黃河拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩工程快速施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

王玉孝

（青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海西寧 810006）

1 工程概述

拉西瓦水電站位于青海省貴德縣與貴南縣交界的黃河干流上，工程屬大（Ⅰ）型一等工程，主壩為混凝土雙曲拱壩，壩高250.0 m，壩頂寬10.0 m，拱冠處最大底寬49.0 m，是黃河上最高的薄拱壩水電站。主壩混凝土總方量282萬(wàn)m3，2006年4月15日，第一倉(cāng)混凝土澆筑，2009年2月28日，壩體澆筑至2 390.0 m高程，2010年10月15日，壩體澆筑至壩頂高程2 460.0 m。

2 雙曲拱壩快速施工技術(shù)的研究與應(yīng)用

拉西瓦壩址區(qū)特殊的地理環(huán)境、氣候條件、澆筑方式、工期緊張等因素制約了常規(guī)施工，使得常規(guī)的施工方法很難滿足施工進(jìn)度計(jì)劃的要求。而新工藝改進(jìn)了常規(guī)的施工工藝，具有加快施工進(jìn)度，節(jié)約投入，滿足拉西瓦水電站施工技術(shù)要求，保證混凝土質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。并可為以后建設(shè)類似的工程提供可借鑒成果以及在保障后期電站順利運(yùn)行等方面有重大意義。

拉西瓦混凝土雙曲拱壩工程快速施工技術(shù)的研究與應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：混凝土原材料及配合比的試驗(yàn)與優(yōu)化；混凝土分層厚度的研究及應(yīng)用；混凝土溫度控制的研究及應(yīng)用；封拱灌漿蓋重區(qū)目標(biāo)溫度措施的研究及應(yīng)用[1-4]。

3 混凝土原材料及配合比的試驗(yàn)與優(yōu)化

針對(duì)拉西瓦壩址區(qū)特殊的地理環(huán)境、氣候條件、為滿足拉西瓦水電站施工中混凝土的性能指標(biāo)，便于生產(chǎn)和質(zhì)量控制，對(duì)混凝土的原材料、配合比進(jìn)行了可行性試驗(yàn)、研究和反復(fù)論證，最終通過(guò)《水泥水化熱試驗(yàn)方法（直接法）》，最大振實(shí)容重和最小空隙率等方法，確定了拉西瓦水電站原材料采用中熱42.5級(jí)硅酸鹽水泥、連城Ⅰ級(jí)粉煤灰、天然骨料（最優(yōu)級(jí)配比例分別為：砂FM=2.6～2.8。二級(jí)配：小石∶中石=40∶60。三級(jí)配：小石∶中石∶大石=30∶30∶40。四級(jí)配：小石∶中石∶大石∶特大石=20∶20∶30∶30）和ZB-1A高效減水劑及DH9引氣劑進(jìn)行聯(lián)摻。配合比設(shè)計(jì)技術(shù)路線采用“兩低三摻”的技術(shù)方案，從而達(dá)到了有效降低混凝土溫升、提高混凝土抗裂性能和耐久性能的目的[5-6]。

4 混凝土分層厚度的研究及應(yīng)用

在大體積混凝土施工期，由于溫度的變化產(chǎn)生拉應(yīng)力；混凝土的抗拉強(qiáng)度大體是抗壓強(qiáng)度的1/10，采取措施將溫度變化所引起的拉應(yīng)力限制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫將會(huì)增大。因此，拉西瓦混凝土雙曲拱壩工程施工中，為了有效降低混凝土的溫升，提高混凝土的抗裂性能，采用了薄層短間歇連續(xù)澆筑，即基礎(chǔ)約束區(qū)每層1.5 m；脫離基礎(chǔ)約束區(qū)每層3 m[7-8]。

5 混凝土溫度控制的研究及應(yīng)用

拉西瓦水電站地處西北青藏高原，壩高庫(kù)大，主壩混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高，骨料為砂巖，線膨脹系數(shù)大，混凝土自生體積變形為收縮型，冬季氣候寒冷、干燥、早晚溫差大，寒潮頻繁且冬季施工期長(zhǎng)，為了有效的保證混凝土施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，拉西瓦大壩通過(guò)有限元溫控計(jì)算，分析了混凝土施工期溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力，分析了影響混凝土溫度應(yīng)力的主要溫控措施，提出了符合實(shí)際施工的溫度控制的技術(shù)要求[7，9]。

5.1 溫控計(jì)算的基本參數(shù)

