了严重的开裂事故[1]，如，奥地利的科恩布莱恩拱坝，俄罗斯的萨扬舒申斯克重力拱坝等。

在寒冷地区，温度荷载对拱坝应力的影响较大[2]，温度控制对于拱坝的工程质量和安全极为重要。已有学者对高纬度寒冷地区高拱坝的体形优化设计、温控防裂、工作性态仿真等方面开展了研究工作。其中，李江、杨波[3]提出了基于保温措施的严寒地区拱坝体形优化设计方法，并对SK拱坝进行了考虑保温作用的体形优化设计；朱伯芳[4]提出了寒冷地区拱坝上下游表面有永久保温层时温度荷载的计算方法；刘光廷等[5]提出了混凝土双曲线绝热温升模型，对石门子拱坝施工期非稳定温度场进行了仿真计算，仿真结果与实际吻合较好；张国新等[6]以拉西瓦高拱坝为例，采用有限元仿真分析方法研究了寒冷地区高拱坝夏季封拱灌浆存在的问题及其产生的原因，提出了加强表面保温、加强表层混凝土冷却、表面洒水喷雾等应对措施；王军等[7]针对严寒地区某常态混凝土拱坝的材料特性、施工特点、温度应力变化特点等，提出采取降低浇筑温度、水管冷却、表面保温、改善混凝土原材料性能等措施达到混凝土防裂的目的，为类似工程的温控防裂提供了参考；张国新等[8]针对高寒地区的气候特点提出了借助天然降雪或人工降雪的混凝土越冬层面保温新方法，论证了保温效果的显著性。目前，针对高寒气候条件下拱坝施工期、运行期温度场与应力场的分布规律等有了一定的研究成果，并积累了一些行之有效的温控防裂措施。但是，缺乏对高寒条件下高拱坝真实库水温度、太阳辐射影响、封拱温度与温控措施优化等方面的系统深入研究，对高寒区高拱坝的开裂风险认识不足。

未来我国将在西北严寒地区修建QBT等特高拱坝[2]，工程的相关技术指标和难度均超出已有经验，面临挑战。与气候温和地区相比，高寒地区存在年均气温低、负温时间长、年内温差大等不利气象条件，会对拱坝的工作性态产生不利影响，必须合理应对，以降低工程安全风险。本文以QBT拱坝为例，分析了高纬度寒冷地区的气象特点及其对拱坝工作性态的影响，阐明了高寒地区特高拱坝施工运行过程中的开裂风险，并提出了具有针对性的应对措施。

1 工程概况及气象特点[2]

1.1 QBT工程概况

QBT工程位于我国西北严寒地区，挡水建筑物为双曲拱坝，坝高240 m。该工程所处地区属大陆性北温及寒温带气候，气候干燥，春秋季短，冬夏季长。坝址区多年平均气温2.8 ℃，最冷月均气温-17.3 ℃，极端最低温度为-45 ℃，极端最高温度36.6 ℃，极端温差81.6 ℃。

拱坝地震设防类别为甲类，地震设防烈度在基本烈度基础上提高1度，按8度设防，地震加速度取0.357g，并按0.438g进行校核。每年11月至次年4月为混凝土施工冬季停工期，年有效浇筑时间只有6个月。

经设计单位与科研单位共同研究，QBT拱坝可研阶段确定的基本体形如图1所示。

图1 QBT拱坝可研阶段确定的基本体形(单位：m)

1.2 工程气象特点分析

将QBT工程与拉西瓦、溪洛渡、小湾等不同纬度地区的典型工程进行对比，分析高寒地区气象特点，如表1所示。从表1可知，高寒地区与气候温和地区的区别在于：年均气温低，QBT年均气温仅2.8 ℃，难以实现在非严寒地区常用的低温或稳定温度封拱；冬季温度低，QBT最低月均温-17.3 ℃，且负温时间长，冬季无法进行混凝土施工；年内月温差大，年极端温差大，QBT年内月温差37.3 ℃，是溪洛渡的2倍多，小湾的3倍多，其温度荷载将远大于气候温和地区的拱坝。

表1 不同纬度地区特高拱坝气象条件对比

2 高寒条件对特高拱坝工作性态影响的实测资料分析

2.1 不同纬度地区特高拱坝温度监测资料分析

对小湾、溪洛渡、拉西瓦、SK等4座位于不同纬度地区的拱坝的内部温度监测资料进行了分析，如图2所示。从图2可以看出，位于低纬度温和地区特高拱坝(小湾、溪洛渡)封拱后产生明显温度回升，并逐渐向稳定温度场演变；寒区特高拱坝(SK)难以做到低温封拱，封拱后内部温度在短暂回升后呈缓慢下降趋势。

