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水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0103-09

碾压式导电混凝土电热试验与供电模式分析

张梦溪 ，李明超 ，张津瑞 ，胡 昱 2
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（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350；
2. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

摘要：我国的建坝重心不断向高寒地区转移，工程经验表明，低温作用下碾压混凝土坝越冬层面所在高程附近易
发生温度开裂，给该类坝型温控防裂提出了更高的要求。传统的外置保温措施在大仓面上的铺设和拆除必然会提
高施工成本，同时降低施工效率。针对上述问题，制备了一种能够适用于碾压工艺的导电混凝土材料（ERCC），
测试了大尺寸碾压试件 ERCC 层的电热温升性能，基于测试数据反演了 ERCC 的导热系数和比热容；根据热流量
平衡关系推导了坝体内外温差与抵御寒潮所需通电电压的U - ΔT 定量模型，利用电-热-结构耦合的方法模拟了气
温骤降作用下越冬层面温度场和应力场演变过程，以典型测点温度平稳度为目标优化每日供电方式，通过优化结
果验证了所推导模型的可靠性；通过对比气温骤降条件下“薄层表面保温+ERCC 通电加热”与“常规保温材料”两
组共 9 个温控方案的温度、应力以及经济成本，发现所提出的供电模式在改善温度和应力分布方面具有优良的效
果，可为解决坝体越冬层面温控问题提供新的思路。
关键词：碾压混凝土坝；碾压式导电混凝土；越冬层面；温控； U - ΔT 模型；供电模式；电-热-结构耦合仿真
中图分类号：TV431 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200277

1 研究背景

近年来，为充分开发水能资源，我国的水利水电工程建设重心已逐步向高寒高海拔地区迁移。
当冬季气温过低时，碾压混凝土（Roller Compacted Concrete，RCC）坝停止施工直至第二年气温回升，
停工的混凝土上表面即为越冬层面，由于混凝土坝越冬层面受寒潮影响，其高程附近容易产生较大
的内外温差，从而在上下游表面附近与越冬停浇面中间部位引起较大的拉应力，进而造成越冬层面
处混凝土开裂，如：辽宁观音阁碾压混凝土坝在 1991—1994 年经历的 3 个越冬层面的上、下游侧均出
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现了开裂现象 ；日本玉川碾压混凝土坝越冬层面的施工缝出现了明显开裂现象 。高寒地区严苛环境
对碾压混凝土坝建设材料提出了更高的要求，越冬层面处一旦出现水平裂缝，将会直接影响碾压混凝
土坝体安全。而随着工程建设经验的积累，逐渐形成“基础温差适当放宽，内外温差从严控制”的高
RCC 坝温控设计理念。因此，作为易产生温差的关键部位，越冬层面的温控防裂设计已成为关键问题。
为降低越冬层面混凝土开裂的可能性，坝工界目前主要采取以下三类措施：（1）在越冬层面上采
取外部保温措施，减少冬歇期坝体混凝土与严寒环境的热交换以控制混凝土坝体的内外温差。保温
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措施包括覆盖一定厚度的棉被、挤塑式聚苯乙烯隔热保温板 、人造雪层 等表面防护措施 ［5-6］ ，但混
凝土坝特别是基础强约束区混凝土的浇筑仓面较大，混凝土越冬时保温层面积较大，保温被层数可
达 15 ~ 20 层，外部保温层的覆盖范围和覆盖厚度增加必然会提高施工成本，同时降低施工效率；（2）
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在越冬层面布置保温层的基础上，通过在碾压混凝土坝体中布置预留缝、诱导缝 、人工短缝 等结
收稿日期：2020-04-27；网络首发时间：2020-12-23
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201221.1654.002.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51879185）；国家大坝安全工程技术研究中心开放基金项目（CX2019B02）
作者简介：张梦溪（1994-），博士生，主要从事水利工程仿真与优化分析研究。E-mail：zhangmx@tju.edu.cn
通讯作者：李明超（1979-），教授，主要从事水利工程仿真与优化分析研究。E-mail：LMC@tju.edu.cn
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