堆石混凝土(rock-filled concrete，RFC)是一种高度采用机械化施工的筑坝技术，仓面约55%采用大块堆石(粒径>300 mm)^[1]，通常由自卸汽车装载入仓、挖掘机辅助堆石^[2]。目前，堆石混凝土重力坝结构设计主要依据NB/T 10077—2018《堆石混凝土筑坝技术导则》^[3]，横缝多设置在地形变化明显处以适应基础不均匀沉降，同时参照现行混凝土重力坝、砌石坝规范标准，因此设计理念相对保守，部分工程横缝设置较多，横缝间距一般为20~40 m^[3]。而横缝间距小导致施工仓面窄、机械转动半径小，不仅提高了堆石入仓难度，而且降低了坝体堆石率，增加了水泥用量^[4]。事实上，相比常态混凝土或碾压混凝土，堆石混凝土的水化温升低、温度应力小，其重力坝对横缝间距的要求可适当放宽^[5]。目前，贵州省已依托绿塘水库等堆石混凝土拱坝，完成了不设横缝、整体浇筑的成功创新实践^[6-7]。同时，除因坝基地质条件必须设置坝体横缝外，多个已建和在建的堆石混凝土重力坝采取了少设横缝、整体或超长坝段的浇筑方式^{[4-5, 8]}(见表 1)。其中，打鼓台堆石混凝土重力坝具有目前最长重力坝段即最大横缝间距134 m。该水库于2016年4月11日开始浇筑堆石混凝土，2017年5月29日浇筑到顶，2018年3月开始蓄水，2019年5月21日蓄满运行，经历了施工期、蓄水期、运行期的长时间考验，水库蓄水后运行良好。

作为水利枢纽的挡水建筑物，堆石混凝土坝上游侧通常浇筑厚度约为0.5~1.0 m的防渗层，承担阻水防渗作用^[3]。上游防渗区与紧邻堆石混凝土的变形应相互协调，温度应力不宜过大，若温度控制不当将影响大坝混凝土施工质量，甚至引起坝体结构开裂^[9-11]。为此防渗层可设置短缝，短缝下游侧接施工缝时加强凿毛、防裂和止水等处理^[5]，防渗层通常还布设钢筋网，以提高上游表面混凝土的抗拉性能。水库蓄水后，在巨大水荷载的推力作用下，大坝坝体尤其上游区域容易发生变形^[12]。通常堆石混凝土坝的防渗区采用常态混凝土或自密实混凝土浇筑，水泥用量大导致水化热温升较高。因此，堆石混凝土重力坝设计在减少横缝的同时，不宜减少防渗层的短缝，短缝间距为15~30 m^[5]。

目前，超长坝段堆石混凝土重力坝的筑坝经验少，坝体性态掌握不全，其蓄水后的适应性也需深入探讨。本文以打鼓台工程为切入点，开展了大坝温度、渗压及位移监测、有限元仿真分析与大坝工作性态演化规律研究，为今后的堆石混凝土重力坝结构设计提供科学指导。

1 研究工程概况

贵州省打鼓台水库为典型堆石混凝土重力坝，位于余庆县敖溪镇，大坝坝顶高程799.00 m，最大坝高41.0 m，坝顶宽度6.0 m，坝轴线长度198.0 m。水库正常蓄水位796.00 m，总库容619万m³。打鼓台堆石混凝土坝上游设置厚0.5 m的防渗层，采用标号为C₉₀15W6F50的自密实混凝土一体化浇筑，并沿防渗层的纵、横向布设钢筋网，防渗层短缝间距21~28 m；大坝结构设置2条横缝(坝0+030.54 m、坝0+164.54 m)，分别位于左、右边坡的地质条件明显变化处，坝体监测点布置如图 1所示。

