韓小妹，邵劍南，楊春寶

(水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

混凝土壩在施工期和運(yùn)行期中，由于溫度的變化經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，往往使大壩發(fā)生裂縫，從而破壞大壩結(jié)構(gòu)整體性，降低了結(jié)構(gòu)耐久性，甚至產(chǎn)生大壩滲漏，帶來較大的危害。許多在溫和、濕熱和干熱等地區(qū)建設(shè)的混凝土壩出現(xiàn)了貫穿性裂縫、劈頭裂縫，形成了“無壩不裂”[1]的尷尬情況。對(duì)于高寒地區(qū)混凝土壩在低溫期進(jìn)行混凝土澆筑和保溫養(yǎng)護(hù)，如何建設(shè)無裂縫的大壩更是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

雖然我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[2-6]從溫控標(biāo)準(zhǔn)、溫控措施、施工期溫度監(jiān)測(cè)與分析等方面提出了混凝土壩低溫溫控措施規(guī)定，但是高寒地區(qū)全年最冷月份的平均氣溫在0℃以下，日平均溫度在5℃以下的天數(shù)大于90d，最冷月份日溫差在15℃以上，多年平均蒸發(fā)量達(dá)到1200～2000mm，多年平均寒潮次數(shù)多達(dá)20次以上，在這樣惡劣的低溫天氣下建設(shè)和養(yǎng)護(hù)混凝土壩，溫控措施需要更加系統(tǒng)。

本文通過總結(jié)我國(guó)已建的藏木、豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、拉西瓦、石門子、觀音閣、沖乎爾、白石等高寒區(qū)混凝土壩的溫控措施經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，對(duì)比分析國(guó)外高寒地區(qū)混凝土壩低溫溫控措施，提出高寒區(qū)混凝土高壩在低溫條件下溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)處于在建的葉巴灘和處于前期設(shè)計(jì)的馬吉、松塔、龍盤等高寒區(qū)混凝土壩低溫施工和養(yǎng)護(hù)具有借鑒意義。

1 混凝土壩低溫施工溫控措施規(guī)定

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[3-4]規(guī)定，日平均氣溫連續(xù)5d在5℃以下或最低氣溫連續(xù)5d在-3℃以下時(shí)，應(yīng)按低溫季節(jié)要求施工；溫和地區(qū)低溫季節(jié)混凝土施工宜采用蓄熱法，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)預(yù)計(jì)日平均氣溫在-10℃以上時(shí)，可采用蓄熱法；預(yù)計(jì)日平均氣溫在-10℃以下時(shí)，可采用綜合蓄熱法等；日平均氣溫在-20℃以下時(shí)不宜施工。寒冷地區(qū)施工部位宜相對(duì)集中，不宜分散。已澆筑的、有保溫要求的混凝土，應(yīng)采取抗凍保護(hù)或越冬保溫措施。原材料的加熱、輸送、儲(chǔ)存和混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑等設(shè)備與設(shè)施，應(yīng)根據(jù)熱工計(jì)算和實(shí)際氣候條件，確定加熱、保溫、防凍措施。混凝土宜采用熱水拌和，混凝土拌和時(shí)間應(yīng)通過試驗(yàn)適當(dāng)延長(zhǎng)，同時(shí)應(yīng)控制、并及時(shí)調(diào)整混凝土出機(jī)口溫度且不低于5℃?；炷翝仓戤吅螅饴侗砻鎽?yīng)及時(shí)保溫。混凝土結(jié)構(gòu)孔洞應(yīng)封堵和擋風(fēng)保溫，防止冷空氣對(duì)流。模板外掛保溫層應(yīng)牢固，模板內(nèi)貼保溫材料抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足混凝土表面不變形的要求。模板拆除前應(yīng)確保混凝土強(qiáng)度大于抗凍臨界強(qiáng)度，拆模后混凝土表面應(yīng)滿足保溫防裂要求。不得在夜間和預(yù)計(jì)氣溫驟降時(shí)段內(nèi)拆模。應(yīng)對(duì)施工期混凝土溫度控制全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括原材料溫度監(jiān)測(cè)、混凝土溫度監(jiān)測(cè)、澆筑倉(cāng)氣溫及保溫層溫度監(jiān)測(cè)等。低溫季節(jié)澆筑混凝土和養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，外界氣溫、暖棚內(nèi)氣溫、原材料溫度、混凝土出機(jī)口溫度及澆筑溫度測(cè)溫頻率有嚴(yán)格規(guī)定。

