拱-重力坝温度控制与裂缝防治的综合设计方法

《Applied Sciences》：A Comprehensive Design Methodology for Temperature Control and Crack Prevention in Arch–Gravity Dams Hao Nie, Kaijia Yu and Jian Wang

　　

拱-重力坝兼具拱作用与大体积混凝土特征，但针对该坝型的温度控制与裂缝防治研究仍显不足。为此，本研究提出了用于预测允许浇筑温度的双参数决策图法、用于估算冷却时长的解析-数值混合估算法，以及用于评估混凝土全生命周期安全性的综合裂缝风险指数（Comprehensive Cracking Risk Index, CCRI），形成了一套完整的设计方法。研究人员以某拟建工程为案例，通过全过程仿真定量评价了各项措施在不同坝区缓解热应力的贡献。结果表明，未采取措施时，内部混凝土和表面混凝土的CCRI值分别达到68.9%和38.1%。在实施了以控制最高温度、封灌前最终温度及全过程内外温差为目标的组合优化措施后，两项CCRI值均降至零。贡献分析揭示了显著的分区效应：对于内部混凝土，低温浇筑配合一期冷却贡献最大（59.9%）；对于表面混凝土，二期和三期冷却占主导地位（72.7%）。因此，在拱-重力坝温度控制与裂缝防治的工程实践中，应基于内部与表面区域的特性，采用以控制最高温度、优化冷却过程和加强表面保温为核心的组合措施，从而提升抗裂安全性。

拱-重力坝作为一种兼具重力坝与拱坝特征的坝型，在地形地质条件不完全适合修建拱坝但同时对安全性要求较高的场景中得到广泛应用。该坝型坝轴呈曲线布置，并通过横缝灌浆形成整体结构以发挥拱作用，这使得基岩对坝体温变变形的约束显著增强。与此同时，拱-重力坝的混凝土浇筑量与直轴重力坝相当，导致水化热引起的温升显著，而散热条件却较差。这些因素对温度控制和裂缝防治提出了更为严苛的要求。尽管针对重力坝和拱坝等常规坝型的温度控制研究已较为成熟，但针对拱-重力坝这一特殊坝型的系统性研究仍明显不足，其独特的结构特征导致的热应力发展规律无法直接从重力坝或拱坝的研究中外推。现有设计方法多采用"经验公式+有限元验证"的模式，设计效率偏低；同时，现行应力安全控制标准未能考虑混凝土抗拉强度随龄期增长的特性。为填补这一研究空白，研究人员开展了一项针对拱-重力坝温度控制方案的综合设计方法论研究，相关成果发表于《Applied Sciences》。

研究人员以浙江省某拱-重力坝工程为案例，基于当地气候边界条件、混凝土材料特性及施工进度，采用专业有限元软件ABAQUS开展仿真分析。样本来源为上述实际拟建工程。

该研究主要运用了以下关键技术方法：三维有限元法用于瞬态温度场与徐变应力场计算；双参数决策图法用于快速预测允许最大浇筑温度；解析-数值混合估算法用于快速估算二期和三期冷却时长；综合裂缝风险指数用于定量评估混凝土全生命周期裂缝安全性；通过全坝体三维有限元模型的网格敏感性分析确定最优网格尺寸；基于用户二次开发子程序实现全过程温度场与应力场仿真。

**5.2 无温度控制措施**

通过全过程仿真分析无措施工况下最高挡水坝段的温度与应力场分布特征，揭示结构潜在开裂风险。计算结果表明，高温季节浇筑的混凝土内部温升显著，最高温度达52.58°C。基础强约束区（高度h=0~0.2l，l为浇筑块长边长度）和弱约束区（h=0.2~0.4l）的最高温度均超过规范允许限值；自由区最高温度同样超标。大部分区域安全系数不足，部分区域最大主应力超过混凝土抗拉强度。内部混凝土 混凝土CCRI达68.88%，表面混凝土CCRI达38 .09%。主要原因在于：无措施条件下混凝土温升过高，基础上部混凝土温差严重超限导致降温阶段热应力超标；冬季气温骤降时内外温差急剧增大，坝面拉应力显著上升。

