亞碧羅碾壓混凝土重力壩溫控方案初步設(shè)計(jì)

張懷芝 吳朝月 段大琪 文勝良

1 工程概況

亞碧羅水電站位于怒江中游河段,是怒江中下游梯級(jí)規(guī)劃的第7個(gè)梯級(jí),壩址距離昆明市約616 km,工程是以發(fā)電為主的水電樞紐工程,電站裝機(jī)容量為2 100 MW,水庫正常蓄水位1 079 m。攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程1 082.00 m,最大壩高165.00 m,為高碾壓混凝土壩；壩頂寬度18 m,壩頂軸線長度374 m,混凝土壩共18個(gè)壩段,最大橫縫間距為25 m,最小橫縫間距18 m。壩體混凝土工程量約240.5×104m3,其中碾壓混凝土約200.7×104m3。

2 基本資料及計(jì)算參數(shù)

2.1 氣象、水溫資料

根據(jù)福貢站、瀘水氣象站資料統(tǒng)計(jì),亞碧羅壩址多年平均氣溫16.9℃,極端最高氣溫37.5℃,極端最低氣溫-2.8℃,多年平均水溫14.2℃,多年平均地溫18.8℃,多年平均風(fēng)速1.9 m/s。年平均降雨量1 199 mm,年平均相對(duì)濕度為71%,多年平均風(fēng)速為1.9 m/s。

各月氣溫、水溫具體見表1。

表1 亞碧羅水電站壩址處氣溫及水溫資料℃

2.2 混凝土材料及分區(qū)

壩體上游面及下游水面以部位采用二級(jí)配富膠凝碾壓混凝土作為主要防滲體,中部及下游水面以上部位采用三級(jí)配碾壓混凝土。基礎(chǔ)墊層采用1.5 m厚的常態(tài)混凝土?？紤]到大壩碾壓混凝土施工期比較長,承受荷載晚的特點(diǎn),混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期采用180 d。

2.3 混凝土及基巖物理參數(shù)

根據(jù)亞碧羅工程試驗(yàn)資料,溫度場(chǎng)仿真計(jì)算采用的物理參數(shù)試驗(yàn)值見表2。

表2 亞碧羅溫度場(chǎng)仿真計(jì)算參數(shù)

2.4 壩體施工進(jìn)度安排

按第3年7～10月份順序開始各壩段基礎(chǔ)部位混凝土澆筑,除結(jié)構(gòu)需要或特殊情況外,碾壓層厚度采用每層30 cm的通倉薄層連續(xù)鋪碾,一般強(qiáng)約束區(qū)連續(xù)升程為1.5 m,弱約束區(qū)和非約束區(qū)連續(xù)升程為3.0 m,層間間歇為5～7 d。第5年11月中旬導(dǎo)流隧洞下閘封堵。第6年1月第1臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電。

3 穩(wěn)定溫度場(chǎng)

3.1 邊界條件

裸露在大氣中的壩體面受日照影響,取19℃；庫前水溫見表3；下游水墊搪底部水溫14.6℃,表面水溫17.1℃,中間取直線變化；壩體建基面溫度按上游壩踵和下游壩趾處水溫,中間取直線變化(見表3)。

表3 年平均庫前水溫

3.2 穩(wěn)定溫度場(chǎng)

壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)計(jì)算成果如圖1。

圖1 壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)

4 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

4.1 基礎(chǔ)溫差控制標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)碾壓混凝土28 d齡期極限拉伸值不低于0.70×10-4時(shí),其碾壓混凝土壩基礎(chǔ)允許溫差見表4。當(dāng)基礎(chǔ)約束區(qū)常態(tài)混凝土28 d齡期的極限拉伸值不低于0.85×10-4時(shí),對(duì)于施工質(zhì)量均勻、良好、基巖與混凝土的變形模量相近,短期間歇均勻澆筑上升的澆筑塊、基礎(chǔ)允許溫差見表4規(guī)定的數(shù)值。