2 低溫防裂溫控措施及經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)

2.1 溫控措施

我國(guó)已建的藏木[7]、豐滿[8-10]、喀臘塑克[11-12]、白石[13-14]、觀音閣[15]、拉西瓦[16]等高寒區(qū)混凝土壩，在低溫條件下溫控措施主要為：

(1)控制原材料、混凝土生產(chǎn)過程和澆筑溫度

冬季11月—翌年2月，葉巴灘、拉西瓦采用預(yù)熱骨料、加熱水拌和等措施提高混凝土出機(jī)口溫度，混凝土運(yùn)輸設(shè)備加設(shè)保溫措施，縮短混凝土運(yùn)距，減少倒運(yùn)次數(shù)，降低熱量損失。葉巴灘大壩混凝土出機(jī)口溫度不低于10℃，澆筑溫度不低于5℃。拉西瓦澆筑混凝土溫度為5℃～8℃，混凝土自出機(jī)口至倉(cāng)面澆筑坯被覆蓋前的時(shí)間宜小于210min。

(2)合理利用施工時(shí)段，優(yōu)化冬季澆筑混凝土施工方法

冬季日平均氣溫低于-20℃時(shí)，施工設(shè)備和施工人員的生產(chǎn)效率均大大降低，施工保溫和養(yǎng)護(hù)難度大，成本高，出現(xiàn)裂縫幾率大大增加，因此喀臘塑克、豐滿、白石、白山、奮斗等大壩冬季停止混凝土施工，盡量利用春季和秋季、夏季夜間的低溫時(shí)段內(nèi)多澆、快澆混凝土。

葉巴灘拱壩在11月上旬—翌年2月底采用蓄熱法或暖棚法施工。拉西瓦拱壩冬季混凝土澆筑，盡量避開夜間低氣溫時(shí)段開盤澆筑混凝土，12—1月采用暖棚法施工，10月下旬—11月和2—3月底采用綜合蓄熱法施工。綜合蓄熱法混凝土澆筑前，基面采用電熱毯預(yù)熱，澆筑過程中采用周邊暖風(fēng)加熱，倉(cāng)面保溫覆蓋。與常規(guī)的“暖棚法”相比，綜合蓄熱法更適合大型機(jī)械作業(yè)。冬季澆筑的混凝土適當(dāng)推遲拆模時(shí)間，拆模時(shí)間為5～7d，并選在中午氣溫較高時(shí)段拆模，氣溫驟降期間禁止拆模，模板拆除后應(yīng)立即覆蓋保溫材料，防止混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

(3)嚴(yán)格控制澆筑層厚和間歇期

碾壓混凝土在鋪筑方式上宜優(yōu)先選用連續(xù)均勻上升，使混凝土溫度分布比較均勻，嚴(yán)禁在基礎(chǔ)約束區(qū)范圍內(nèi)長(zhǎng)期間歇。在滿足碾壓混凝土澆筑進(jìn)度的同時(shí)，盡可能采用薄層、短間歇、均勻上升的施工工藝。薄層能充分散失水化熱；短間歇能盡量減小寒潮的機(jī)會(huì)，但間歇時(shí)間太短又會(huì)妨礙水化熱的散失。

