沙壩碾壓混凝土拱壩溫控設計

劉其文

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

沙壩水電站是烏江支流洪渡河水電梯級開發(fā)的第5級，工程區(qū)位于中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，多年平均氣溫15.5℃。沙壩水庫正常蓄水位615.00m，總庫容9940萬m3，電站裝機30MW，多年平均發(fā)電量1.293億kW·h。擋水建筑物為單心圓碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程620.00m，壩頂寬度6.00m，壩底厚度19.715m，最大壩高84.50m，壩軸線長度148.55m。溢流表孔寬45.00m，分5孔，堰頂高程603.00m。底孔高程570.00m，孔口尺寸3.0m×4.0m。

大壩主體采用三級配C9015碾壓混凝土;防滲層采用二級配C9020碾壓混凝土，564.00m高程以下厚度3.00m，564.00～589.00m高程厚度2.50m，589.00m高程以上厚度2.00m;上、下游壩面變態(tài)混凝土厚度50.00cm;墊層為厚度1.50m的三級配C9020常態(tài)混凝土。

2 溫控設計

2.1 優(yōu)化混凝土配合比，減少水化熱

混凝土熱量主要源于水泥水化產(chǎn)生的熱量，因此選用發(fā)熱量較低的水泥，在混凝土中摻加合適品質(zhì)和數(shù)量的摻和料、外加劑，合理控制水泥用量即成為混凝土壩溫控設計的首要措施。

(1)該工程選用遵義新蒲瑞安水泥廠P·O32.5水泥，3d水化熱209.0J/g，7d水化熱245.5J/g。

(2)粉煤灰是混凝土的主要摻和材料之一，摻入粉煤灰具有減水增強作用，減少水泥用量，降低混凝土絕熱溫升，延長混凝土凝結(jié)時間等優(yōu)點。該工程選用遵義電廠Ⅱ級粉煤灰。

(3)減水劑能降低混凝土拌和水用量，改善其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，提高強度、抗?jié)B、抗凍性能，以及降低水泥用量、減少水化熱。大壩混凝土摻用緩凝高效減水劑，要求減水率大于20%，初凝時間大于10h。

(4)在混凝土中摻入膨脹劑，可利用其微膨脹特性，補償混凝土由于溫度下降而產(chǎn)生的收縮，從而減小壩體拉應力。該工程在基礎墊層混凝土內(nèi)摻加MgO作為膨脹劑，摻量為膠材用量的3%。

通過配合比優(yōu)化，大壩主體C15碾壓混凝土水泥用量為51kg/m3，粉煤灰摻量65%，經(jīng)測試28d絕熱溫升為16.25℃;防滲層C20碾壓混凝土水泥用量為89kg/m3，粉煤灰摻量 55%［1］。

2.2 壩體合理分縫，釋放溫度應力

拱壩為3面嵌固的殼體結(jié)構(gòu)，其厚度方向的尺寸遠比其它2個方向要小得多［2］。根據(jù)碾壓混凝土施工的特點，若壩體不分縫，則施工完畢后就自然封拱形成整體，當溫度應力和混凝土干縮疊加并達到一定程度后，將導致壩體產(chǎn)生橫向裂縫。如果壩體分縫過密，會增加施工難度，對碾壓混凝土快速施工極其不利;分縫過疏，則壩段過長，對釋放壩體降溫過程中產(chǎn)生的拉應力不利，容易產(chǎn)生裂縫［2］。因此，合理對壩體進行分縫設計，對防止壩體混凝土開裂意義重大，也是混凝土壩溫度控制的一項重要措施。

為尋求合適的分縫方案，該工程專門進行了有限元仿真計算專題研究，研究成果［3］反映:

(1)壩體不分縫時上游面最大拉應力為2.87MPa，下游面最大拉應力為2.43MPa，均超過混凝土的允許拉應力(上游面1.87MPa，下游面1.41MPa)。

(2)壩體左側(cè)分1條縫后，近縫區(qū)域應力有所改善，遠離分縫區(qū)域無明顯改善，壩體上游面最大拉應力為2.77MPa，下游面最大拉應力為2.26MPa，仍超過允許拉應力。

