青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設(shè)計(jì)

周曉信（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設(shè)計(jì)

周曉信
（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

通過計(jì)算，對青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫度及溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，并根據(jù)大壩的施工條件、壩體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、實(shí)際施工進(jìn)度，及大壩所在區(qū)域的氣候特點(diǎn)，設(shè)置誘導(dǎo)縫，選用合適溫控標(biāo)準(zhǔn)并制定較為適宜的溫控措施。通過工程實(shí)際證明，溫控效果良好。

青龍 碾壓混凝土 雙曲拱壩 溫度控制 設(shè)計(jì) 措施

1 工程概述

青龍水電站位于湖北省恩施市，清江一級支流馬尾溝。工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、發(fā)電引水系統(tǒng)、調(diào)壓井、岸邊地面式廠房等建筑物組成。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，水平拱圈采用拋物線，壩頂高程737.7 m，河床建基面高程598.0 m，最大壩高139.7 m，頂拱最大中心角82.940°，頂拱弧長116 m，拱冠梁頂厚6 m，底厚23 m，厚高比為0.150 3，最大倒懸度0.125。大壩混凝土放量24萬m3，其中常態(tài)混凝土4萬m3，大壩40 m以下采用通倉澆筑，40 m以上設(shè)置2條誘導(dǎo)縫，壩體最大寬度58 m。

2 混凝土原材料及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.1 主要原材料

水泥：采用強(qiáng)度等級為42.5的中熱硅酸鹽水泥，混凝土試驗(yàn)該水泥7 d水化熱278（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)高值（293 kJ/kg），3 d水化熱238（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)值（251 kJ/kg）。摻用0.5抗裂劑在同等條件下水化熱峰值提早4 h，水化熱7 d少10（J/g）。

粉煤灰：采用二級灰，碾壓混凝土中粉煤灰摻量為55%。

骨料：采用灰?guī)r加工的人工骨料，三級配碾壓混凝土砂率為30%，二級配為34%，砂細(xì)度模數(shù)FM= 2.6，人工砂中石粉含量為20%。

外加劑：采用引氣、減水、緩凝等復(fù)合型外加劑。

2.2 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

大壩混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

表1 混凝土主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 基礎(chǔ)允許溫差

青龍水電站大壩混凝土基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn)見表2和表3。

表2 基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn) ℃

表3 青龍水電站碾壓混凝土拱壩基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn) ℃

我國碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則中按照碾壓混凝土極限拉伸值0.7×10-4折算，考慮到工程碾壓混凝土極限拉伸值設(shè)計(jì)要求取值≥0.9×10-4，試驗(yàn)極限拉伸值達(dá)到1.19×10-4（見表1），其設(shè)計(jì)值和試驗(yàn)值分別高于折算標(biāo)準(zhǔn)的28.6%和70%，碾壓混凝土抗裂性能較好，本工程基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)提高。

3.2 上下層允許溫差

當(dāng)下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土?xí)r，應(yīng)控制新老混凝土之間的溫差。當(dāng)連續(xù)上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時(shí)，允許老混凝土面上下各L/4范圍內(nèi)上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時(shí)下層實(shí)際平均溫度之差為（15～20）℃。

3.3 內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土?xí)r，應(yīng)控制新老混凝土之間的溫差。當(dāng)連續(xù)上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時(shí)，允許老混凝土面上下各L/4范圍內(nèi)上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時(shí)下層實(shí)際平均溫度之差為20℃。

3.4 設(shè)計(jì)允許最高溫度

壩體基礎(chǔ)約束區(qū)的允許最高溫度為壩體的允許基礎(chǔ)溫差與穩(wěn)定溫度之和，壩體脫離約束區(qū)的允許最高溫度可取為上下層溫差、內(nèi)外溫差與壩體的穩(wěn)定溫度之和的小值。青龍水電站壩體設(shè)計(jì)允許最高溫度見表4。

表4 壩體設(shè)計(jì)允許最高溫度 ℃

對于老混凝土約束區(qū)和陡坡、填塘部位，可參照上述基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土的標(biāo)準(zhǔn)或適當(dāng)加嚴(yán)執(zhí)行。

