基于实测资料的特高拱坝封拱后温度回升分析
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摘 要：低温封拱的拱坝普遍存在温度回升现象，而对于特高拱坝，这一问题尤为突出。文章以西南某特高拱坝的实测温度数据为基础，绘制典型测点封拱后温度回升过程线，并进行对比分析，挖掘出不同因素对封拱后坝体温度回升的影响程度大小以及坝体温度回升的历时变化规律；研究结果为全面研究特高拱坝封拱后坝体的温度回升问题，以及分析坝体混凝土开裂问题奠定了基础。
关键词：特高拱坝；温度回升；对比分析
1 概述
我国自上世纪末建成二滩拱坝以来，已相继建成了小湾、拉西瓦、构皮滩等特高拱坝，坝高达305m和285m的锦屏一级和溪洛渡也已于近期封顶完建，这些特高拱坝的建成标志着我国300m级特高拱坝筑坝技术取得了巨大进步，但这些工程投入运行的时间短，最长的不到20年，有些问题可能尚未充分暴露出来，大坝的长期安全不容忽视，一旦出现事故轻则影响效益的发挥，重则带来巨大损失。特高拱坝封拱后的温度回升就是其中一个值得重点关注的问题。
低温封拱的拱坝普遍存在温度回升现象，对于坝体厚度较小的一般高拱坝和中低拱坝，由于坝身较薄，受边界温度影响大，在建成几年后即进入准稳定温度状态。然而，在分析已建的几座特高拱坝的温度监测资料后发现，二期通水冷却停水和封拱灌浆后，坝体内部均出现了不同程度的温度回升现象，其特点主要有，温度回升幅度大、持续时间长，如胡佛拱坝在封拱14年后内部混凝土温度回升值可达到15℃左右。
特高拱坝均存在明显的温度回升，原因包括外部因素和内部因素两种，外部因素主要是外界年均气温和地温高于坝体封拱温度以及淤沙高程下部实际水温高于设计库水温和坝体封拱温度，从而存在外部热量向坝内传导，导致坝体温度回升；内部因素为混凝土材料自身发热产生热量导致坝体温度回升。两种因素影响程度大小以及随时间变化规律与拱坝尺寸、材料热学性能、保温措施等各种条件密切相关，各个拱坝工程会存在一定差别，但总体规律上应有比较统一的认识。为清楚认识两种因素的影响程度和大小，文章以西南某特高拱坝为例，采集坝体封拱后混凝土温度监测的第一手资料，深入分析导致大坝封拱后温度回升的影响因素以及坝体温度回升的历时变化过程，为全面研究特高拱坝封拱后坝体的温度回升问题和分析坝体混凝土开裂问题奠定基础。
2 工程概况及数据筛选原则
2.1 工程概况
西南某水电站枢纽由拦河大坝、泄水建筑物、引水发电建筑物等组成。拦河大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高285.5m，坝顶高程610.0m，坝顶拱冠厚度14m，坝底拱冠厚度60m，顶拱中心线弧长681.5m，大坝从左至右共分31个坝段；泄洪采取“分散泄洪、分区消能”的布置原则，在坝身布设7个表孔、8个深孔与两岸4条泄洪洞共同泄洪，坝后设有水垫塘消能；发电厂房为地下式，分设在左、右两岸山体内，各装机9台单机容量为770MW的水轮发电机组，总装机容量12600MW。大坝坝体较厚，施工采用通仓浇筑，基础约束和新老混凝土约束强，温控防裂难度大。为了较好地进行通水冷却调控以及获得大坝混凝土的温度状态，施工过程中在大坝的5#、15#、16#、23#坝段埋设了分布式光纤，对混凝土浇筑块的温度变化进行实时在线监测，为大坝混凝土的温控防裂分析提供数据基础。
2.2 数据筛选原则建立
为了更清楚地认识不同因素对封拱后坝体温度回升的影响程度大小以及温度随时间变化规律，得到更为精确的对比分析结果，挖掘出坝体温度回升的真实原因，文章建议采用以下几个原则对已灌区的温度回升数据进行筛选。