图2 不同纬度地区特高拱坝不同高程内部实测温度过程曲线

2.2 不同纬度地区特高拱坝变形监测资料分析

对小湾、溪洛渡、拉西瓦、SK等4座位于不同纬度地区的拱坝的实际监测资料进行了统计回归分析，如图3和表2所示。从图3和表2可知：小湾、溪洛渡、拉西瓦、SK的周期性温度荷载引起的变形与水压变形之间的比例关系分别9.18%、12.22%、22.67%、84.30%，纬度越高，温度荷载对大坝变形与受力的影响越大；高寒区拱坝封拱后由封拱温度向稳定温度的演变是短期温度回升后逐渐温降的过程，导致大坝产生向下游的变形。

图3 不同纬度地区特高拱坝拱冠梁顶部径向变形回归分析成果

表2 不同纬度地区特高拱坝径向变形回归成果对比

3 高寒条件对特高拱坝工作性态影响

3.1 温度荷载分析

参照小湾、溪洛渡、拉西瓦等工程的气象条件[9-11]和设计封拱温度等条件，假定QBT拱坝位于小湾、溪洛渡、拉西瓦、QBT等4个坝址区位置，按照规范[12-13]，同等条件类比，计算得到4个不同的水库水温、下游水垫塘水温边界条件和温度荷载条件。4个库水温的年平均值和下游水垫塘水温边界条件如图4所示。对于温和地区的溪洛渡和小湾坝址区而言，库水表面年均温与气温加辐射热相当；对于位于寒区的QBT和拉西瓦坝址区而言，冬季气温低于0 ℃，库表水温为0 ℃，库表年平均水温高于年平均气温。水深超过100 m时，库水温基本保持恒定，位于寒区的QBT和拉西瓦坝址区的库底水温约为5 ℃，位于温和区的溪洛渡和小湾坝址区库底水温约为11～12 ℃。下游边界条件，水垫塘水位以上为气温加辐射热，水垫塘水温考虑来水温度和气温条件综合确定[9-11]。

图4 QBT位于不同坝址区时上下游边界年平均温度

表3～6为QBT拱坝位于不同纬度坝址区时的封拱温度与温度荷载。由表3～6可知，高寒地区拱坝的温度荷载与气候温和区存在显著差异：在不考虑永久保温的情况下，温降荷载平均温差为负值，封拱后拱坝整个断面将承受整体温降；下游面的年平均温度低于上游面，温降荷载线性温差也为负值。

表3 QBT拱坝封拱温度与温度荷载(正常蓄水位)

表4 QBT拱坝位于拉西瓦坝址封拱温度与温度荷载(正常蓄水位)

表5 QBT拱坝位于溪洛渡坝址封拱温度与温度荷载(正常蓄水位)

3.2 不同温度荷载对拱坝性态影响

采用QBT拱坝可研阶段的初始体形，按照表2所示的4套温度荷载，采用拱梁分载法，计算正常蓄水位下低温季节时拱坝的变形与应力，计算结果如表7～10所示。

从拱坝最大径向变形来看，拱坝上部，由于水荷载较小，温度荷载对拱坝径向变形的影响显著，在坝顶处，同一座拱坝位于气候温和区与高寒区的径向位移相差约50%；当库水深度超过100 m后，由于水压荷载大，拱坝位于气候温和区与高寒区的径向位移相差较小，当库水深度超过200 m后，拱坝不同气候区的最大径向位移相差不超过5%。最大径向位移从大到小的排序大致为QBT坝址拱坝、拉西瓦坝址拱坝、小湾坝址拱坝、溪洛渡坝址拱坝，符合气候从寒冷到温和的排序。

表6 QBT拱坝位于小湾坝址封拱温度与温度荷载(正常蓄水位)

表7 QBT拱坝低温季节正常蓄水位下的变形与应力

表8 QBT拱坝位于拉西瓦坝址低温季节正常蓄水位下的变形与应力

从拱坝压应力来看，上下游面不同高程最大压应力沿高程的分布规律基本相同，温度荷载对拱坝上部最大压应力影响较大，对拱坝下部影响较小；上游面不同高程最大压应力高寒区拱坝大于温和区，下游面中上部最大压应力高寒区拱坝小于温和区；坝体超过8 MPa的压应力均分布在下游面下部，且气候温和区坝址拱坝与高寒区的差别不大。

从拱坝拉应力看，上下游面不同高程最大拉应力沿高程的分布规律基本相同，温度荷载对整个上下游面影响显著；QTB拱坝处在溪洛渡坝址、小湾坝址拱坝下游面除局部很小范围外无拉应力，并且上游面最大拉应力大于下游面；处于拉西瓦坝址下游面除下部局部范围外无拉应力，并且上游面最大拉应力与下游面相当；处于QBT坝址拱坝下游面每个高程都有拉应力区，并且上游面最大拉应力小于下游面。