3.5 施工期混凝土溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)青龍拱壩的施工進(jìn)度計(jì)劃，大壩混凝土全部澆筑和灌漿工程完成以后，在第4年4月開始蓄水，采用了誘導(dǎo)縫的結(jié)構(gòu)分縫形式，壩體通倉碾壓澆筑，因此在施工期大壩蓄水以前，大壩同時(shí)承受自重和溫度荷載的作用。目前 《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SD 145-85以及SL 282-2003）以及碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SL 314-2004）只規(guī)定了施工期采用柱狀法澆筑的混凝土澆筑塊的水平向徐變溫度應(yīng)力。其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)：

式中 σ——各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和（MPa）；

εp——混凝土極限拉伸值；

EC——混凝土彈性模量（MPa）；

Kf——安全系數(shù)，一般采用1.3～1.8。

在溫度荷載的基礎(chǔ)上疊加自重的作用后，其順河向正應(yīng)力與單獨(dú)考慮溫度荷載作用的順河向正應(yīng)力差別很小。因此，在大壩蓄水以前，擬定青龍拱壩在自重和溫度荷載共同作用下的混凝土拉應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)仍然按照式（1）確定，安全系數(shù)采用1.5，列出常態(tài)混凝土28 d、碾壓混凝土極限拉伸90 d以內(nèi)齡期的彈性模量以及相應(yīng)的極限拉伸值，可計(jì)算出大壩混凝土的允許拉應(yīng)力（表5）。

表5 施工期壩體混凝土應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

4 溫度控制措施

在制定青龍拱壩溫控措施前，對施工期最高溫度和溫度應(yīng)力進(jìn)行了仿真分析，以拱冠梁剖面為例，壩體施工期的最高溫度30℃左右，壩體有兩個(gè)高溫區(qū)，壩體高溫區(qū)發(fā)生在（625～640）m和（720～737）m附近；施工期溫度應(yīng)力：上下游壩面的最大拉應(yīng)力均控制在1.58 MPa左右，該值小于規(guī)范允許的拉應(yīng)力值1.8 MPa，見附圖。

附圖 下游壩面施工期溫度應(yīng)力包絡(luò)圖（拉應(yīng)力為+）

4.1 設(shè)置誘導(dǎo)縫

通過計(jì)算，首先研究大壩整體不分縫的情況，了解最大拉應(yīng)力產(chǎn)生的部位和時(shí)間，初步判斷提出縫的類型以及位置的合理性；研究大壩從施工期到運(yùn)行期的溫度徐變應(yīng)力，在應(yīng)力不能滿足抗裂要求的部位，通過調(diào)整誘導(dǎo)縫的設(shè)置形式，進(jìn)一步削弱縫位上混凝土的強(qiáng)度，使得壩體混凝土的應(yīng)力得以重新分布；如果調(diào)整縫的削弱程度和縫的位置還不能滿足混凝土的防裂要求，則增加誘導(dǎo)縫的條數(shù)，根據(jù)實(shí)際的澆筑施工進(jìn)度，（630～650）m為高溫季節(jié)澆筑的混凝土，在擬定的溫控措施方案下，冬季低溫氣候時(shí)該部位會(huì)產(chǎn)生較其它高程部位更大的拉應(yīng)力，綜合施工和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面考慮，從640m高程開始設(shè)置誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫為不完全切斷壩體的雙向間斷縫，在壩體中形成軟弱結(jié)構(gòu)面以誘導(dǎo)溫度縫在預(yù)計(jì)部位產(chǎn)生。