豐滿、藏木、奮斗、拉西瓦、葉巴灘在基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚為1～1.5m，非約束區(qū)澆筑層厚小于3.0m，層間間歇期按5～7d控制，不超過10d。當(dāng)下層混凝土齡期超過28d時(shí)，澆筑上層混凝土?xí)r應(yīng)按基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土溫控要求控制。

(4)控制內(nèi)外溫差，加強(qiáng)表面保護(hù)和養(yǎng)護(hù)

冬季需要采取多種綜合措施對(duì)已經(jīng)澆筑的混凝土表面進(jìn)行臨時(shí)保溫和永久保溫措施，越冬后首倉(cāng)混凝土按強(qiáng)約束區(qū)要求澆筑，以便嚴(yán)格控制混凝土溫差。部分混凝土大壩埋設(shè)水平越冬止水銅片。

豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、拉西瓦、沖乎爾、奮斗等混凝土壩上、下游面進(jìn)行全年永久保溫。豐滿、喀臘塑克、布爾津山口上、下游面采用2mm厚的聚氨酯防滲涂層和黏貼8～10cm 厚的保溫板進(jìn)行永久保溫，部分工程下游面還添加耐堿網(wǎng)格布或回填坡積物等進(jìn)行保溫。部分工程混凝土表面刷防腐面漆進(jìn)行防滲，防止雨水或冰雪融水進(jìn)入混凝土裂縫，影響混凝土耐久性。壩內(nèi)孔洞結(jié)構(gòu)(含廊道)應(yīng)采取封堵進(jìn)出口、表面掛簾保護(hù)等有效措施，防止空氣對(duì)流。

由于高寒區(qū)寒潮頻繁，豐滿、喀臘塑克施工期間需要對(duì)大壩的裸露表面及澆筑間歇層面采取2～3cm厚聚氨酯保溫被或1層2cm厚棉被+1層三防布進(jìn)行臨時(shí)保溫。豐滿、喀臘塑克、布爾津山口、沖乎爾、奮斗等混凝土壩越冬面采取一層塑料薄膜+8～10cm厚的保溫被或板+一層三防帆布進(jìn)行保溫。布爾津山口在保溫被之上再鋪設(shè)15cm厚的棉被，在越冬層澆筑面上埋設(shè)止水銅片。觀音閣壩基混凝土越冬采取蓄水保溫，蓄水深度2～3m，降低了越冬保溫投資。

當(dāng)外界氣溫高于或等于越冬頂面混凝土溫度時(shí)，可消除揭開時(shí)空氣“冷擊”產(chǎn)生的不利影響。根據(jù)溫控理論計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際氣溫與混凝土表面實(shí)測(cè)溫度，最終確定越冬保溫層完全揭開時(shí)機(jī)。保溫被一般在次年3月底或4月初，保溫被一般需分多次逐步揭除，當(dāng)越冬面混凝土溫度與日平均氣溫溫差小于3℃，可把保溫被完全揭開?？εD塑克越冬保溫被分7次逐步揭開。

(5)合理進(jìn)行壩體分縫，控制接縫灌漿溫度

為了降低混凝土溫控措施的壓力，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)功能要求，應(yīng)合理進(jìn)行壩體分縫。橫縫間距宜為15～25m，岸坡段由于側(cè)向穩(wěn)定，橫縫間距稍大。橫縫一般為垂直平面分縫，但在岸坡段有時(shí)設(shè)置“斜縫”。葉巴灘大壩兩岸建基面岸坡角大于45°的部位，橫縫采用“斜縫”，避免在澆筑過程中出現(xiàn)不規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)尖角，對(duì)澆筑塊的溫控防裂及施工帶來不利影響。

常態(tài)混凝土壩順河向長(zhǎng)度超過40m時(shí)宜設(shè)置縱縫，縱縫間距宜為15～30m?；炷林亓雾?biāo)飨蜷L(zhǎng)度長(zhǎng)，通常設(shè)置縱縫；拱壩順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度較短，通常不設(shè)置縱縫。

