渡口壩水電站拱壩混凝土溫度控制

白 偉 張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 重慶 400020)

渡口壩水電站工程位于重慶市奉節(jié)縣新政鄉(xiāng)梅溪河上游河段,是梅溪河梯級(jí)水電站的龍頭水庫(kù)。工程以發(fā)電為主,兼有旅游、防洪等綜合效益的Ⅲ等中型工程。水庫(kù)總庫(kù)容 9854萬(wàn) m3,屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站裝機(jī)容量 129MW,多年平均發(fā)電量4.35億 kW?h。大壩設(shè)計(jì)為拋物線形混凝土雙曲拱壩,最大壩高 108.5m,壩頂弧線長(zhǎng)284.123m,拱冠梁底厚 20m,厚高比 0.184,弧高比 2.62。拱壩共分 16個(gè)壩段,設(shè) 3層廊道、1個(gè)電梯井,在壩頂布置 3孔 12.0m×13.0m(b×h)溢流表孔。拱壩混凝土工程量為 20.5萬(wàn) m3,工程計(jì)劃于 2011年完建。

1 設(shè)計(jì)條件

(1)氣溫。渡口壩壩址多年平均氣溫 16.8℃,極端最高氣溫 39.8℃,極端最低氣溫 -9.2℃,全年最低月平均氣溫 5.3℃,最高月平均氣溫 27.1℃。

(2)水溫。壩址區(qū)無(wú)長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)水溫資料,僅有 2004～2007年大壩下游康樂(lè)鎮(zhèn)斷面及羅漢大橋斷面表層水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),其中多年月平均氣溫 20.6℃。

(3)混凝土施工配合比?；A(chǔ)約束區(qū)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C9025,三級(jí)配水膠比 0.5、粉煤灰摻量 30%、用水量 100kg/m3、水泥用量 140kg/m3、粉煤灰用量 60kg/m3,四級(jí)配水膠比 0.5、粉煤灰摻量 30%、用水量 80kg/m3、水泥用量 112kg/m3、粉煤灰用量 48kg/m3;除了基礎(chǔ)約束區(qū)均為 C9020,三級(jí)配水膠比 0.46、粉煤灰摻量 30%、用水量102kg/m3、水泥用量 155kg/m3、粉煤灰用量 67kg/m3,四級(jí)配水膠比 0.46、粉煤灰摻量 30%、用水量82kg/m3、水泥用量 125kg/m3、粉煤灰用量53kg/m3。

(4)熱學(xué)性能。水泥采用中熱水泥,粗細(xì)骨料為無(wú)堿活性的灰?guī)r人工骨料?；炷翢釋W(xué)性能采用武漢大學(xué)試驗(yàn)成果。

2 壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

2.1 水庫(kù)水溫分析

根據(jù)緯度與水溫相關(guān)關(guān)系,庫(kù)表年平均水溫值取 18.8℃,根據(jù)表層水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合后,水溫年變幅為 8.4℃?？紤]進(jìn)水口出水?dāng)_動(dòng)影響水庫(kù)水溫深度為 20m,水庫(kù)變溫層深度取 70m,庫(kù)底水溫取 13℃。下游水深較淺,水溫主要受太陽(yáng)輻射熱影響,下游水面年平均水溫 17.3℃,年變幅8.4℃,下游底部年平均水溫 13.5℃。壩體下游混凝土表面年平均溫度為 19.5℃,年變幅 10.2℃。在溢流面等不受日照影響的部位,混凝土表面溫度按氣溫取值,即年平均溫度 16.8℃ ,年變幅8.4℃。壩頂及上游水面以上壩面氣溫參照下游壩面氣溫取值。

2.2 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

應(yīng)用三維有限元程序計(jì)算大壩運(yùn)行期的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。

處于水面以下的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土準(zhǔn)穩(wěn)定溫度為 12～14℃,基礎(chǔ)弱約束區(qū)為 12～16℃。處于水面以上的基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土內(nèi)部準(zhǔn)穩(wěn)定溫度為13～17℃。壩體上下游面主要受水溫和氣溫影響,而壩體各高程內(nèi)部溫度為 14～17℃,基本趨于穩(wěn)定。

以準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)作為溫差計(jì)算的起點(diǎn),對(duì)大壩施工期溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力進(jìn)行仿真模擬分析,全面系統(tǒng)地分析其溫度及溫度應(yīng)力,確定壩體各部位在不同時(shí)段、不同季節(jié)的溫控標(biāo)準(zhǔn),提出切合實(shí)際的,從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的溫控措施。