表4 混凝土基礎(chǔ)允許溫差 ℃

4.2 新老混凝土溫差

考慮到本工程的重要性,控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)約束區(qū)混凝土原則上不允許長間歇,但是,一旦出現(xiàn)間歇大于28 d時(shí),控制碾壓混凝土新老溫差不大于13℃；墊層常態(tài)混凝土新老溫差不大于16℃。

(2)非約束區(qū)新老混凝土溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為15℃。

4.3 內(nèi)外混凝土溫差

碾壓混凝土的內(nèi)外溫差控制不超過17℃,常態(tài)混凝土的內(nèi)外溫差控制不超過21℃。

4.4 最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

壩體混凝土允許最高溫度取決于穩(wěn)定溫度、基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外混凝土溫差和新老混凝土溫差等。目前,在設(shè)計(jì)及施工中為了便于控制,一般均以壩體最高溫度作為控制參數(shù)。亞碧羅大壩不同部位混凝土允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 壩體混凝土允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn) ℃

5 不穩(wěn)定溫度場(chǎng)仿真計(jì)算與溫控方案設(shè)計(jì)

5.1 三維仿真計(jì)算

建基面高程以下基巖厚度取1.5倍壩高,上下游方向取1.5倍壩高。離散壩體及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元,壩段鉛直向單元層厚0.5 m,上下游方向分為10層單元,上下游面附近較密,中心較稀。整個(gè)壩段模型共剖分單元11 600個(gè),節(jié)點(diǎn)9 018個(gè),其中大壩壩體剖分單元10 940個(gè),基巖結(jié)構(gòu)剖分單元660個(gè)。

施工期從下往上逐層澆筑混凝土?xí)r,上下游邊界暴露于大氣中,為第三類邊界條件；蓄水后上游面按庫前不同高程水溫取值,下游面與尾水接觸部分按尾水溫取值,與水接觸部分為第一類邊界條件,否則仍為第三類邊界條件。左右兩側(cè)的散熱可按絕熱條件處理,屬于第二類熱學(xué)邊界條件。壩頂暴露面隨澆筑高度上升,間歇期間屬第三類邊界條件。

5.2 溫控方案及計(jì)算成果分析

一般而言,大壩的溫控方案應(yīng)盡可能滿足簡單易行、經(jīng)濟(jì)合理以及安全可靠等要求。對(duì)于碾壓混凝土重力壩而言,溫控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于控制基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和新老溫差,控制混凝土最高溫度,以此達(dá)到防裂的目的。在該思想的指導(dǎo)下,展開了以下多種方案(見表6)的仿真計(jì)算研究。

表6 溫控仿真計(jì)算方案

參考同類工程,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初擬溫控方案1、2,經(jīng)仿真計(jì)算,其最大溫度包絡(luò)圖見圖2和圖3,各部位最大溫度值見表6,具體分析如下。

方案1:7月初開始澆筑,則墊層混凝土澆筑時(shí)氣溫高,計(jì)算表明最高溫升達(dá)到33.1℃,超過了最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。強(qiáng)約束區(qū)澆筑時(shí)為8～10月,最高溫升為32.5℃,遠(yuǎn)超過該部位27℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。弱約束區(qū)最高溫升達(dá)到30.2℃,超過該部位允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。非約束區(qū)混凝土最高溫度達(dá)34.9℃,仍高于最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案2:10月初開始澆筑,則墊層混凝土澆筑時(shí)氣溫仍比較高,計(jì)算表明最高溫升達(dá)到31.3℃,超過最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑時(shí)則遇到低溫季節(jié),最高溫溫升為27.6℃,稍高于最高溫度控標(biāo)準(zhǔn)。弱約束區(qū)澆筑時(shí)間為2～5月份,最高溫升達(dá)到32.0℃,超過該部位29.0℃允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。非約束區(qū)壩體混凝土澆筑則遇高溫季節(jié),如圖3計(jì)算結(jié)果顯示,壩體中上部大面積的區(qū)域最高溫升均超過34℃允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)方案1、2的仿真計(jì)算及分析,可知:高溫及次高溫季節(jié)澆筑時(shí)混凝土溫升超標(biāo)嚴(yán)重,需針對(duì)性地加強(qiáng)該時(shí)段的溫控措施；另外,墊層也需進(jìn)一步嚴(yán)格溫控措施。因此,針對(duì)性地設(shè)計(jì)了溫控方案3、4(見表6中所示)。其仿真計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5,各部位最大溫度值見表6。