為了降低越冬溫度應(yīng)力，喀臘塑克、白石混凝土重力壩水平越冬層面設(shè)置一道銅止水，止水兩端與橫縫止水焊接。白石擋水壩上、下游面中部高程附近分別設(shè)置一條水平預(yù)留縫，縫深分別為1m和3m，上游縫內(nèi)設(shè)兩道水平止水。

有接縫灌漿要求的壩體，應(yīng)選典型壩段進(jìn)行接縫灌漿溫度分區(qū)設(shè)計(jì)，并提出全壩的接縫灌漿溫度。高寒區(qū)混凝土壩地處嚴(yán)寒地區(qū)，壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)較低，接縫溫度相應(yīng)較低。豐滿、葉巴灘、拉西瓦混凝土壩壩體穩(wěn)定溫度為4～11℃，接縫灌漿溫度為5～10℃。

(6)加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)和天氣預(yù)報(bào)，優(yōu)化施工組織安排

低溫季節(jié)各混凝土壩加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和頻次，并及時(shí)分析溫度監(jiān)測(cè)資料，如發(fā)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果不符合技術(shù)要求，應(yīng)及時(shí)采取處理措施。

密切注視氣象預(yù)報(bào)工作，確保在氣溫驟降前對(duì)各部位混凝土做好保溫工作，特別是加強(qiáng)重要部位混凝土表面保溫，在寒潮期間不開盤澆筑混凝土。

2.2 溫控效果及經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)

豐滿混凝土壩[8-10]廠房壩段上游面2016年8月底共發(fā)現(xiàn)8條裂縫；2017年廠房壩段常態(tài)混凝土施工部位共發(fā)現(xiàn)27條裂縫；2018年9月份在保溫施工前，溢流壩段溢流面共發(fā)現(xiàn)15條裂縫。廠房壩段218m高程層面裂縫產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋耗雺夯炷僚c常態(tài)混凝土分界面層間間歇時(shí)間過長(zhǎng)、上下層溫差過大、碾壓混凝土與常態(tài)混凝土分界面存在局部振搗不完善、材料特性差異較大。

喀臘塑克混凝土壩[11-12]在固結(jié)灌漿施工過程中,主河床29#、30#壩段上游壩塊產(chǎn)生貫穿上游二級(jí)配防滲區(qū)的豎向及水平向裂縫，裂縫部位常年處在庫水位下。由于2007年5月20—23日連續(xù)4d降溫11.3℃，降溫期間因固結(jié)灌漿的干擾,未覆蓋保溫被，31#壩段固結(jié)灌漿蓋板上游二級(jí)配區(qū)表面出現(xiàn)12cm左右的表面裂縫。2007年7月底氣溫驟降，36#壩段壩基固結(jié)灌漿蓋板縱向樁號(hào)0+52.00附近及0+70.00附近出現(xiàn)兩條平行壩軸線的裂縫，2007年8月下旬裂縫深度超過2m。

白石混凝土壩[13-14]于1996年冬季澆筑的17#～26#壩段、距壩軸線15～20m的基礎(chǔ)約束區(qū)和廊道齒槽開挖坡角與壩基巖面接觸的突變部位、18#～22#壩段斷層邊緣出現(xiàn)裂縫。這些裂縫說明了，應(yīng)該合理安排施工時(shí)段，基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑時(shí)間宜安排在春季, 至少在入冬前澆筑完成,使基礎(chǔ)墊層混凝土澆筑厚度超過基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū),增大基礎(chǔ)墊層混凝土抵抗產(chǎn)生裂縫的能力；建基面開挖應(yīng)盡可能平順,齒槽坡度宜不陡于1∶4；做好保溫措施，控制混凝土表面內(nèi)外溫差。

