官地碾壓混凝土重力壩技施階段溫控措施研究

楊晨光，程福安，孫寶來(lái)

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610007）

官地水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市和鹽源縣交界的打羅村境內(nèi)，系雅礱江卡拉至江河口河段水電規(guī)劃五級(jí)開發(fā)方式的第三個(gè)梯級(jí)電站。該地干濕季分明，溫差較大，溫控需重點(diǎn)研究。

大壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程1 334m，正常蓄水位1 330m，最大壩高168m，最大底寬153.2m。大壩混凝土總方量約344.5萬(wàn)m3（其中RCC約292.7萬(wàn)m3）。整個(gè)壩體共24個(gè)壩段，壩軸線長(zhǎng)516m，自左至右分別布置左岸擋水壩段、左側(cè)中孔壩段、河床溢流壩段、右側(cè)中孔壩段、右岸擋水壩段。

碾壓混凝土壩由于采用水泥用量少的干硬性混凝土和薄層碾壓連續(xù)澆筑方法施工，其與用傳統(tǒng)的柱狀澆筑法施工的常態(tài)混凝土壩在水化熱、散熱條件和方式、溫度應(yīng)力的主要影響因素等方面有明顯不同。為發(fā)揮碾壓混凝土連續(xù)澆筑快速施工的優(yōu)點(diǎn)，通常無(wú)縱縫通倉(cāng)澆筑或橫縫間距較大，從而澆筑塊較長(zhǎng)，上下層溫差和基礎(chǔ)溫差引起的應(yīng)力均較大。另外，碾壓混凝土發(fā)熱歷時(shí)也較長(zhǎng)，溫升緩慢，自然溫降時(shí)間也長(zhǎng)，尤其是通倉(cāng)澆筑的壩，無(wú)接觸灌漿前的二期冷卻，有時(shí)要幾十年的天然冷卻才能達(dá)到壩體穩(wěn)定溫度，所以內(nèi)外溫差將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)起控制作用[1][2]。制定合適的溫控標(biāo)準(zhǔn)及控制措施是防止大壩裂縫最有效手段[3]。

1 基本資料

壩址氣象水文資料見表1。壩體用到十余種混凝土，表2～3給出壩體內(nèi)部所用到主要碾壓混凝土熱力學(xué)參數(shù)，其中絕熱溫升按雙曲線公式模擬。

2 溫控標(biāo)準(zhǔn)及主要溫控技術(shù)要求

（1） 內(nèi)部混凝土最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。混凝土允許最高溫度取決于穩(wěn)定溫度、基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和上下層溫差等。為便于施工管理，通常將溫差控制標(biāo)準(zhǔn)等轉(zhuǎn)化為壩體混凝土的允許最高溫度，并作為控制指標(biāo)，詳見表4。

（2）表面混凝土保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。氣溫驟降來(lái)臨之前，對(duì)齡期未滿60天的碾壓混凝土、變態(tài)混凝土和齡期未滿28天的普通混凝土可采用β≤10.8kJ/m2·h·℃保溫材料進(jìn)行全面保護(hù)（側(cè)面和表面），并對(duì)棱角部位采取加強(qiáng)措施。日平均氣溫低于3℃或最低氣溫低于－3℃時(shí)，對(duì)齡期未滿28天的混凝土進(jìn)行保溫。

表1 氣象水文資料

表2 主要碾壓混凝土熱學(xué)參數(shù)

表3 主要碾壓混凝土力學(xué)參數(shù)