坝体采用90 d龄期C15堆石混凝土浇筑，总填筑量约8.0万m³，其中最大仓面填筑方量约5 186 m³，即134 m×19.35 m×2 m(长×宽×层高)。打鼓台最长坝段为坝中段134.0 m，取中间剖面A-A(桩号坝0+097.54 m)用于监测该坝段的全过程温度变化。坝体温度计布设如图 1所示，在高程769.00、779.00、789.00 m处共布置6支永久温度计(T1—T6)。温度计型号为DW-1，量程为-30~70℃，精度±0.3℃。为了监测坝基渗压，在坝0+092.54 m(B)和0+116.54 m(C)断面坝基处(高程均为758 m)各布置渗压计4支，其中1支位于帷幕前、3支位于帷幕后，编号分别为P1—P4和P5—P8。8支渗压计于2016年7月埋设于超长坝段的坝基处，渗压计最大量程为0.40 MPa，精度为±2%。大坝建成后在坝顶高程799 m靠下游侧，布置了5个坝顶综合位移点(LD01—LD05)，用于定期监测大坝水平位移和沉降位移。打鼓台水库建成后蓄水过程的库水位变化曲线如图 2所示，施工过程和水库蓄水后的照片如图 3所示。

2 蓄水运行监测数据分析

打鼓台大坝的施工期历时1年零1个月，工程所在地多年平均气温14.9℃，图 4是温度计T1—T6的施工期温度变化曲线。处于同一高程的T1—T3在混凝土浇筑后的初期都有明显的温升过程，其中T2温度计不仅埋设于134 m超长坝段的中间剖面，还位于坝段横剖面的中间位置。因此，T2处于坝段中的散热最不利位置，最高温度能达到32.3℃，主要是由于该仓混凝土浇筑时气温仍高，入仓温度高(约23℃)，而实际最大温升小于10℃。水库初蓄期T2在25℃左右缓慢下降。位于坝体上部的T4—T6混凝土入仓温度低(仅约5℃)，温升后最高温度未超过25℃。整体来看，堆石混凝土的绝热温升较低，可采取控制混凝土入仓温度的方式实行简易温控。

打鼓台水库达到正常蓄水位之后，基本维持在794~796 m的水位范围内。图 5为温度计T1—T6蓄水运行期的温度变化曲线，可发现最高温度基本都不超过25℃(除靠近下游面的T3外)。水深27 m(高程769 m)处的T1—T3分别呈现3种不同的温度变化趋势，靠近上游面2 m处的T1受深部水温影响，温度变幅较小，稳定地在12.5℃左右波动，且有明显的相位滞后，夏季温度低、冬季温度高。坝段中部的T2距离上下游面都较远，散热不易故温度较高，在15~18℃范围内波动，也呈现明显的季节周期性变化与相位滞后。而距离下游面3 m的T3受外界气温影响较大，呈现与气温类似的夏季高温、冬季低温周期性变化，在12~26℃范围内波动。T4仍受库水温影响较大(水深17 m)，在12~17℃范围内微波动；T5距离下游面5 m，受气温影响程度比T3小，在17~21℃范围内变化；T6受库表水温影响(水深7 m)，周期性波动范围大(12~24℃)。

图 6为坝基渗透压力变化曲线图，可看出施工期的渗透压力较小，基本都小于0.05 MPa，其中帷幕前的P1、P5测点扬压力稍大，可能是受上游基坑积水的影响。开始蓄水后，测点受库水扬压力作用，渗透压力值逐渐上升，其中帷幕前的P1和P5变化值最大，分别能达到0.35和0.25 MPa。库水蓄满之后，渗透压力经过短暂下降后开始趋于稳定，伴随库水位变化有微波动。帷幕后6支渗压计的测值小很多，最大仅0.15 MPa左右，帷幕的阻水效果显著。目前，8支渗压计测值都处于正常范围内，无突变情况发生，大坝在蓄水后的运行状态良好。