原则1：根据大坝的静动应力大小范围及分布规律、坝体变形特征，将坝体混凝土分区细化为A、B、C三种强度等级的混凝土区（A区C18040、B区C18035、C区C18030）。
原则2：由于廊道内气温受外界环境气温影响，而廊道内气温对廊道所在及周围灌区混凝土温度存在不同程度的影响，因此，测点选取过程中将避开廊道附近的测点。
原则3：根据大坝的结构型式、孔洞布置以及混凝土材料分区，选取变化规律良好的测点实测温度回升值，剔除受现场复杂施工条件影响而存在较大波动的测点。
原则4：根据上下游面测点的型式，每个浇筑仓中测点号最大的测点（如DT1660-10）最为接近坝体断面中心，可以认为其监测温度值最为接近该高程上坝体断面中心的温度值。
原则5：在进行数据处理过程中，对于数据量较少的测点采用取平均值的方法计算日温度，对于数据量较大的测点则去掉最大值和最小值，剩下数据取平均值最为这一天实测温度，从而减少测量误差。
3 特高拱坝混凝土浇筑块实测温度回升统计对比分析
为清楚认识不同因素对封拱后坝体温度回升的影响程度大小以及坝体温度回升的历时变化规律，以大坝封拱后典型坝段的温度监测数据为基础，以典型测点的封拱日期和封拱温度为起点，以某个单因素（如高程、混凝土材料分区等）为研究对象，控制其他相关因素，建立坝体温度回升分析的单测点模型，根据实测温度值绘制其封拱后温度回升过程线――测点温度回升值变化的历时曲线，并进行对比分析。
3.1 坝体沿河向典型测点温度回升情况对比分析
大坝封拱灌浆完成后，坝体上游面先是暴露在空气中，主要受到气温影响；大坝蓄水达到相应高程后，坝体上游面被水淹没，主要受到库水温度的影响；而坝体下游面暴露在空气中，主要受到气温以及太阳辐射的影响。为了了解特高拱坝封拱后坝体沿河向的温度分布情况以及环境气温、库水温度和太阳辐射等因素对混凝土温度回升的影响，文章设定一组沿河向分布的典型测点DT1551-01、DT1551-05、DT1551-10、DT1552-10、DT1552-05、DT1552-01，各测点在混凝土浇筑块中的布置情况如图1所示。然后，根据测温仪器所采集各测点的实测温度回升数据，绘制其温度回升过程线如图2所示。
由以上实测温度回升过程线图可见：（1）封拱灌浆完成后的一
段时期内，各测点的温度回升幅度较为接近且回升速度较快，分析其原因主要是保温板的保温效果良好以及坝体混凝土自身的残余水化放热导致温度急剧回升；（2）封拱灌浆完成约1年后，各测点出混凝土的温度回升放缓，而这其中接近上游面的测点DT1551-01的温度回升幅度低于其他测点，分析其原因一方面是由于混凝土残余水化放热量的减少，另一方面是大坝封拱蓄水后，靠近上游面的混凝土受库水温度影响；（3）封拱灌浆完成后的一段时间后，靠近下游面测点DT1552-01的温度回升幅度明显高于其他测点，且表现出不稳定状态，其次是测点DT1552-05，分析其主要原因是环境气温的热量倒灌以及太阳辐射的影响。
3.2 坝体同坝段不同材料分区典型测点温度回升情况对比分析
不同材料分区所采用混凝土的配合比不同，水泥及粉煤灰用量不同，从而导致封拱后不同材料分区混凝土的残余水化放热量也不同。为了了解不同材料分区混凝土封拱后残余水化放热对温度回升的影响，文章分别选取同一坝段、相邻浇筑仓、不同材料分区，接近断面中心的典型测点DT1621-08和DT1622-08、DT2359-10和DT2360-10，根据测温仪器所采集各测点的实测温度回升数据，绘制出测点的温度回升过程线，分别如图3、图4所示。
