銀盤水電站大壩混凝土溫控措施研究

徐洪祥,楊學(xué)紅

(1.昆明市石林縣水務(wù)局,云南石林,652200;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,武漢,430010)

水工混凝土裂縫大都屬于溫度裂縫,溫控防裂成為解決問題的關(guān)鍵。銀盤水電站大壩橫縫間距一般為 20m～25.5m,分一條縱縫,順流向尺寸較大,倉面澆筑面積達 500m2～1080m2,致使銀盤水電站溫控防裂難度較大。結(jié)合工程的條件,大壩的溫度控制設(shè)計吸收了國內(nèi)外的先進技術(shù)和成功經(jīng)驗,在深入研究壩區(qū)自然條件的基礎(chǔ)上,開展了大量的試驗及計算分析,制定了一套切合實際的大壩溫度控制技術(shù)措施。本文介紹如下。

1 工程概況和基本資料

1.1 工程概況。銀盤水電站大壩為混凝土重力壩,最大壩高 78.5m,安裝 4臺單機容量為150MW的軸流式水輪發(fā)電機組。大壩從左至右依次為:左岸非溢流壩段、安裝場段、河床式電站廠房段、左溢流壩段(左區(qū)、中區(qū))、縱向圍堰壩段、右溢流壩段(右區(qū))、船閘壩段、右岸非溢流壩段。共分 26個壩段,壩軸線總長 600.10m。

1.2 氣象資料。大壩區(qū)氣象資料見表 1。壩區(qū)氣溫四季較分明,風(fēng)速不大,混凝土澆筑溫度控制較有規(guī)律,但氣溫驟降較頻繁,最大降溫幅度也較大,容易使混凝土表面開裂,需重視混凝土澆筑后的表面保護和養(yǎng)護。夏季時間較長,白天日照強烈,需加強防護和防裂,采取有效的溫控措施。

表 1 壩區(qū)氣象資料統(tǒng)計

1.3 混凝土配合比。大壩基礎(chǔ)及壩體主要采用 C9015W6F100和 C9020W8F150兩種標(biāo)號混凝土,其配合比見表 2。

表 2 大壩混凝土配合比

1.4 混凝土性能。混凝土熱學(xué)性能如表 3所示,混凝土力學(xué)性能如表 4所示,混凝土絕熱溫升根據(jù)試驗資料整理(見表 5)。

表 3 混凝土熱學(xué)性能

表 4 混凝土物理力學(xué)性能

表 5 混凝土絕熱溫升 單位:℃

1.5 壩址基巖物理力學(xué)性能。基巖物理力學(xué)性能見表 6。

表 6 基巖物理力學(xué)性能

2 混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)

2.1 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

2.1.1 基礎(chǔ)溫差。根據(jù)壩體運用條件、結(jié)構(gòu)要求和基巖特性,參照國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范規(guī)定和工程經(jīng)驗,經(jīng)計算分析擬定本工程混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表 7。填塘、陡坡部位基礎(chǔ)允許溫差應(yīng)根據(jù)所在部位結(jié)構(gòu)要求和陡坡、填塘特征尺寸等參照約束區(qū)溫差標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別對待?；炷翝财较噜徎鶐r面,應(yīng)停歇冷卻至相鄰基巖溫度后,再繼續(xù)上升。

表 7 基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn) 單位:℃

2.1.2 混凝土內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)。為降低混凝土溫度梯度,防止產(chǎn)生表面裂縫,內(nèi)外溫差控制在18℃～20℃,常態(tài)混凝土取上限,碾壓混凝土取下限。

2.1.3 壩體混凝土設(shè)計允許最高溫度。根據(jù)各部位穩(wěn)定溫度、準(zhǔn)穩(wěn)定溫度及溫控標(biāo)準(zhǔn)和表面保護標(biāo)準(zhǔn),確定壩體設(shè)計允許最高溫度見表 8。

表 8 壩體設(shè)計允許最高溫度 單位:℃

2.1.4 新老混凝土上、下層溫差標(biāo)準(zhǔn)。在齡期 28d以上的老混凝土上連續(xù)澆筑新混凝土,在新澆筑混凝土連續(xù)上升的條件下,新老混凝土在各自 0.2L高度范圍內(nèi)的上下層溫差為 16℃ ～18℃。當(dāng)新澆凝土不能連續(xù)上升時,該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)加嚴(yán)。

2.2 混凝土溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)混凝土施工規(guī)范,施工期混凝土澆筑塊水平向徐變溫度應(yīng)力采用有限元法計算,其允許水平應(yīng)力如表 9所示。