**5.3 最高温度控制措施**

通过实施低温浇筑与一期冷却控制混凝土最高温度，评估其对热应力的改善效果。基础约束区浇筑温度控制为10°C，基础弱约束区为15°C，自由区暂不控制；各浇筑层实施一期冷却，冷却水管水平与竖向间距均为1.5 m，冷却水温10°C，流量30 L/min。实施后混凝土最高温度降至39.24°C，内部混凝土最大主应力降至1.88 MPa，安全系数提升至1.35，CCRI降至6.38%；表面混凝土最大主应力降至4.23 MPa，安全系数0.84，CCRI降至31.07%。但仍不满足安全要求，主因在于混凝土导热性能差，内部热量难以散失，冬季降温及蓄水期内外温差导致热应力急剧增大。

**5.4 冷却过程控制措施**

在最高温度控制基础上，进一步实施二期和三期冷却以优化混凝土冷却过程，评估其对热应力的调控效果。冷却目标温度约15°C，冷却水流量10 L/min，采用河水作为冷却介质。结果显示，二期和三期冷却不影响最高温度，但有效控制了混凝土在冬季及蓄水前的温度过程，减小了内外温差。内部混凝土最大主应力降至1.43 MPa，安全系数提升至1.78（满足规范），CCRI为0.01%；表面混凝土最大主应力降至2.96 MPa，安全系数1.20，CCRI降至3.39%。此时内部混凝土热应力基本达标，但表面混凝土及分区边界仍受气温和水温影响，残余内外温差导致应力超限。

**5.5 表面温度控制措施**

通过增强永远是表面保温抑制气温波动对表面混凝土的影响，评估其对减小内外温差和表面热应力的作用。采用5.0 cm厚聚苯乙烯保温板，表面热交换系数降至56.7 kJ/(m²·d·°C)。实施后最高温度略有上升至39.69°C（增幅0.45°C，1.15%），但内外温差显著减小；表面热应力降至2.33 MPa（降幅21.3%），安全系数提升至1.53（增幅27.5%），全生命周期满足安全要求。该措施以微小温度升高换取了显著、全局且长期的热应力降低。

**5.6 结果分析**

综合各措施实施效果，分析不同温度控制措施在不同坝区的贡献率差异。无措施时CCRI显示必须全坝全高程实施温控；经组合措施后，内部与表面混凝土安全系数分别达2.03和1.53，CCRI均降至0。对于内部混凝土，低温浇筑+一期冷却对降低峰值应力和改善整体应力状态贡献率分别为59.87%和90.74%；对于表面混凝土，二期和三期冷却贡献率分别为57.21%和72.67%。

研究讨论部分指出，拱-重力坝温度控制应针对内部与表面混凝土的不同响应特征采取差异化策略：内部混凝土核心在于控制浇筑温度和实施一期冷却以降低最高温度，辅以二期和三期冷却优化过程；表面混凝土则应重点控制冷却过程，采取分期分区缓慢冷却，同时加强表面保温以抑制气温波动影响。工程实践中需综合考虑施工季节、浇筑温度、冷却能力等因素。此外，进一步减小冷却管间距或降低冷却水温虽理论上可行，但可能增加施工难度并增大管周开裂风险。

**研究结论**

本现将该研究的主要结论总结如下：

sphere lack , V_danger为混凝土全生命周期热应力计算过程中出现安全系数不满足要求的体积。该指标在每个有限元仿真时间增量（0.01~1天自适应时间步长）进行评估，若某单元在任意时刻违反安全系数条件即归类为危险单元。CCRI可视为常规裂缝安全系数准则基于生命周期的扩展，整合了热应力的时空效应。尽管CCRI在量化裂缝风险空间分布方面有效，但未考虑应力超限持续时间或断裂行为，无法区分短暂应力越限与持续超应力状态，也未纳入断裂能或断裂韧度等断裂力学参数，因此最适用于温控方案比选和初步设计阶段高风险区的宏观筛选。

研究有限元仿真基于单一拟建工程案例，虽尽量贴近实际工程条件，但仿真过程中不可避免地存在简化。通过调整坝体几何、材料特性、气候条件和施工进度等模型参数，该分析框架可推广应用于其他拱-重力坝工程，为温控方案设计提供方法论参考。未来研究团队将持续跟踪该工程施工过程，通过现场监测数据和参数反分析进一步校准模型参数，为类似工程提供更可靠的参考。