方案3:如圖4最大溫度包絡(luò)圖所示,強(qiáng)約束區(qū)大部分區(qū)域?yàn)?7.7℃,最大值達(dá)28.1℃,超過了允許最高溫度27℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。由于該部位混凝土澆筑時(shí)間為8～10月份,因此需進(jìn)一步加強(qiáng)高溫季節(jié)約束區(qū)溫控措施。其余部位基本滿足最高允許溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案4:如圖5最大溫度包絡(luò)圖所示,弱約束區(qū)大部分區(qū)域?yàn)?8.5～31℃,最大值達(dá)32.1℃,超過了允許最高溫度29℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。由于該部位混凝土澆筑時(shí)間為12～翌年3月份,因此需進(jìn)一步加強(qiáng)低溫季節(jié)約束區(qū)溫控措施。其余部位基本滿足最高允許溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)方案3、4的仿真分析,可知:對(duì)于高溫及低溫季節(jié)施工的約束區(qū)混凝土需進(jìn)一步嚴(yán)格溫控措施,因此針對(duì)性地設(shè)計(jì)了溫控方案5、6(見表6中所示)。其仿真計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7,各部位最大溫度值見表6。

方案5:如圖6最大溫度包絡(luò)圖所示,墊層最大溫度為27.1℃,強(qiáng)約束區(qū)最大為27.1℃,弱約束區(qū)為24.0～25.9℃,非約束區(qū)為25.9～33.8℃,均滿足表5中的各部位允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案6:如圖7最大溫度包絡(luò)圖所示,墊層最大溫度為26.3℃,強(qiáng)約束區(qū)最大為23.5℃,弱約束區(qū)為23.5～28.0℃,非約束區(qū)為28.0～33.1℃,均滿足表5中的各部位允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 合理的溫控方案

通過以上對(duì)亞碧羅碾壓混凝土重力壩各溫控方案的設(shè)計(jì)及其仿真分析可知,方案5、6為合理的溫控方案,因此,確定出了亞碧羅大壩混凝土溫控合理的方案,詳見表7。

6 結(jié) 語

碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于控制基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和新老溫差,但在設(shè)計(jì)及施工中為了便于把握,一般將其化為壩體最高溫度作為控制參數(shù),以達(dá)到溫控防裂的目的。本文利用三維有限元法,對(duì)亞碧羅碾壓混凝土重力壩溫度場(chǎng)進(jìn)行了多種溫控方案的仿真計(jì)算分析,以壩體混凝土允許最高溫度為控制標(biāo)準(zhǔn),最終確定了合理的溫控方案。

表7 亞碧羅大壩混凝土工程合理的溫控方案

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

2 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用(第2版)[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

3 王立成,馬妹英.戈蘭灘碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(3):1-3.

4 王志國,包日新.玄廟觀碾壓混凝土拱壩溫度控制設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(1):20-22.

5 張懷芝,何蘊(yùn)龍,彭云楓.桑郎碾壓混凝土拱壩溫度場(chǎng)仿真分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2007(12):43-48.

6 孫恭堯,王三一,馮樹榮.高碾壓混凝土重力[M].北京:中國電力出版社,2004.

7 張宗明,王衛(wèi)華.玄廟觀碾壓混凝土拱壩施工溫度控制措施[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(1):55-58.