严寒地区大坝混凝土降温速率研究
李建华 ，张春生 ，王富强 ，辛建达 ，黄达海
(I．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191；2．黄河勘测规划设计有限公司，
河南郑州450003；3．中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021)
摘要：针对严寒地区大坝混凝土的降温速率问题，以丰满水电站碾压混凝土重力坝为例，采用有限
元法进行仿真分析计算，研究了降温速率的作用及其影响因素。研究结果表明：通水冷却、表面保
护、体型及环境温度均会对降温速率造成较大的影响，继而影响混凝土温度应力的发展：增大早期降
温速率可以减小后期温度应力，但存在早期开裂风险。然而，减小中后期降温速率可以充分利用徐变
和强度，减小开裂风险。
关键词：严寒地区；大坝混凝土；仿真分析；降温速率；温度应力
doi：10．13928／j．cnki．wrahe．2015．12．005
中图分类号：TV642 文献标识码：B 文章编号：1000-0860(2015)12．0017—06
Study on cooling rate of dam concrete in severe cold region
LI Jianhua ，ZHANG Chunsheng ，WANG Fuqiang ，XIN Jianda ，HUANG Dahai
(1．School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 10019 1，China；
2．YeHow River Engineering Consuhing Co．，Ltd．，Zhengzhou 450003，Henan ，China；
3．China Water Northeastern Investigation，Design& Research Co．，Ltd．，Changchun 130021，Jilin，China)
Abstract：Aiming at the cooling rate of dam concrete in severe cold region，the efect and its influencing factors of the cooling
rate are studied herein with a simulation analysis made by the finite element method by taking the roHer·-compacted concrete gravi．-
ty dam of Fengman Hydropower Station as the study case．The study result shows that all the factors of water cooling，surface pro—
tection，dam body shape and environmental temperature can largely impact the cooling rate，and then influence the development
of the thermal stress of the concrete，i．e．increasing the early cooling rate can reduce the therm al stress in the later period，however，
the risk of the early cracking is to be there．Nevertheless，reducing the cooling rate in the medium—later period can fully u—
tilize the concrete creep behavior and strength development to reduce the cracking risk．
Key words：severe cold region；dam concrete；simulation analysis；cooling rate；thermal stress
1 研究背景
工程中大坝混凝土往往会受到裂缝问题的困扰，
而这些裂缝主要是由温度变形及应力引起的⋯ ，即
由混凝土在时间和空间的温度梯度产生的温度变形及
温度应力超过了允许变形和允许应力，因此需要在施
工期采用适当的温控措施 J。严寒地区夏季温度高，
而冬季寒冷且寒潮频繁的恶劣气候条件以及越冬长间
歇式的施工方法使其具有独特的温度应力时空分布规
WaterResources andHydropowerEngineering l 1．46No．12
律 ，增加了温控的难度，导致在某些工程中 J，
尽管施工中采用了严格的温控措施，使最高温度、内
外温差等控制指标满足要求，但仍存在不同程度的开
裂问题。在观音阁水库大坝 施工中虽然采用了相
应的温控措施，但由于气候条件恶劣，人冬后表面降
温迅速，形成较大的上下层及内外温差，在上下游表
收稿日期：2015—06—02
作者简介：李建华(199O一)，男，硕士研究生。
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李建华，等∥严寒地区大坝混凝土降温速率研究
面产生了水平裂缝；某大闸 在早期的闸墩施工过
程中，因为通水冷却不当导致早期混凝土降温速率过
快而造成闸墩开裂。目前对大体积混凝土的温控主要
着眼于最高温度及温差控制，对降温速率的重视程度
不足，而规范 对最高温度、温差指标也有详细的
规定，对降温速率只是规定“坝体降温速度不宜大于
1℃／d”，导致在温差一定的情况下，温度应力仍然
失控。
随着温控措施的日益完善，国内外学者逐渐将关
注点转移到降温速率对大体积混凝土温度应力的影响
方面。M．Brifaut等 通过改进圆环法实验，利用升
温时混凝土和铜环变形不同模拟降温状态，发现变温
速率从0．17 oC／h到0．7 oC／h时，开裂时间提前70
h；石南南博士等 利用温度应力试验机研究不同降
温速率对混凝土开裂影响，发现当混凝土降温速率从
0．33 oC／h降到0．21 oC／h时，最低温度降低了9 oC；
朱伯芳、张国新等 。。” 针对工程中早期裂缝问题，
提出了“早冷却、慢冷却、小温差”的温控理念，之
后秦克红¨ 将其应用到溪洛渡水电站拱坝施工中，
较好地控制了温度应力。
从以上研究看出，关于降温速率的研究目前主
要是实验室理想条件下的温度应力研究，能否应用
于严寒地区大坝混凝土尚不明确，而且对不同降温
速率在不同龄期的作用研究还较少。所以本文在已
有研究基础上，运用温度及应力场有限单元法，分
析降温速率的作用及影响因素，并针对丰满水电站
碾压混凝土重力坝进行仿真分析，研究了通水冷
却、表面保护、体型及环境温度对降温速率的影
响，进而分析不同龄期降温速率变化对混凝土温度
应力的影响。
2 仿真计算原理
在温度场仿真计算 中，采用等效负热源法来
考虑冷却水管作用，热传导方程如下
OT
= n(窘+ oZT+ )+(to一 ) +0。 (1)
式中， 、r、Ⅱ分别为混凝土的温度、龄期和导温系
数；r0、 ，分别是混凝土的初始温度和冷却水管水
温； 、lfr是与无热源水管冷却及绝热温升有关的函
数；0。则为最大绝热温升。由热传导方程结合边界
条件及初始条件，根据变分原理，通过差分计算可以
得到有限单元法下的温度场方程，如下
( + J + 一 +Fn+1 0 (2)
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式中，日、R、F 分别是与形函数、边界条件及绝
热温升有关的已知函数。
综上，结合已有研究_1 可以看出：通水冷
却 可以影响 的函数值，降低内部最高温度，加
快降温，调节早期降温速率；表面保护_l 则可以改
变放热系数，影响与边界条件条件有关的函数日，增
加混凝土与外界环境的热阻，控制混凝土表面的降温
速率，减小内外温差；体型宽度可以直接通过热传导
方程影响混凝土的温度分布，适当增大体型可以减小
中后期的降温速率；环境温度则可以通过第三类边界
的作用口 改变混凝土不同龄期的降温速率。可见影
响降温速率的因素主要有：通水冷却、表面保护、体
型及环境温度。
在温度场基础上，考虑徐变和收缩，则复杂应力
状态下的应力增量和应变增量的关系可以表示为
Fr： 、n一1
A = O"n — =_ 云 (△ n一叼 n一△ n：一△87n )(【3)J
式中，E、C分别是混凝土的弹性模量和徐变度；
Q 是与泊松比有关的系数矩阵；叼 为与徐变有关的
参数； 是线膨胀系数；△占 是自生体积变形应变增
量。
温度应力可以看作是不同龄期Ar 内由降温速率
引起的应力增量总和，故在时间上的温差及空间上的
温度梯度可以表示为时间与空间的降温速率作用的累
积，即降温速率的时间效应和空间效应。降温速率作
为影响温度应力的主要因素，与弹性模量、徐变及约
束问题_1 协同作用决定了温度应力的发展趋势。所
以针对丰满大坝的降温速率研究，需要结合弹性模
量、徐变及强度随龄期变化规律分三个阶段考虑，即
早期降温阶段、中期发展阶段和

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