溫控計(jì)算的基本參數(shù)有拉西瓦地區(qū)氣象資料（見表1）和大壩混凝土溫控計(jì)算基本參數(shù)（見表2）。

表1 拉西瓦地區(qū)氣象資料Tab.1 The meteorological data of Laxiwa area ℃

表2 大壩混凝土溫控計(jì)算基本參數(shù)Tab.2 Calculation of the basic parameters of the dam concrete temperature control

5.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型1拱冠壩段：取12號(hào)壩段作為研究對(duì)象。計(jì)算高程取2 210～2 274 m，共剖分20節(jié)點(diǎn)等參單元4 488個(gè)，22 345個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。拱冠壩段三維有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖1。

計(jì)算模型2邊坡壩段：邊坡壩段三維網(wǎng)格及邊界模擬時(shí)，以16號(hào)壩段作為混凝土溫度控制的研究對(duì)象，以15號(hào)、14號(hào)壩段作為邊坡壩段計(jì)算的支撐邊界，在14號(hào)壩段右側(cè)加法向約束。邊坡壩段三維有限元計(jì)算網(wǎng)格見圖2。

圖1 拱冠壩段三維有限元計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.1 The mesh diagram of the three-dimensional finite element calculation of the crown and arch dam section

圖2 邊坡壩段三維有限元計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 The mesh diagram of the three-dimensional finite element calculation of the abutment section

5.3 計(jì)算工況

1）基礎(chǔ)約束區(qū)不同澆筑層厚1.5 m、3 m；

2）不同間歇時(shí)間7 d、5 d；

3）不同澆筑溫度12℃、13℃；

4）不同冷卻水管間距1.5 m×1.5 m、1.5 m×1.0 m；

5）自身體積變形（180 d收縮33×10-6微米應(yīng)變）的影響；

6）上下游采用全年保溫，每年10月—第二年4月對(duì)施工層面保溫。

5.4 成果分析

通過(guò)計(jì)算，可得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）減小澆筑層厚，降低混凝土最高溫度和基礎(chǔ)溫差應(yīng)力。

2）延長(zhǎng)間歇時(shí)間，降低混凝土最高溫度和基礎(chǔ)溫差應(yīng)力。澆筑層越厚，降溫效果越明顯。

3）溫控標(biāo)準(zhǔn)：要求控制基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土最高溫度為23℃，弱約束區(qū)混凝土最高溫度為26℃，邊坡壩段須加嚴(yán)1℃控制；基礎(chǔ)混凝土允許最大抗裂應(yīng)力為2.1 MPa，抗裂安全系數(shù)1.8。

4）控制澆筑溫度：冬季預(yù)熱骨料、加熱水拌合混凝土，控制澆筑溫度為5℃～8℃。夏季采取風(fēng)冷骨料、加冰和冷水以控制混凝土出機(jī)口溫度≤7℃，澆筑溫度≤12℃；控制非約束區(qū)混凝土澆筑溫度≤15℃。

5）適當(dāng)加密冷卻水管間距，有效降低混凝土最高溫度及基礎(chǔ)溫差應(yīng)力。

6）對(duì)于上下游采用全年保溫方式，要求混凝土澆筑完畢后即開始保溫。保溫后混凝土表面等效放熱系數(shù)滿足要求。

5.5 混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)溫控措施

5.5.1 混凝土的生產(chǎn)溫度

夏季施工：5月—9月，混凝土拌制采用風(fēng)冷骨料工藝，使骨料溫度降至2℃左右，拌和水采用5℃制冷水及加冰拌和，保證基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土出機(jī)口溫度在7℃以下；脫離約束區(qū)后，控制混凝土出機(jī)口溫度在12℃以下；4月和10月采用常溫混凝土自然入倉(cāng)澆筑。

冬季施工：混凝土拌制過(guò)程中采用了骨料二次預(yù)熱、加熱水拌合，保證混凝土出機(jī)口溫度不低于12℃。對(duì)混凝土摻用外加劑，使混凝土緩慢冷卻，混凝土受凍前達(dá)到規(guī)范所要求的強(qiáng)度[10]。

5.5.2 混凝土運(yùn)輸

在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)運(yùn)輸設(shè)備采用了橡塑保溫和海綿封閉保溫，并對(duì)混凝土運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格控制，加快了混凝土輸送速度，確保了混凝土入倉(cāng)溫度夏季基礎(chǔ)約束區(qū)不高于12℃，脫離約束區(qū)不高于15℃，冬季不低于8℃。