2.3 封拱溫度

根據(jù)壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)的分析和計(jì)算,拱壩接縫灌漿封拱溫度為:高程 470.00～514.50m之間為 12℃;高程 514.50～550.50m之間為 13℃;高程 550.50～578.50m之間為 16℃。

3 溫控標(biāo)準(zhǔn)

3.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)基礎(chǔ)允許溫差?；A(chǔ)容許溫差按河床壩段和岸坡壩段、不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別提出。根據(jù)有關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn),經(jīng)計(jì)算分析擬定拱壩基礎(chǔ)混凝土允許溫差見表 1(L為澆筑塊最長(zhǎng)邊尺寸)。

表 1 基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn) 單位:℃

(2)上下層溫差標(biāo)準(zhǔn)。在齡期 28d以上的老混凝土面上澆筑混凝土?xí)r,老混凝土面以上 0.25L范圍內(nèi)的新澆混凝土應(yīng)按上下層溫差控制,溫差標(biāo)準(zhǔn)為 16.0℃。老混凝土面以上新澆混凝土應(yīng)短間歇均勻上升,避免再次產(chǎn)生老混凝土。

(3)內(nèi)外溫差。控制拱壩混凝土內(nèi)外溫差不超過(guò) 18℃。

(4)壩體設(shè)計(jì)允許最高溫度。根據(jù)溫差標(biāo)準(zhǔn)和壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度確定的各壩段不同澆筑月份容許最高溫度見表 2。當(dāng)澆筑部位出現(xiàn)老混凝土?xí)r,最高溫度還應(yīng)滿足上下層溫差控制標(biāo)準(zhǔn)。

表 2 壩體設(shè)計(jì)允許最高溫度

(5)壩段高差控制?；炷潦┕ぶ?各壩塊應(yīng)盡量均勻上升,相鄰壩段高差不大于 12m,整個(gè)拱壩上升最高和最低壩段高差控制在 30m以內(nèi)。

3.2 施工期應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范計(jì)算了不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在不同齡期時(shí)的允許拉應(yīng)力,同時(shí)比較了用抗拉強(qiáng)度計(jì)算的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。施工期應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表 3 施工期混凝土溫度應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn) 單位:MPa

4 溫控措施

4.1 優(yōu)選混凝土原材料與配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

混凝土的良好性能首先要從原材料選擇和優(yōu)化配合比入手。選用強(qiáng)度等級(jí)為 42.5的中熱水泥,并摻 30%的Ⅱ級(jí)粉煤灰以降低水泥用量。選用彈性模量較小、極限拉伸系數(shù)適中、熱膨脹系數(shù)較小的灰?guī)r作為人工骨料,并優(yōu)選復(fù)合外加劑。大壩混凝土主要采用四級(jí)配,進(jìn)行混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì),降低混凝土單位水泥用量,以減少混凝土水化熱溫升并延緩水化熱發(fā)散速率,提高混凝土抗裂能力。

4.2 控制拌和樓出機(jī)口溫度

散裝水泥運(yùn)至工地的入罐最高溫度不超過(guò)65℃,控制混凝土細(xì)骨料的含水率在 6%以下,且含水率波動(dòng)幅度小于 2%。根據(jù)澆筑部位、澆筑月份等因素選擇混凝土出機(jī)口溫度,高溫季節(jié)拌和樓設(shè)計(jì)出機(jī)口溫度為 11℃。通過(guò)對(duì)混凝土骨料進(jìn)行預(yù)冷,并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機(jī)口溫度。

4.3 降低澆筑溫度

為防止?jié)仓^(guò)程中的熱量倒灌,需加快混凝土的運(yùn)輸、吊運(yùn)和平倉(cāng)振搗速度。3～11月運(yùn)輸過(guò)程中宜對(duì)吊罐等運(yùn)輸設(shè)備采取保溫措施,以減少運(yùn)輸過(guò)程中溫度回升。澆筑過(guò)程中上坯混凝土覆蓋時(shí)間必須控制在 4 h之內(nèi)。根據(jù)澆筑部位、澆筑月份等因素,采取恰當(dāng)?shù)母魺岜卮胧?保溫材料的等效熱交換系數(shù) β≤15k J/(m2?h?℃)。澆筑倉(cāng)內(nèi)氣溫高于 25℃時(shí)需要采取倉(cāng)面噴霧措施,噴霧后澆筑倉(cāng)內(nèi)氣溫較外界氣溫至少降低 3℃。盡量避免高溫時(shí)段澆筑混凝土,應(yīng)充分利用低溫季節(jié)和早晚氣溫低的時(shí)段澆筑。高溫季節(jié)強(qiáng)約束區(qū)混凝土最低澆筑溫度控制在不超過(guò) 16℃。