觀音閣大壩[15]上游壩面有裂縫53條, 除2條裂縫外,其余均為水平施工縫，縫長(zhǎng)大小不等, 縫寬0.2～3mm,最大縫深達(dá)6.0m；下游壩面裂縫79條, 其中水平縫60條,豎縫19條；壩內(nèi)裂縫共計(jì)194條,經(jīng)研究不需處理的38條,需處理的156條；BL13、BL14壩段放水底孔產(chǎn)生的11條裂縫, 其中1條成“口”字型。觀音閣大壩共計(jì)產(chǎn)生了326條裂縫，應(yīng)處理的裂縫288條，裂縫數(shù)量多，裂縫嚴(yán)重，說明了觀音閣澆筑溫度偏高，冬季施工間隔期過長(zhǎng)。

拉西瓦大壩[16]上游壩面向下游發(fā)展的劈頭裂縫有1條，裂縫基本平行于壩橫縫，且沒有與廊道相貫穿；縫寬大于0.5mm、縫深3.0m

豐滿混凝土壩[8-10]2015、2016、2017年越冬面混凝土裂縫分別發(fā)現(xiàn)15、26、8條。裂縫寬度在0.2～1.3mm之間，裂縫深度在0.6～3.9m之間，裂縫多以橫河向?yàn)橹?，?個(gè)壩段至幾個(gè)壩段不等，最長(zhǎng)達(dá)88.3m，發(fā)生在14#～18#壩段2015年越冬層面上。白石混凝土壩[13-14]1998、1999、2000年越冬面裂縫分別發(fā)現(xiàn)22、18、12條，裂縫分布在底孔內(nèi)面、壩體上游面、閘墩等部位。觀音閣混凝土壩[15]上游壩面在1991—1994年3個(gè)越冬結(jié)合面上共發(fā)現(xiàn)51條裂縫，縫長(zhǎng)大小不等, 縫寬0.2～3mm，最大縫深達(dá)6.0m。以上越冬面裂縫說明了大壩越冬面采取永久保溫和臨時(shí)保溫的重要性。

3 國(guó)外高寒區(qū)混凝土壩溫控措施

前蘇聯(lián)大部分地區(qū)氣候寒冷，年均氣溫有半年以上是冬季，所以一直提倡全年施工。早在1929—1932年建設(shè)德聶泊水電站[17]時(shí)，冬季混凝土施工量就占總混凝土施工量的16%左右，主要采用暖棚法施工，僅僅在最后一年冬季，以試驗(yàn)的方式用蓄熱法澆筑混凝土。此后在古比雪夫水利樞紐、斯大林格勒水利樞紐、科霍夫水電站以及卡姆河水電站的冬季施工中，當(dāng)天氣沒有達(dá)到嚴(yán)寒且無風(fēng)的條件下，對(duì)無金屬預(yù)埋件的混凝土采用露天蓄熱法澆筑。當(dāng)外界氣溫低于-10℃時(shí)，在暖篷內(nèi)澆筑混凝土，并在暖棚內(nèi)養(yǎng)護(hù)2～3d，同時(shí)對(duì)混凝土表面進(jìn)行覆蓋。

1956年施工的布赫塔明斯克水電站[1]早期采用了蓄熱法施工，混凝土約束區(qū)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，之后采用活動(dòng)暖棚，才解決約束區(qū)混凝土裂縫問題。1958—1959年修建的布拉茲克水電站施工中，只有當(dāng)外界氣溫低于-40℃時(shí)才停止混凝土澆筑，自10月1日至次年4月末不得拆模，但是在施工過程中依舊產(chǎn)生了大量裂縫。前蘇聯(lián)部分水電站混凝土冬季澆筑施工方法詳見表1[17-18]。

表1 前蘇聯(lián)部分水電站混凝土冬季澆筑施工方法

美、加、日三國(guó)[1,18]廣泛采用熱風(fēng)機(jī)加熱骨料和充氣暖棚保溫措施的冬季施工方法。暖棚內(nèi)溫度可達(dá)20 ℃，適合混凝土養(yǎng)護(hù)。