表4 內(nèi)部主要混凝土允許最高溫度 單位：℃

（3）相鄰澆筑塊高差控制。壩體相鄰塊高差不大于12m，碾壓混凝土相鄰塊混凝土澆筑時(shí)間間歇不大于21天。

3 主要溫控措施對(duì)比研究

對(duì)于大體積通倉(cāng)澆筑的碾壓混凝土，主要是利用控制混凝土澆筑溫度，混凝土表面散熱，以及通水冷卻等溫控措施把內(nèi)部混凝土最高溫度控制在容許范圍內(nèi)，并結(jié)合表面混凝土養(yǎng)護(hù)等措施以防止大壩危害性裂縫的發(fā)生。然而溫控措施的制定不僅要考慮施工期內(nèi)部混凝土的溫度分布及變化等因素，同時(shí)也要兼顧施工難度以及施工進(jìn)度安排等。在溫控標(biāo)準(zhǔn)基本確定的情況下，如何選擇合適的溫控措施，使得內(nèi)部混凝土溫度既能滿足要求，且在施工上也切實(shí)可行是制定溫控措施最需要考慮的事情。

現(xiàn)結(jié)合混凝土參數(shù)及實(shí)際邊界條件等，利用有限元法給出各主要溫控措施的仿真分析對(duì)比，包括澆筑層厚度、澆筑溫度、間歇時(shí)間、通水溫度及冷卻時(shí)間等。并由此得出一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，據(jù)此初步制定官地水電站施工期溫控措施，指導(dǎo)施工。

3.1 澆筑層厚

對(duì)于采取通倉(cāng)連續(xù)澆筑的碾壓混凝土，澆筑層厚度的選取不僅對(duì)最高溫度和溫度應(yīng)力有顯著的影響，也影響大壩施工工期。現(xiàn)采用有限元法分別對(duì)1.0m～3.0m澆筑層厚情況進(jìn)行計(jì)算比較分析。其中：氣溫取年平均18.6℃，地溫取年平均21.2℃；澆筑溫度取18℃，澆筑間歇期7天；初期通14℃冷卻水15天，冷卻水管水平間距1.5m，鉛直向間距根據(jù)澆筑層厚度確定。

表5 不同澆筑層厚下的混凝土最高溫度成果

澆筑層厚分別取1.0、1.5、2.0、3.0m進(jìn)行計(jì)算，有限元法算得各方案最高溫度成果如表5。由表5所示的散熱效果對(duì)比分析可知：

（1）混凝土最高溫度隨澆筑層厚度的減小而降低，降低澆筑層厚度能有效降低混凝土最高溫度。

（2）表面自然散熱效果隨澆筑層厚度的增加而降低。澆筑的季節(jié)不同，層面散熱的效果也不同，澆筑氣溫越低，層面散熱效果越好，冬季的層面散熱效果比夏季高出一倍以上；在高溫季節(jié)，環(huán)境溫度較高，表面散熱效果相對(duì)將較不理想，因此有必要在高溫季節(jié)采用水管冷卻。

（3）對(duì)于3m的澆筑層厚度，采用雙層水管冷卻 （水管垂直間距都是1.5m）的降溫效果要優(yōu)于單層水管，雖然澆筑層厚度提高一倍，但最高溫度卻只增加了1.49℃。

3.2 澆筑溫度

正確選擇大壩混凝土的澆筑溫度是防止混凝土開裂的關(guān)鍵。對(duì)溫控而言，澆筑溫度越低，混凝土的最高溫度就越低，對(duì)混凝土的抗裂越有利。但是，澆筑溫度的降低需要高昂的降溫費(fèi)用，從骨料的預(yù)冷，到加冰拌和等一系列降溫措施，溫降越多，費(fèi)用越高。因此澆筑溫度的選擇需要綜合考慮最高溫度限制、費(fèi)用和技術(shù)上的可行性等各種因素，在滿足溫度要求的前提下，盡量采用較高的澆筑溫度。澆筑層厚度通常為1.5～3m。為選擇合適的澆筑溫度，分澆筑層厚1.5m及3.0m情況進(jìn)行了不同澆筑溫度的最高溫升計(jì)算。其中：基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚取1.5m，非約束區(qū)取3.0m；澆筑時(shí)間選在有代表性的夏、冬和春秋季，即7月、1月、及11月，相應(yīng)的氣溫為23℃、11℃和14.6℃，澆筑間歇期7天。通水采用14℃制冷水15天，冷卻水管間距：1.5×1.5m(水平×垂直)。