表10 QBT拱坝位于小湾坝址低温季节正常蓄水位下的变形与应力

4 高寒区特高拱坝开裂风险分析

与气候温和地区相比，高寒地区特高拱坝开裂风险更大，突出表现在以下几个方面：

(1)施工期温差大、气候干燥、蒸发强烈，仓面、横缝面等表面开裂风险大。高寒区大多气候干燥多风，夏季天气炎热，辐射强，蒸发非常强裂，在混凝土运输、摊铺、振捣、碾压等工序施工过程中，表面失水现象严重，造成混凝土干缩。同时，高寒区温差大、寒潮频繁，早龄期混凝土温控防裂难度大。干缩和大温差两者相互叠加，带来较大的表面开裂风险。

(2)稳定与封拱温度低，通水降温幅度大，内部开裂风险大。高寒区年均温低，导致封拱温度较低；且冬季时间长不能施工，夏季浇筑的混凝土通水冷却降温幅度大，一旦通水冷却控制不当，易开裂。

(3)冬季长间歇局部开裂风险大。高寒区混凝土坝冬季停工间歇期有时长达半年，不可避免地形成长间歇越冬层面，温度和弹性模量在新、老混凝土之间存在较大差值。冬季停止浇筑，经过冬季长时间冷却，老混凝土温度很低，新混凝土在次年天气转暖后浇筑，加上水化热温升，往往形成巨大的混凝土上下层温差。模量差异以及温度差异导致的开裂风险很大。

(4)施工期倒悬与冬季温降荷载叠加，开裂风险大。特高拱坝施工周期长，一般长达3～5年，在蓄水之前处于空库状态，倒悬作用使得坝体持续向上游变形，大坝下游面坝趾部位可能出现受拉情况，严重时会导致大坝下游面开裂，典型的如科尔布莱恩拱坝。在严寒地区，冬季低温季节会使大坝整体收缩，在空库情况下，上游面收缩程度更大，大坝向上游变形，坝趾会出现拉应力。倒悬应力增量与温度应力增量叠加，使得大坝施工期倒悬开裂风险很大。

(5)廊道、电梯井等局部开裂风险大。大坝廊道、电梯井等局部开裂在已建特高混凝土坝中十分常见，主要原因一是自重作用下的小孔应力集中使得廊道顶拱和底板受拉，二是孔洞内部温度变化引起拉应力，两者叠加，使得开裂在施工期各个阶段都可能出现。高寒区冬季温度低，孔洞封闭效果不好，孔洞内部温度较低时，开裂风险很大。

(6)运行期下游面开裂风险大。高寒区由于稳定温度低，难以做到低温封拱；封拱后坝体温度仍然会持续降低，平均温差和线性温差对运行期防裂不利。且高寒区极端年温差、日温差均较大，寒潮频繁，坝体非线性温差大，一旦表面保温不到位或者失效，两者叠加大坝混凝土下游面存在较大的开裂风险。

5 高寒区特高拱坝全过程防裂新理念

从开裂风险分析可以看出，高寒区特高拱坝的开裂风险除了源自于高寒大温差的影响外，还来自于不利温度荷载与施工期、运行期结构应力的叠加效应，因此，需要从体形优化设计、封拱温度优化、施工期温控措施、施工期性态控制、运行期永久保温等设计施工运行全过程做好防裂工作。

5.1 体形优化设计

在保证坝体功能和整体安全情况下，坝体结构优化措施有：

(1)坝体上部厚度适当加大。从本文不同坝址拱坝分析成果看，温度荷载对拱坝上部径向位移、压应力和拉应力的影响显著。因此，高寒区拱坝上部厚度应适当加大；鉴于高寒区拱坝在低温季节，高出水位以上的部分坝体全断面受拉，增大坝体上部厚度特别是坝顶厚度可提高大坝上部区域抗裂性能。

(2)控制大坝上游倒悬及上下游面竖向曲率的变化幅度。高寒区拱坝在低温季节时，下游面大范围受拉，下游面拉应力高于上游面，且坝体最大拉应力位于下游面下部。为控制下游面拉应力，上游倒悬与上下游面竖向曲率的变化幅度不宜过大，从而有利于大坝的安全运行。

(3)适当减小大坝横缝间距。大坝封拱温度与多年平均气温接近或略高，在运行过程中会使大坝切向受拉，上游面在水压作用下受压程度较大，但下游面可能会出现一定的拉应力，叠加非线性温差，对坝体防裂不利。