3 有限元仿真计算模型与参数 3.1 有限元计算模型

本文采用有限元模型仿真计算，分析大坝在不同工况下的工作性态。根据大坝的实际结构型式、浇筑层厚和基岩轮廓等比例1∶1精细建模，同时考虑坝体不同材料分区如垫层常态混凝土、上游防渗层纯自密实混凝土、坝体堆石混凝土。采用中国水利水电科学研究院SAPTIS系列软件，模型共有单元89 928个，节点100 175个(见图 7)，有限单元以六面体为主，局部有少量棱柱体单元。

SAPTIS系列软件中采用无厚度接触单元模拟横缝与防渗层短缝^[10-11]。缝单元可设置抗拉及抗剪强度，在未屈服之前缝处于粘接状态，其受力与变形均为连续；当拉应力超过抗拉强度时发生张拉破坏，剪应力超过抗剪强度时发生剪切屈服；屈服后的缝单元只能传压与传剪，不能传递拉应力。缝的开闭状态随受力的不同而变化，缝的开闭迭代计算包括了几何非线性的缝间开合和材料非线性的剪切屈服2个非线性过程的迭代。

3.2 计算参数与工况设计

基于热力学传导理论^[9]，有限元仿真计算采用单参数绝热温升模型θ(τ)=θ₀(1-e^ατb)^[13-14]，不同材料的热力学参数^[15-16]见表 2。计算考虑不同荷载组合和分缝条件(见表 3)，工况A、B、C代表蓄水前，工况D、E、F代表蓄水后。大量堆石混凝土重力坝温度监测与仿真计算结果^{[11, 14-16]}表明，平均20~40 m坝段的堆石混凝土坝不存在较大的温度应力问题。本文有限元仿真计算重点关注打鼓台超长坝段的温度应力(工况A和D，见图 8a)，同时对比普通坝段工况(工况B和E，见图 8b)，并探究重力坝不设横缝、整体浇筑的可行性(工况C和F)。

3.3 温度仿真结果与实测对比验证

有限元仿真计算考虑大坝结构特征、坝体材料分区、混凝土水化发热及硬化过程、自生体积变形和徐变等特性，环境气温与库水温作为边界条件，真实反映大坝分层浇筑施工过程与水库蓄水过程，最终得到大坝施工期与运行期的温度场。工况D为大坝实际分缝状态下蓄水运行后的计算工况，坝体内6个典型测点的实测温度与仿真温度对比曲线如图 9所示，可以看出有限元仿真结果与实际监测结果非常接近，仿真计算结果可靠，可开展进一步的分析。

4 横缝条件对大坝工作性态影响 4.1 空库状态下大坝工作性态分析

堆石混凝土坝一般采用全断面施工^[3]，坝体不宜设置纵缝。打鼓台重力坝仅设置了2条横缝贯穿上下游，在上游防渗区加设了4条短缝。仿真结果显示，由于考虑各坝段同步上升，不同横缝条件下的大坝温度场仿真结果基本一致。大坝施工期最大温度包络图如图 10a所示，河床坝段中下部有一片高温区，最高温度达到36.56℃。根据工程进度可知，打鼓台大坝于2016年4月开始浇筑堆石混凝土，靠近坝基强约束区的混凝土正好赶上夏季高温季节(5—10月)，混凝土入仓温度高。图 11为大坝施工期横河向应力包络图，上游面靠近坝基位置存在2.0~4.0 MPa的高拉应力区，与施工期高温区域相对应，且坝段剖面底宽较大，因此施工期温升高、应力大。蓄水前(2018年3月17日)的坝体温度场分布如图 10b所示，上下游面的温度主要受气温影响，低于坝体内部温度。由于宽度不同，河床坝段的坝体温度明显高于岸坡部分，左右岸的大坝温度分布基本对称。在竖直方向，坝体内部温度分布与浇筑季节有明显的相关性，高温季节浇筑的坝体混凝土温度约20.5℃，低温季节浇筑的混凝土温度约14℃。总体来看，坝体蓄水前时刻的温度水平不高，坝中心最高温度也不超过21℃。