4.4 控制澆筑層厚及間歇期

在滿足澆筑計(jì)劃的同時(shí),應(yīng)盡可能采用薄層、短間歇、均勻上升的澆筑方法。根據(jù)澆筑部位、澆筑月份等因素控制澆筑層厚和間歇期,高溫季節(jié) (4～10月)層厚為 3m,低溫季節(jié)(11月 ～翌年 2月)層厚可為 1.5～3m。控制混凝土層間間歇期,對(duì) 1.5m層厚,層間間歇一般按 5～7d控制;對(duì) 3m層厚,層間間歇一般按7～10d控制。

4.5 通水冷卻

(1)冷卻水管布置。冷卻水管采用外徑 32mm的 HDPE塑料管,局部區(qū)域采用外徑 2.54cm的金屬管,水管間距一般采用 1.5m×1.5m(水平間距×垂直間距),必要時(shí)水管間距采用 1.0m×1.5m或 1.0m×1.0m。

(2)一期通水冷卻。一期通水冷卻通水時(shí)間高溫季節(jié)不少于 21d,低溫季節(jié)不少于 15d。前10d通水流量 1.2～1.8m3/h,10d后通水流量 0.5～1.0m3/h。水流方向每 24h變換一次。一期冷卻蛇形管入口處水溫采用 11±1℃。進(jìn)口水溫與混凝土最高溫度之差不超過(guò) 23℃。一期冷卻結(jié)束時(shí)的混凝土溫度要求為 24±1℃。

(3)中期通水冷卻。開始中期冷卻的混凝土需同時(shí)滿足混凝土齡期不小于 60d和混凝土溫度高于一冷結(jié)束時(shí)溫度標(biāo)準(zhǔn)。中期冷卻在每年的 10～11月進(jìn)行,中期冷卻進(jìn)口水溫與混凝土最高溫度之差不超過(guò) 15℃。中冷結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為混凝土溫度冷至 21±1℃。中期冷卻最大降溫速率每天小于 0.5℃。

(4)二期通水冷卻。盡量利用低溫季節(jié)進(jìn)行二冷,如在高溫季節(jié)進(jìn)行二期冷卻,需要加強(qiáng)壩面保溫減小內(nèi)外溫差與熱量倒灌。同一批二冷的各壩段二冷區(qū)范圍內(nèi)的冷卻管圈應(yīng)同時(shí)開始二冷,沿高程有適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?即所有冷卻管圈通水開始時(shí)間相差不超過(guò) 1天。第一次二期通水冷卻高程范圍包括擬灌區(qū)、蓋重區(qū)和過(guò)渡區(qū);第二次及以后的二期通水冷卻高程范圍包括蓋重區(qū)和過(guò)渡區(qū)。二期冷卻進(jìn)口水溫與二冷前悶水測(cè)溫得到的混凝土最高溫度之差不超過(guò) 15℃。二期冷卻蛇形管入口處水溫一般為 6～10℃。

4.6 混凝土表面保護(hù)及保溫

齡期小于28d的混凝土暴露面必須進(jìn)行表面保護(hù),保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為等效熱交換系數(shù) β≤9kJ/(m2?h?℃)。日平均氣溫 2～3d內(nèi)連續(xù)下降超過(guò) 8℃或日氣溫變幅大于 12℃時(shí),齡期小于 90d的混凝土暴露面也應(yīng)進(jìn)行表面保護(hù)。對(duì)于壩體上下游永久暴露面,在高溫季節(jié)進(jìn)行二期冷卻時(shí)還要進(jìn)行保溫,故對(duì)壩體上下游永久暴露面,一直粘貼或覆蓋保溫材料保護(hù)至水庫(kù)蓄水前。

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 劉德富,黃達(dá)海,田斌,著.拱壩封拱溫度場(chǎng)及溫控優(yōu)化 [M].北京:水利水電出版社,2008.

3 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,(6).

4 胡秀全,李富,王偉奇.大體積混凝土溫度裂縫的預(yù)防與處理措施 [J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2004,31(2).