表 9 大壩混凝土施工期溫度應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

3 混凝土溫度及溫度應(yīng)力

3.1 水庫水溫分析

壩址地處北緯 28°,年平均氣溫 17.4℃,年平均水溫 18℃,徑流量 436億 m3,水庫總庫容 1.83億 m3。經(jīng)分析水庫 α值為 239.3,屬于典型的混合型水庫,庫水溫度近乎均勻分布。針對以上因素進行了多種分析計算,并結(jié)合上游 50km的彭水水電站泄水及已建水庫的資料進行類比分析,該水庫水溫及下游水溫年平均值均取 16℃。上游水面取水庫正常蓄水位為 215.0m,下游水面取水庫正常蓄水后,4臺機組發(fā)電時的下游水位為184.7m。

3.2 穩(wěn)定溫度場

根據(jù)計算結(jié)果,泄洪壩段基礎(chǔ)約束區(qū)穩(wěn)定溫度為 16.2℃～16.6℃,非溢流壩段基礎(chǔ)約束區(qū)穩(wěn)定溫度約為 17.2℃左右,廠房壩段基礎(chǔ)約束區(qū)穩(wěn)定溫度為 16.3℃～16.7℃。偏安全考慮,泄洪壩段和廠房壩段基礎(chǔ)約束區(qū)平均穩(wěn)定溫度取為16℃,非溢流壩段基礎(chǔ)約束區(qū)平均穩(wěn)定溫度取為17℃〔1、2〕。

3.4 施工期溫度

大壩二期工程泄洪壩段從 2008年4月15日開始澆筑,至 2009年7月～9月澆筑完成?？紤]到整個壩體的均勻上升和壩段之間的高程限制和約束,最先從最低泄洪壩段開始施工。根據(jù)施工進度安排,泄洪壩段在高溫季節(jié)仍然澆筑基礎(chǔ)強約束區(qū),因此選取泄洪壩段作為典型壩段進行溫度計算分析。1.5m澆筑層厚層間間歇時間為10d,2.0m澆筑層厚層間間歇時間為 13d?；A(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚為 1.5m,水管間距為 2.0m×1.5m(水平間距 ×豎直間距),脫離基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚為 2.0m,水管間距為 1.5m×2.0m(水平間距 ×豎直間距 )〔3〕。

典型壩段根據(jù)施工進度溫度仿真結(jié)果(如表10)所示。從表10可以看出,對于基礎(chǔ)強約束區(qū),初期通 8℃～10℃制冷水進行冷卻,C9020在 6月份混凝土早期最高溫度略超過設(shè)計允許的最高溫度 32℃(加密冷卻水管即可滿足要求)。4～5月和 9～10月,初期通 8℃ ～10℃制冷水進行冷卻,C9020和 C9015均滿足設(shè)計允許的最高溫度標(biāo)準(zhǔn);11～3月混凝土自然冷卻也滿足設(shè)計允許的最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。典型壩段混凝土早期最高溫度包絡(luò)線如圖 1所示。

3.5 施工期溫度應(yīng)力

從溫度應(yīng)力仿真結(jié)果可知,最大值出現(xiàn)在0.25L～0.5L(L為澆筑塊長度)范圍內(nèi)、后期通水冷卻結(jié)束之時,溫度應(yīng)力最大值約 1.3MPa,C9015混凝土 90d齡期抗拉應(yīng)力為 1.57MPa,C9020混凝土 90d齡期抗拉應(yīng)力為 1.89MPa,后期通水時混凝土已有 5個月齡期,均大于混凝土最大溫度應(yīng)力。典型壩段基礎(chǔ)約束區(qū)水平溫度應(yīng)力包絡(luò)圖見圖 2。

4 溫控措施

4.1 提高混凝土抗裂能力?；炷僚浜媳仍O(shè)計和混凝土施工,應(yīng)保證混凝土設(shè)計所必須的極限拉伸值(或抗拉強度)、施工勻質(zhì)性指標(biāo)和強度保證率。施工中應(yīng)加強施工管理,改進施工工藝,改善混凝土性能,提高混凝土抗裂能力。