5.5.3 混凝土成型現(xiàn)場(chǎng)溫控措施

1）夏季混凝土成型現(xiàn)場(chǎng)溫控措施。

①避免混凝土直接暴曬在陽(yáng)光下，減少預(yù)冷混凝土溫度回升，避開高溫時(shí)段開盤澆筑混凝土。

②控制基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度（指混凝土經(jīng)過(guò)平倉(cāng)振搗后等第二層覆蓋時(shí)測(cè)得10～15 cm處的溫度）不得大于12℃，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)，混凝土澆筑溫度不得大于15℃。

③施工程序合理安排，提高入倉(cāng)強(qiáng)度，縮短混凝土覆蓋時(shí)間（5—9月不超過(guò)150 min，4月和10月不超過(guò)180 min，11—3月不超過(guò)210 min），盡可能減少混凝土澆筑過(guò)程中的溫度回升，溫度回升控制在2℃～3℃的范圍內(nèi)。

④及時(shí)鋪設(shè)保溫被，防止熱溫倒灌，倉(cāng)內(nèi)采取噴霧措施，降低倉(cāng)內(nèi)環(huán)境氣溫，減少溫度回升。

2）冬季混凝土成型現(xiàn)場(chǎng)溫控措施

拉西瓦工程壩址區(qū)每年10月下旬—翌年3月中旬，當(dāng)日平均氣溫低于5℃時(shí)，大壩混凝土進(jìn)入冬季施工，即施工縫面在天氣較暖和時(shí)，將揭除保溫被，采用鑿毛機(jī)鑿毛，高壓風(fēng)槍清理倉(cāng)號(hào)，避免用水沖洗。當(dāng)日平均氣溫－10℃≤Ta≤5℃時(shí)，采用蓄熱法施工。當(dāng)日平均氣溫在－10℃≤Ta≤－25℃時(shí)，采用“綜合蓄熱法”新工藝進(jìn)行施工[11]。

“綜合蓄熱法”施工方法包括：

①對(duì)壩前、壩后及橫縫模板周邊部位升溫；

②倉(cāng)號(hào)中間部位采用電熱毯升溫；

③倉(cāng)號(hào)澆筑過(guò)程中的蓄熱保溫。

6 封拱灌漿的研究及應(yīng)用

壩體需設(shè)置橫縫，防止混凝土產(chǎn)生大量裂縫；橫縫灌漿。使拱壩成為一個(gè)完整受力體結(jié)構(gòu)。拱壩橫縫開度滿足要求方可灌漿，灌漿溫度要降至設(shè)計(jì)封拱溫度，其上部還應(yīng)有一定厚壓重，且達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值。

灌漿區(qū)兩側(cè)混凝土及上部蓋重混凝土需冷卻至設(shè)計(jì)封拱溫度。其一，保證了灌漿時(shí)橫縫能及時(shí)張開，其二，蓋重混凝土冷卻至設(shè)計(jì)封拱溫度制約了施工進(jìn)度，經(jīng)濟(jì)上不合算。不同的蓋重區(qū)位置對(duì)橫縫開度的影響是不同的；距離灌漿區(qū)越近，蓋重區(qū)對(duì)橫縫開度影響越大，反之亦然。

研究表明，在高寒地區(qū)高拱壩封拱施工中，距離灌漿區(qū)越遠(yuǎn)，蓋重區(qū)目標(biāo)溫度對(duì)混凝土灌漿區(qū)橫縫開度和后期應(yīng)力的影響越小。將9 m蓋重區(qū)分成3層，將0～3 m，3～6 m，6～9 m蓋重區(qū)目標(biāo)溫度分別提高1℃，2℃，3℃，最大主應(yīng)力增加0.09 MPa，混凝土冷卻時(shí)間減少了116 d，灌漿冷卻最大主應(yīng)力由1.4 MPa降至0.6 MPa[12-13]。

拉西瓦水電站封拱灌漿采用了蓋重區(qū)分梯度冷卻措施，實(shí)現(xiàn)了拉西瓦水電站全年封拱灌漿的施工，保證了拉西瓦水電站全年不間斷施工的施工質(zhì)量和進(jìn)度。

7 結(jié)語(yǔ)

拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩施工中采用的上述技術(shù)方案，在施工中即保證了混凝土的施工質(zhì)量，滿足了施工要求，又加快了施工進(jìn)度、提高了施工功效，降低了施工難度。同時(shí)，創(chuàng)出了夜班產(chǎn)混凝土澆筑2 925 m3、日產(chǎn)5 233.5 m3、月產(chǎn)114 508 m3的記錄，實(shí)現(xiàn)了一年四投的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，為將來(lái)建設(shè)類似水電站工程累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

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