5.2 混凝土配比优化

在条件允许情况下，混凝土材料优选措施有：

(1)选择低热水泥混凝土。乌东德、白鹤滩低热水泥混凝土绝热温升在19～20 ℃左右，较大坝中热水泥混凝土绝热温升降低5～7 ℃左右，可明显减小施工期温控压力，同时混凝土抗裂性能与中热水泥混凝土相当或略高，选择低热水泥混凝土有利于防裂。

(2)选择灰岩等线性系数较低的混凝土骨料。温度荷载占比大使得温度变形和应力较大，与材料线胀系数密切相关，选择灰岩等线胀系数较低的骨料，可有效降低混凝土温度应力，有利于大坝防裂抗裂。

(3)使用比表面积较小的水泥、优化配合比，适当掺加粉煤灰、高效缓凝剂和氧化镁，提高混凝土抗裂能力，减小温度应力。

5.3 封拱温度与温控措施优化

高寒区年均温度低、年内月温差大、年内极端温差大，封拱温度的选择是一个关键难题。封拱温度过高，运行期温降荷载大，对拱坝运行期防裂不利；封拱温度过低，施工期混凝土温降幅度大，温控难度大，施工期开裂风险高。因此，高寒地区特高拱坝施工期采用的温控措施，除包括非高寒地区特高拱坝采用的控制混凝土浇筑温度、水管冷却及表面保温等温控措施外[14-16]，还要考虑：

(1)优化封拱温度，使之能平衡施工期与运行期的开裂风险。

(2)设置坝面永久保温层，表面保温层厚度的选取需要专门研究，使之能兼顾施工期防裂和削减运行期温度荷载的作用。

(3)研究冬季停工期仓面的表面保温措施，设置表面保温监控预警系统，动态调控春季复工时仓面揭开保温的时机和措施。

(4)优化通水冷却过程，将传统的分期冷却优化为连续下凹式冷却，并采用智能通水实现“小温差、慢冷却、连续冷却”，使得温度应力与强度变化更协调，在温度控制标准不变的情况下减小温度应力、增大抗裂安全系数，减小开裂风险。

5.4 施工期性态动态控制

高寒区高拱坝倒悬自重荷载叠加过冬温降荷载，会产生较大开裂风险。为此，除在体形设计阶段控制高拱坝倒悬度外，还要在施工期对大坝工作性态进行反馈仿真分析与预警，在大坝浇筑至一定高度时，结合施工安排进行预充水，防止大坝下游面拉裂。

5.5 运行期永久保温防护

高寒区高拱坝在运行期将面临超大温差的反复作用，运行期永久保温对于削减温度荷载降低开裂风险十分重要。在设计阶段，应对坝面永久保温的长期有效性和耐久性进行研究和专门设计，水位变动区要采用抗冰拔装置避免永久保温层的破坏。

6 结论与展望

与气候温和地区相比，高寒地区存在年均气温低、负温时间长、年内温差大等不利气象条件，会对拱坝的工作性态产生不利影响。本文以QBT拱坝为例，分析了高纬度寒冷地区的气象特点，系统研究了高寒区高拱坝与气候温和区高拱坝的性态差异，提出了高寒区高拱坝全过程防裂的新理念。主要结论如下：

(1)与低纬度气候温和地区相比，高寒区高拱坝温度荷载对大坝变形与受力的影响较大，高寒区拱坝封拱温度高于稳定温度，大坝封拱后由封拱温度向稳定温度的演变是经历短暂温升后逐渐温降的过程，对大坝防裂不利。

(2)在不考虑永久保温的情况下，高寒区高拱坝温降荷载平均温差基本为负值，说明拱坝全断面承受温降荷载，线性温差为负值，下游面温降高于上游面；高寒区拱坝变形比温和区最大高约50%；拱坝位于不同纬度区域时最大压应力基本相当，高寒区最大拉应力明显偏高。

(3)高寒区高拱坝开裂风险贯穿施工运行全过程，施工期温差大，仓面、横缝面开裂风险大；稳定温度低，降温幅度大，内部开裂风险大；冬季长间歇局部开裂风险大；施工期温降加自重应力结构开裂风险大；运行期下游面开裂风险大。

(4)为确保不产生危害性裂缝，应从体形优化设计、混凝土配比优化、封拱温度与温控措施优化、施工期性态动态控制、运行期永久保温防护等方面，结合具体工程采取一整套高拱坝全过程防裂的应对措施。

拱坝的温度荷载十分复杂，高寒区高拱坝温度荷载对大坝安全十分重要。本文的研究系统梳理了高寒条件对温度荷载及坝体工作性态的影响，提出了一些新理念；下一阶段应结合具体工程深入、定量研究高寒复杂条件对大坝安全的影响程度，提出具体的解决方案。