4.2 合理安排混凝土施工程序和施工進度。合理安排混凝土施工程序和施工進度是防止基礎(chǔ)貫穿裂縫、減少表面裂縫的主要措施之一。施工程序和施工進度安排應(yīng)滿足:基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土在設(shè)計規(guī)定間歇時間內(nèi)連續(xù)均勻上升,不得出現(xiàn)薄層長間歇;其余部位基本作到短間歇均勻上升;相鄰壩段高差應(yīng)符合設(shè)計允許高差要求;應(yīng)盡量縮短固結(jié)灌漿時間,并在規(guī)定的間歇期內(nèi)澆筑上層混凝土;基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土宜安排在 10月～次年4月氣溫較低季節(jié)澆筑,盡量避開 6月～8月高溫季節(jié)。高溫季節(jié)澆筑混凝土,應(yīng)利用晚間澆筑,以避開正午高溫時段。

4.3 降低澆筑溫度、減少水化熱溫升。采取必要溫控措施,使壩體實際出現(xiàn)的最高溫度不超過壩體設(shè)計允許最高溫度?？刂茐误w實際最高溫度的有效措施是降低混凝土澆筑溫度、減少膠凝材料、合理的層厚及間歇期、初期通水等。高溫季節(jié)或較高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r,應(yīng)采用預(yù)冷混凝土澆筑。主體建筑物基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度冬季 12月～2月自然入倉外,3月和 11月澆筑溫度不超過 14℃,4月和 10月澆筑溫度不超過 16℃,5月和 9月不超過 17℃,6月～8月不超過 18℃;脫離基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土 11月～3月自然入倉,其余季節(jié)混凝土澆筑溫度不得超過 16℃～18℃。應(yīng)注意夏季澆筑能力要適應(yīng)入倉強度要求,盡量避天正午 10～16時澆筑混凝土。

4.4 合理控制層厚及間歇期。對于大壩基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚采用 1.5m左右,脫離基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑層厚采用 1.5m～2.0m。層間間歇期應(yīng)從散熱、防裂及施工作業(yè)各方面綜合考慮,分析論證合理的層間間歇,不能過短或過長。對于有嚴(yán)格溫控防裂要求的基礎(chǔ)約束區(qū)和重要結(jié)構(gòu)部位,應(yīng)控制層間間歇期 5～7d左右。

4.5 通水冷卻。初期通水主要用在高溫季節(jié)削減澆筑層水化熱溫升,高溫季節(jié)或氣溫較高季節(jié)(4月～10月)澆筑的溫控要求較嚴(yán)的部位,通8℃～10℃制冷水。對于基礎(chǔ)約束區(qū)和底孔部位混凝土,高溫季節(jié)采用預(yù)冷混凝土澆筑壩體,混凝土最高溫度未超過設(shè)計允許最高溫度者,也宜進行初期通水冷卻,確保壩體最高溫度在允許范圍內(nèi)。通水時間 15d左右,單根水管通水流量不小于 18L/min～20L/min。中期通水用于削減壩體內(nèi)外溫差,每年9月初開始對當(dāng)年5月～8月澆筑的大體積混凝土塊體、10月初開始對當(dāng)年4月及 9月澆筑的大體積混凝土塊體、11月初開始對當(dāng)年10月澆筑的大體積混凝土塊體進行中期通水,削減壩體混凝土內(nèi)外溫差。中期通水采用江水進行,通水時間 1.5～2.5個月,以混凝土塊體溫度達 20℃～22℃為準(zhǔn),單根水管通水流量應(yīng)達20L/min～25L/min。后期通水是使壩體冷卻至接縫灌漿溫度(或?qū)挷刍靥?進行接縫灌漿(或?qū)挷刍靥?的必要措施。根據(jù)計算,本工程采用通河水和通制冷水相結(jié)合的措施,通制冷水水溫為8℃～10℃,以滿足壩體(或船閘)通水冷卻達到設(shè)計灌漿(或?qū)挷刍靥?溫度。

4.6 表面保護。混凝土表面保護是防止表面裂縫的重要措施之一,應(yīng)根據(jù)設(shè)計表面保護標(biāo)準(zhǔn)確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。尤其應(yīng)重視基礎(chǔ)約束區(qū),上游壩面及其它重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護。應(yīng)重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前,還必須加以維護及保護,以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應(yīng)加強保護〔4〕。

〔1〕朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制.北京:中國電力出版社.1999.

〔2〕丁寶瑛等.混凝土壩溫度控制設(shè)計的優(yōu)化[J].水利學(xué)報,1982,(1).

〔3〕朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的溫降計算[J].水利水電技術(shù),1997,(6).

〔4〕李榮湘等.混凝土壩整體溫度控制措施優(yōu)化設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報,1989,(2).