澆筑溫度取為14℃～20℃分別進(jìn)行計(jì)算，有限元計(jì)算成果如下表6。

表6 不同澆筑溫度時(shí)的混凝土最高溫度成果

根據(jù)不同澆筑溫度的最高溫度成果可知：

（1）澆筑層厚1.5m時(shí)，澆筑溫度每提高1℃，混凝土最高溫度約增加0.3～0.5℃；澆筑層厚3.0m時(shí)，澆筑溫度每提高1℃，混凝土最高溫度約增加0.5～0.7℃?？梢姡瑢?duì)于澆筑層較厚情況，較低澆筑溫度對(duì)控制最高溫度較為有效。而澆筑層較薄時(shí)，表面散熱效果體現(xiàn)的更為明顯，控制澆筑溫度對(duì)減小最高溫度效果相比澆筑層較厚情況要小。

（2）分析結(jié)果知：對(duì)于3m層厚，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑溫度不超過(guò)18℃，弱約束區(qū)混凝土澆筑溫度不超過(guò)20℃，最高溫度能滿足相應(yīng)溫控要求。

3.3 澆筑層間歇期

碾壓混凝土發(fā)熱一般較常態(tài)混凝土緩慢，在有水管冷卻等措施情況下其最高溫度通常出現(xiàn)在澆筑后5～7天，超過(guò)7天以后，溫升呈下降趨勢(shì)。

選擇合理的澆筑間歇對(duì)控制混凝土最高溫度、施工強(qiáng)度、工程工期有重要意義。間歇期過(guò)短勢(shì)必增加混凝土生產(chǎn)、澆筑、碾壓、立模、拆模的強(qiáng)度。過(guò)長(zhǎng)的層間間歇會(huì)對(duì)新老混凝土結(jié)合不利，增加層間結(jié)合處理難度，并影響到混凝土澆筑的施工工期。同時(shí)，基礎(chǔ)約束區(qū)長(zhǎng)間歇，在遇到氣溫驟降等極端天氣下更容易導(dǎo)致過(guò)大溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。為選擇合適的澆筑層間歇時(shí)間，對(duì)各個(gè)時(shí)間段澆筑的混凝土分別進(jìn)行了不同澆筑間歇時(shí)間下的最高溫度計(jì)算。其中：澆筑溫度取18℃，冷卻水管間距：1.5m×1.5m，冷卻水溫度14℃，冷卻通水時(shí)長(zhǎng)15天。

表7 不同澆筑間歇的混凝土最高溫度成果

為研究不同間歇期的影響，選取了1.5m、3.0m兩種澆筑層厚，分別對(duì)1月、7月、11月三個(gè)典型月份不同進(jìn)行不同間歇期澆筑方案下的混凝土最高溫度的計(jì)算。綜合考慮澆筑進(jìn)度安排及規(guī)范建議取值，初步擬定不同方案間歇期時(shí)間為3～14天，各方案最高溫度計(jì)算結(jié)果見表7。

根據(jù)不同澆筑間歇期的最高溫度成果可知：

（1）較長(zhǎng)的澆筑間歇期可以增加混凝土表面散熱效果，因而間歇期越長(zhǎng)混凝土最高溫升越低。但靠增加間歇期來(lái)提高表面散熱效果有限，當(dāng)間歇期超過(guò)5～7天以后，對(duì)降低最高溫度的作用有限。

（2） 澆筑層越厚，表面散熱效果越弱，且增加間歇時(shí)間對(duì)降低最高溫度的作用衰減越快。因此對(duì)于澆筑層較厚情況，在滿足澆筑強(qiáng)度情況下可縮短間歇 （不小于5天）從而提高澆筑進(jìn)度。