特高拱坝一般坝体较厚，边界传热对断面中心的温度变化影响较小、较慢，坝体内部接近断面中心处的混凝土处于类似绝热状态的环境中，封拱后导致温度回升的主要原因是混凝土残余水化放热。由图3、图4显示，测点DT1621-08（A区）的温度回升幅度高于测点DT1622-08（B区），测点DT2359-10（B区）的温度回升幅度高于测点DT2360-10（C区），由此可见，封拱后坝体混凝土的残余水化放热量A区>B区>C区，这主要与不同材料分区水泥强度等级以及水泥用量有关。
3.3 坝体同坝段不同高程典型测点温度回升情况对比分析
特高拱坝封拱蓄水后，坝体上游面基本上被水淹没，同时由于库水温度分布的不均匀，不同高程浇筑仓处于不同的边界条件之中，相应的温度回升过程也会有所不同。为了了解不同高程上的测点的温度回升的过程以及影响因素，文章分别选取同一坝段、不同高程上，接近上游面、接近坝体断面中心以及接近下游面的典型测点，根据测温仪器所采集各测点的实测温度回升数据，绘制出典型测点的温度回升过程线，如图5、图6和图7所示。
由图可见：（1）图中同时画出了各高程断面中心附近位置典型测点的温度回升曲线，图中显示，边界传热对断面中心位置温度的影响较小、较慢；（2）封拱一段时间之后，断面中心温度才会出现温度回升现象，分析其主要原因是坝体封拱后，冷却通水并未立即停止；（3）测点DT1690-10温度回升速率较其他测点都要快，主要是由于该测点高程大，靠近坝顶，此处的坝体厚度较小，断面中心温度受到了外界环境温度的影响。
3.4 靠近坝顶测点温度变化过程对比分析
特高拱坝一般底宽大，坝体较厚，但并不是坝身的所有部位都很厚，研究特高拱坝的坝体结构型式可以发现，达到一定高程后，坝身厚度与一般的中低拱坝接近。那么，大坝封拱完成后，这些部位坝体混凝土的温度又有怎样的变化规律呢？文章选取16#097封拱后的温度监测数据，以及坝址实测气温数据，绘制温度变化过程图如图8所示。
由图8进行对比分析可知，封拱完成后，靠近坝顶部位混凝土的温度很快就受到了外界气温的影响，随气温作周期性变化；靠近坝顶部位混凝土的温度受气温影响，作周期性变化，其变化过程较气温存在一定的滞后性，且该坝块断面中心混凝土温度的周期性变化滞后于靠近表面部位混凝土的温度的周期性变化。
4 结束语
文章通过对西南某特高拱坝的温度监测资料进行对比分析发现，特高拱坝封拱灌浆完成后，其坝体温度回升表现出以下特点：（1）坝体同坝段同一高程沿河向方向上，上游面混凝土受蓄水的影响，温度回升一段时间后就回落了，坝体断面中心处混凝土受残余水化放热影响，仍处于缓慢上升状态，坝体下游面受气温及太阳辐射影响，回升幅度最大；（2）不同材料分区混凝土的强度等级不一样，所采用的混凝土的配合比不同，水泥及粉煤灰的用量也不相同，封拱完成后，不同材料分区混凝土的温度回升速率及幅度表现为A区>B区>C区，这正好与水泥及粉煤灰的用量大小是相符的；（3）同一坝段，不同高程，相同配合比的混凝土材料，坝体断面中心处温度回升的幅度表现为，高程较大部位的温度回升幅度小于高程较小部位的温度回升幅度，这主要是由于坝体下部坝身较厚不利于散热；（4）坝体接近坝顶部位坝身较薄，该部位混凝土温度经过短暂的回升过程后，就进入准稳定温度状态，随气温作周期性变化，类似于一般的中低拱坝；（5）根据以上关于特高拱坝封拱后温度回升过程的分析，特高拱坝封拱后温度回升的问题可沿高程上分解为三个部分进行研究，坝体上部厚度小于30m部分，坝体中部基础约束区以上部分，坝体下部靠近基础（基础约束区）部分。
参考文献
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