大坝施工结束后，内部散热温降较慢，应力最大值通常出现较晚，但坝体表面受外界气温影响容易出现大幅温降，尤其在寒冷的越冬期，而温降易产生拉应力。因此，重点分析空库状态下坝体表面的横河向(即垂直于河流方向)应力。如图 12所示，沿高程方向，上下游面应力呈现明显的分层现象，与实际混凝土浇筑季节相关性较大。蓝色区域表现为压应力，该高程部位的混凝土在冬季浇筑。而在高程765~772 m区间，超长坝段工况的上下游面均存在较高的拉应力区，约1.5 MPa，主要是由于施工期温度应力较大。温度计T1—T3位于此区间(高程769 m)，图 4中从施工期最高温到2018年4月的温度降幅较大，T1和T3温度降幅达到15℃，T2从最高温32.3℃降至23℃左右。此外，该高程区间的坝段底宽较大，靠近基础约束区，因此在温差大、约束强的情况下产生了高拉应力。

相比超长坝段工况(横缝间距134 m)，普通坝段工况(横缝间距约25 m)的上、下游面横河向拉应力区域有所减小，大坝中下部的高拉应力区基本消失(见图 13)。坝段分缝一定程度上削弱了对混凝土热胀冷缩的约束作用，温度应力减小，通常横河向拉应力水平决定了坝段宽度。目前，超长坝段134 m的空库应力水平最大为1.5 MPa拉应力，尚在混凝土容许拉应力范围内。且大坝上游防渗区在实际施工过程中布置了钢筋网(计算中未考虑)，提高了上游面的抗拉强度。但如果坝段继续加长，坝体混凝土可能存在沿纵向开缝的风险。打鼓台大坝施工结束后空库时间约10个月，实际监测结果为坝体上下游表面无明显裂缝，符合蓄水安全鉴定要求。

4.2 蓄水后横缝对大坝工作性态影响

1) 蓄水后大坝温度分布。

蓄水后，大坝上游面温度主要受库水温影响，下游面受气温影响(见图 14和15)，坝体内部温度受到气温、库水温和基岩温度的共同作用。通过仿真分析，发现横缝对于蓄水后的大坝温度分布没有太大影响。高温季节时，大坝下游面直接受阳光照射，温度明显高于上游面约15℃，坝体内部温度自上游向下游逐渐升高；上游面库水位以上的裸露部分温度较高，水位以下均不超过18℃，坝底靠近基岩部位的温度低于中上部(见图 14)。低温季节时，大坝上游面温度反过来高于下游面，库水起到了一定保温作用，同时坝体内部温度仍保持在10~17℃，高于裸露的上下游面。因此，蓄水运行之后的温度变幅主要表现在下游面和上游库水位以上的裸露部分(见图 15)。

2) 蓄水后大坝位移分布。

水库蓄水至正常水位后，大坝顺河向位移基本对称分布(见图 16和17)。有限元计算中，顺河向位移正值指向上游。不同横缝条件改变了河床中间坝段顺河向变形的分布规律，与超长坝段工况相比，普通坝段工况的变形规律基本一致，变形量值略大于超长坝段工况，且在横缝位置处出现位移断层分布(不连续)的规律。高温季节时，由于混凝土热胀作用，大坝产生朝向上游的变形增量，河床坝段上游面附近和中上高程部位变形方向均指向上游，最大变形约1.6 mm，其余部位变形仍在库水作用下指向下游。低温季节时，混凝土收缩，大坝产生朝向下游的变形增量，河床坝段顶部朝下游最大变形约3.6 mm，岸坡坝段由于受挤压作用略微向上游变形。根据大坝坝顶位移监测结果(见表 4)，可看到坝顶沿顺河向蓄水前后向下游的位移偏移量为0.9~4.1 mm，上述位移仿真结果在此范围内。