4 國(guó)內(nèi)外低溫溫控措施對(duì)比分析

前蘇聯(lián)、歐美、日等國(guó)建設(shè)混凝土壩的歷史比我國(guó)早，較早提出了綜合、完整的低溫溫控措施，值得我們借鑒。

隨著我國(guó)近幾十年來大壩建設(shè)發(fā)展，我國(guó)結(jié)合國(guó)外混凝土壩低溫溫控經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究提出了更為完善、系統(tǒng)的溫控措施?，F(xiàn)行規(guī)范的低溫溫控措施主要包括低溫施工保溫措施和越冬面保溫措施。低溫施工溫控措施包括原材料溫度加熱、生產(chǎn)混凝土保溫，控制澆筑溫度、混凝土臨時(shí)保溫，模板拆除時(shí)段選擇、溫度監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)和施工組織等措施；越冬面保溫措施包括大壩上下游面永久保溫、橫縫側(cè)立面、頂面和孔洞的越冬面臨時(shí)保溫等措施。

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定日平均氣溫在5℃～20℃區(qū)間采用蓄熱法或綜合蓄熱法施工，日平均氣溫在-20℃以下不宜進(jìn)行施工。由于冬季澆筑混凝土生產(chǎn)效率低下，施工保溫措施代價(jià)大，冬季混凝土出現(xiàn)裂縫幾率大，且加熱過程引起安全生產(chǎn)事故風(fēng)險(xiǎn)高，因此目前我國(guó)國(guó)內(nèi)大部分高寒地區(qū)混凝土壩冬季日平均氣溫-10℃以下停工，目前高寒地區(qū)混凝土壩只有少量工程采取特殊施工方法在冬季繼續(xù)混凝土澆筑，如白山大壩采用裝配式暖棚法，拉西瓦、葉巴灘采取綜合加熱措施。我國(guó)高寒地區(qū)混凝土壩在冬季工作重點(diǎn)是對(duì)已澆筑混凝土進(jìn)行永久保溫和越冬面臨時(shí)保溫。

5 高寒區(qū)混凝土壩低溫防裂溫控關(guān)鍵技術(shù)

由于混凝土內(nèi)部水化熱演變是一個(gè)緩慢、長(zhǎng)期的過程，而高寒區(qū)低溫時(shí)期日平均氣溫低，日溫差大，混凝土表面內(nèi)外有溫差，因此各高寒區(qū)混凝土壩低溫時(shí)期主要圍繞提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度和降低混凝土后期內(nèi)外溫差兩方面采取一系列綜合溫控措施。加熱骨料、熱水拌和混凝土、提高混凝土生產(chǎn)溫度和混凝土澆筑溫度、加熱法養(yǎng)護(hù)混凝土，主要目的是提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度和抗裂能力；混凝土臨時(shí)保溫、永久保溫和混凝土約束區(qū)澆筑時(shí)機(jī)選擇，主要目的是降低混凝土內(nèi)外層、上下層之間的溫差和拉應(yīng)力。高寒區(qū)混凝土壩低溫澆筑和養(yǎng)護(hù)，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件、地形地質(zhì)條件、混凝土壩溫度應(yīng)力特性和施工組織安排等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，確定合理的溫控措施，嚴(yán)格執(zhí)行溫控措施管理規(guī)定，才能建設(shè)成為無裂壩。

6 結(jié)語

我國(guó)高寒區(qū)混凝土壩在低溫防裂方面取得了巨大成就，很多大壩僅出現(xiàn)細(xì)微裂縫，甚至無裂縫，大壩耐久性和安全性大大提高，避免重蹈出現(xiàn)貫穿性裂縫或劈頭裂縫現(xiàn)象。及時(shí)總結(jié)我國(guó)已建高寒區(qū)混凝土壩的低溫防裂溫控措施經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，提出溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于處于在建和前期設(shè)計(jì)的高寒區(qū)混凝土低溫建設(shè)具有借鑒意義。