3.4 冷卻水溫和通水時(shí)間

影響通水冷卻效果的因素包括冷卻水溫、通水持續(xù)時(shí)間、水管間距、通水流量等。一般說(shuō)來(lái)采用較低的水溫及較大流量能取得更好的冷卻效果，但過(guò)低的水溫會(huì)導(dǎo)致溫降速率過(guò)大，在水管周圍的混凝土中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，可能產(chǎn)生溫度裂縫。因此在制定混凝土溫控方案時(shí)，需要在考慮澆筑的其它重要因素的同時(shí)，制定合適的水管間距并選擇合適的冷卻水溫、流量及相應(yīng)的通水時(shí)長(zhǎng)。

為減小通水冷卻敏感性分析工作量，水管間距及流量不做敏感性分析，考慮到實(shí)際澆筑所需通水能力，水管間距初步定為1.5m×1.5m，通水流量初步定為1.2～1.5 m3/h。水溫及通水持續(xù)時(shí)間通過(guò)對(duì)比研究分析擬定。

其它主要計(jì)算參數(shù)如下：邊界條件設(shè)置為絕熱，澆筑溫度20℃，計(jì)算成果見表8。

不同水溫及通水時(shí)長(zhǎng)的冷卻效果分析表明：

（3） 對(duì)于碾壓混凝土，由于其發(fā)熱緩慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且絕熱溫升小的特點(diǎn)，在通水的選擇上，應(yīng)盡量選擇能夠滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)條件下水溫較高而通水時(shí)間較長(zhǎng)的方案，從而避免前期溫降過(guò)大，而后期溫度容易反彈的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上對(duì)主要溫控措施的敏感性分析，并結(jié)合快速施工的需要，在滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上擬定主要溫控措施如下：

（1）澆筑層厚采用3.0m，澆筑間歇8～10天。

（2）3～10月澆筑溫度基礎(chǔ)約束區(qū)17～19℃，初期通12～14℃制冷水冷卻20天；非約束區(qū)澆筑溫度不大于23℃，初期通16℃制冷水冷卻20天，采取倉(cāng)面噴霧和倉(cāng)面保溫措施。

（3） 11月～翌年2月，混凝土自然入倉(cāng) （即以該月平均氣溫＋2℃為澆筑溫度），初期通天然河水冷卻15～20天。

表8 不同冷卻水溫、通水時(shí)長(zhǎng)混凝土最高溫度成果

（1）在其它條件一致情況下，冷卻水水溫越低，內(nèi)部混凝土達(dá)到最高溫度越低，降溫幅度及降溫速率也越大。冷卻水溫采用7℃時(shí)，雖算得最高溫度最小，但最大砼水溫度過(guò)大，達(dá)到21.6～23.6℃，同時(shí)降溫幅度及降溫速率也均較大，易導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。冷卻水溫采用10～14℃時(shí)，最大砼水溫差相應(yīng)較小，混凝土最高溫度及溫降速率等也都基本滿足溫度控制要求。

（2） 通水時(shí)間的選擇，原則上是在混凝土最高溫度后，再冷卻一段時(shí)間，保證混凝土后期水化溫升不超過(guò)前期的最高溫度。一期冷卻時(shí)間約在10～15天。

對(duì)于以上提出的主要溫控措施，經(jīng)官地水電站典型壩段進(jìn)行了三維有限元溫度以及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算，并驗(yàn)證了該套溫控措施能夠滿足大壩技施階段溫控標(biāo)準(zhǔn)。并以此為基礎(chǔ)制定了更為詳細(xì)的溫控措施，指導(dǎo)施工。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)電力出版社,1999

[2]朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的溫降計(jì)算[J].水利水電技術(shù),1997.

[3]丁寶瑛.混凝土壩溫度控制設(shè)計(jì)的優(yōu)化[J],水利學(xué)報(bào),1982.