3) 蓄水后大坝应力分布。

关于坝体应力，图 18和图 19为蓄水后不同横缝条件下高温季节坝体应力的计算结果。可以看出，超长坝段上下游面的中上部和内部以压应力为主，而靠近库底区域存在较大的横河向拉应力，主要是因为该区域已有较大的施工期温度应力。且库水温变化存在相位差，高温季节时库底水温仍处于较低水平，导致上游面的下部混凝土区域温差较大，产生高拉应力区，最大约2.5 MPa；普通坝段工况也在同样区域存在高拉应力，但应力水平有所降低，约1.5 MPa。沿顺河向，超长坝段拉应力主要集中在强约束高温季节浇筑区域，应力值小于1.0 MPa，普通坝段拉应力略高于超长坝段，约为1.5 MPa。

图 20中，低温季节时，沿横河向超长坝段工况的上游面，在水位以上的区域温降变幅大，存在高拉应力区，最大应力约2.5 MPa；且在下部高温季节浇筑的区域也存在高拉应力区；而下游面在中间超长坝段的上顶部和靠近库底区域有两个范围的拉应力区，基本不大于2 MPa。普通坝段工况在低温季节，上游面拉应力有所降低，均小于2 MPa，下游面基本处于低压应力状态，局部边坡变化明显处有应力集中，约1.2 MPa的拉应力(见图 21)。

整体来看，堆石混凝土重力坝采用超长坝段，蓄水运行后的坝体应力状态基本满足应力标准，上游面局部应力水平达到2.5 MPa，而防渗层钢筋网的存在提高了上游面的抗拉强度，认为其在允许应力范围内。但值得注意的是，施工期要严格控制温度应力，尽量避免底部大仓面在夏季高温浇筑，否则影响大坝运行期应力状态。沿顺河向的温升或温降荷载引起的拉应力，主要集中在坝体内部强约束区，应力水平取决于基础温差。蓄水运行后要注意横河向温降荷载，冬季混凝土收缩大、应力水平高，可能引起上下游面裸露部分产生较大的拉应力，进而引发混凝土表面产生自上而下或斜向的裂缝风险。

4.3 不分横缝重力坝的工作性态

目前，堆石混凝土拱坝已实现了整体浇筑、不分横缝的筑坝技术，且已被多个工程实践证明该技术可行^[6-7]。拱坝相对体型较薄，可充分发挥堆石混凝土绝热温升低的优势，不设横缝整体拱圈上升，保证了拱坝的整体性。但重力坝的体积相对较大，若不分缝分块可能存在较大的施工期温度应力。通过工况C和F不分缝重力坝的仿真计算，探讨堆石混凝土重力坝整体浇筑的可行性。

仿真计算中，将靠近坝底部位大仓面的浇筑时间调整到低温季节浇筑，避开高温季节施工。图 22a为不分缝大坝施工期的上游面横河向应力包络图，与图 11a对比靠近坝基的区域没有高拉应力，说明避开高温季节浇筑混凝土可有效减小施工期温度应力。然而，从大坝开始施工到2018年3月，不分缝整体浇筑坝的施工期最大拉应力达到约3.0~5.0 MPa(见图 22a)；蓄水后低温季节不分缝坝体的水位以上部分存在高拉应力区，最大拉应力达4.6 MPa(见图 22b)。整体浇筑坝的坝段宽度较大(全长198 m)，由于没有任何横缝可辅助改善横河向应力分布状态，因此最大拉应力出现在整体浇筑坝的两岸坝肩处，对坝肩支撑作用与坝体稳定性有较大影响。理论上堆石混凝土重力坝的最大坝段宽度应有个上限值，不分横缝整体浇筑坝需考虑坝体端部应力大问题。

5 超载工况下大坝结构性能分析

为研究超长坝段堆石混凝土重力坝在蓄水超载工况下的结构性能，本文采用水头超载法进行超载计算，其中超载因数为水的计算容重与实际容重(本文取10 kN/m³)之比，用于评价大坝整体安全性。坝前水位按正常蓄水位计算，考虑水压荷载、正常淤沙压力和自重荷载，其中淤沙高程取776.50 m，淤沙容重取7.5 kN/m³。通常混凝土材料的抗压强度高、抗拉强度弱，在超载计算中坝体混凝土与地基岩体的材料非线性采用Drucker-Prager屈服准则模拟，考虑混凝土在复杂应力状态下的受拉和压剪破坏，屈服后按照理想弹塑性进行计算。