(3)壩體左、右岸各分1條縫后，拉應力顯著降低，上游面最大拉應力為1.73MPa，下游面最大拉應力為1.95MPa，除下游面局部區(qū)域拉應力仍超出允許拉應力外，其余均滿足要求。

該工程壩軸線長度僅148.55m，其中河床段 (表孔和底孔布置范圍)長度71.72m，左岸長度44.35m，右岸長度32.48m。若繼續(xù)增加分縫，將不利于碾壓混凝土施工，且分2條縫方案，壩體也僅有局部區(qū)域拉應力超標，故最終采用2條縫方案，將壩體分為3個壩段，壩段長度從右至左分別為23.816，87.053，37.684m，1#縫垂直高度71.00m，2#縫垂直高度75.00m，2條縫均采用誘導縫。

壩體分2條縫后，下游面局部區(qū)域拉應力超標擬通過其它溫控措施進一步解決。

2.3 合理安排施工進度和選擇澆筑時段

為了盡可能的降低混凝土澆筑溫度，以降低混凝土的最高溫升，混凝土澆筑盡可能避開夏季高溫季節(jié)。大壩535.50～549.00m高程混凝土施工時段為2005年03—04月，549.00～620.00m高程混凝土施工時段為2005年09月下旬至2006年03月上旬。

2.4 堆渣及充水保溫

因壩基開挖工期拖延，為加快施工進度，使壩體混凝土能在汛期之前澆筑出河床及減小通水冷卻范圍，通過有限元計算分析，在壩體應力滿足控制標準前提下，537.00～540.00m高程碾壓混凝土僅采取簡化的溫控措施如下:

(1)壩體混凝土初凝～固結(jié)灌漿施工前，在上、下游圍堰之間充水，要求壩體頂面水深不小于20cm;

(2)固結(jié)灌漿施工期間對上、下游壩面與圍堰之間進行充水，壩頂進行流水養(yǎng)護。

另外，對549.00m高程以下混凝土，在澆筑完畢后立即對壩體上、下游面進行泡水直至間歇期結(jié)束，然后利用開挖棄渣對上、下游壩面進行堆渣保溫，要求堆渣頂部寬度不小于2.00m。

2.5 預埋冷卻水管，通水降溫

對540.00～603.00m高程混凝土通天然河水冷卻。冷卻水管采用高密聚乙烯管，管外徑32mm，壁厚2mm，水管間距1.50m。2005年10月30日前澆筑的混凝土在施工完畢后立即進行一期通水冷卻，通水時間20d，每12h變換1次水流方向。11月10日開始對壩體603.00m高程以下混凝土進行二期通水冷卻，每天變換1次水流方向，使壩體溫度降至封拱溫度15℃。通水冷卻時管內(nèi)流量不小于20L/min;通水過程中應每天觀測壩體溫度，壩體降溫每天不得超過1℃。

2.6 倉面噴霧降溫及覆蓋隔熱

當氣溫高于25℃時，尤其是中午日照較強時，采用高壓水槍對倉面進行噴霧降溫，以保證倉面溫度不高于25℃。對已碾壓完畢的倉面立即用彩條布進行覆蓋隔熱，以防溫度倒灌。

采取上述溫控措施后，壩體溫度得到有效控制，壩體應力全部滿足控制要求。

3 結(jié)語

(1)混凝土配合比優(yōu)化設計和壩體合理分縫在中小型碾壓混凝土拱壩溫控設計中效果顯著，可作為主要溫控措施。

(2)通過合理安排施工進度和選擇澆筑時段、堆渣及充水保溫、倉面噴霧降溫及隔熱等措施后，可減少壩體通水冷卻范圍，加快施工進度和節(jié)約溫控費用。

［1］符祥平，徐瓊，陳霓，等.貴州省務川沙壩水電站混凝土試驗報告［R］.貴陽:貴州黔水科研試驗測試檢測工程有限公司，2004.

［2］劉其文，陳大松，羅健.魚簡河碾壓混凝土拱壩溫控設計［J］.水利規(guī)劃與設計，2009(5):83-84.

［3］張國新，劉玉，楊波，等.洪渡河務川沙壩電站大壩有限元溫控仿真計算研究 ［R］.北京:中國水利水電科學研究院.2005.