图 23为不同超载系数下坝体—坝基整体变形云图，规定横河向变形向左岸为“+”，顺河向变形向下游为“－”。图 24为坝体变位前后的对比框线图。可看出，随着超载倍数的增大，大坝中上部逐渐向下游发生屈曲变形，超载倍数越大变形越大，中间超长坝段(即134 m坝段)的顶部变形最大。正常荷载作用下，大坝横河向和顺河向位移都比较小，不超过2 mm；当超载倍数达到10.0时，横河向位移左右岸达到约6 mm，左岸略大于右岸变形，顺河向位移向下游最大能达到42.5 mm。

图 25—27为不同超载倍数下不同大坝部位的屈服区分布图，含大坝建基面、上游面、坝体中心纵剖面。在水荷载超载计算中，上游建基面最先出现屈服，尤其中间超长坝段的屈服区域较大；随着超载倍数逐渐增大，屈服区域逐步向下游扩展，两

岸岸坡坝段的建基面屈服范围逐步增大，并向河床坝段扩展。当超载倍数为10.0时，建基面屈服深度尚未达到坝踵到坝趾距离的一半，坝基屈服程度较小。左右岸坝肩屈服区随着超载倍数增大，逐渐向坝体内部、河床坝底扩展，但大坝整体屈服范围较小。大坝坝踵处最先出现屈服且屈服程度较大；当超载倍数达10.0时，坝踵处屈服区扩展高度约为1/10坝高，扩展宽度约为2/5建基面宽度；虽然屈服范围较小，但有可能对大坝防渗帷幕造成破坏，需引起注意。

图 28为坝体上游面各点顺河向位移与超载倍数的关系曲线(向下游变形为“+”)，随着超载倍数的增加，大坝坝体位移变化速率逐渐加快，且坝体屈服区域逐渐扩大。当超载倍数达10.0时，虽然大坝坝底与坝顶的位移能达到15~42.5 mm范围内，但坝体尚未出现上下游贯通性的屈服破坏，可以看出打鼓台水库大坝的整体超载安全度较高，稳定性良好。

6 结论

本文对具有代表性的打鼓台堆石混凝土重力坝进行了安全评价。通过大坝施工期、蓄水期至运行期的坝体温度、坝基渗压与坝顶位移监测，坝体温度在蓄水运行后整体不超过25℃，坝体渗压在蓄水后无异常情况，帷幕后的渗压值显著小于帷幕前的渗压值，蓄水后坝体向下游的位移较小。目前，打鼓台大坝的各项监测指标正常，蓄水运行情况良好。

结合监测结果和有限元仿真研究了大坝工作性态演化规律，得出以下结论：堆石混凝土的绝热温升相对较低，但需控制高温季节的混凝土入仓温度。如果堆石混凝土重力坝采用超长坝段施工，建议靠近坝基的大仓面浇筑应尽量避开夏季高温季节，减小施工期温度应力。经过有限元计算分析，与普通坝段工况相比，超长坝段堆石混凝土重力坝的温度与应力状态基本都满足要求。无论是空库还是蓄水运行后，横河向拉应力超过允许应力标准的区域比较少。同时，应关注上游面的应力状态，由于上游防渗层混凝土用量大、施工期温度应力大，需在防渗层设置钢筋网和短缝，超长坝段也可适当将防渗层分段浇筑。蓄水运行后，超长坝段应注意越冬期的上游面水位以上部分和下游裸露面的保温措施。在蓄水超载工况下，超长坝段堆石混凝土重力坝的超载安全度与稳定性较高。综上所述，为了提高施工效率和堆石率，堆石混凝土重力坝可适当加大横缝间距。