4.2 控制澆筑溫度、優(yōu)化配合比、骨料預(yù)冷

5～10月混凝土澆筑溫度控制在24℃以下，其它月份按自然入倉控制澆筑溫度。優(yōu)化混凝土配合比，采用具有高摻粉煤灰的碾壓混凝土，降低水化熱的絕熱溫升。進(jìn)行混凝土施工配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化，改善混凝土的和易性及其他特性。在滿足設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能減少水泥用量；降低混凝土原材料入機(jī)溫度，水泥、粉煤灰等摻合料提前組織進(jìn)場；人工砂堆場搭設(shè)避雨、遮陽棚，高溫季節(jié)對粗骨料采取可行的遮陽措施，頂部噴冷水霧降溫；增加骨料堆高，5～10月澆筑的碾壓混凝土要求骨料堆高不低于6 m，砂子和粗骨料均采取地壟取料，降低骨料入機(jī)溫度。在入拌料斗的皮帶機(jī)上搭建遮陽棚；加強(qiáng)施工組織設(shè)計(jì)，混凝土水平和垂直運(yùn)輸達(dá)到一體化；降低混凝土溫度的回灌，縮短混凝土出機(jī)到碾壓的時(shí)間?；炷帘M量利用早晚和夜間澆筑，避免中午高溫時(shí)段澆筑。

4.3 合理的澆筑分層、層間間歇及流水養(yǎng)護(hù)

合理的澆筑分層既能保證混凝土建筑施工進(jìn)度，又可以充分利用層面散發(fā)水化熱。青龍拱壩碾壓混凝土每間歇層澆筑高度3 m，每一碾壓層厚30 cm，層間作業(yè)時(shí)間不易大于（6～8）h，且碾壓混凝土從拌和至碾壓完畢，一般在2 h之內(nèi)完成，每間歇層間歇時(shí)間控制7～10 d內(nèi)。實(shí)施倉內(nèi)噴霧，營造倉內(nèi)小氣候，5～10月澆筑的碾壓混凝土（或者澆筑時(shí)平均氣溫高于25℃時(shí)），倉面需噴霧形成小氣候，降低倉面溫度，防止混凝土澆筑過程中的表面干裂和溫度回升，要求噴面噴霧雨量強(qiáng)度每6 min小于0.3 mm。大壩碾壓混凝土采用“斜層澆筑”工藝進(jìn)行施工。采用斜層施工工藝，相對通倉澆筑的施工工藝，具有倉面面積小、每層混凝土的覆蓋時(shí)間短的特點(diǎn)，大大減少了混凝土在倉面的溫度回升。若是平行壩軸線向前推進(jìn)，對斜層坡腳的處理必須十分慎重，要求在碾壓過程中防止大骨料分離，并且每個(gè)條帶的底部必須錯(cuò)開，防止形成一條自上而下的通道。

在混凝土澆筑完畢后應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)，使混凝土表面及側(cè)面經(jīng)常保持濕潤狀態(tài)，混凝土終凝后實(shí)行流水養(yǎng)護(hù)。混凝土連續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d。

4.4 預(yù)埋冷卻水管、通水冷卻

青龍拱壩▽624 m高程以上均埋設(shè)冷卻水管，▽624 m～▽660 m高層冷卻水管間排距取1.5 m×1 m（豎向×水平），▽660 m高層以上冷卻水管間排距取1.5 m×1.5m，材料特性如下：管外徑=32 mm，管內(nèi)徑=28 mm，導(dǎo)熱系數(shù)≥0.45 W/m·℃，拉伸屈服應(yīng)力≥20 MPa，縱向尺寸收縮率≤3%。通水冷卻分三期：初期通水在混凝土澆筑收倉后即開始通水，強(qiáng)約束區(qū)4～10月、弱約束區(qū)5～9月通10℃制冷水，控制水溫與混凝土溫差≤20℃，通水時(shí)間20 d。二期通水安排在初期通水之后，入冬之前，初擬通河水40 d，具體通水時(shí)間根據(jù)壩體溫度情況調(diào)整；三期通水在封拱接縫灌漿前，初擬通河水30 d，具體通水時(shí)間根據(jù)溫度觀測情況調(diào)整。冷卻水管通水流量應(yīng)不小于20 L/min。

4.5 混凝土表面保護(hù)

青龍拱壩上、下游面及側(cè)面等長期暴露面，10月～次年4月澆筑的混凝土拆模后即設(shè)永久保溫層，當(dāng)遇氣溫驟降時(shí)，應(yīng)推遲拆模時(shí)間；5～9月澆筑的混凝土在10月初設(shè)永久保溫層，保溫后混凝土表面等效放熱系數(shù)β≤2.0 W/m2·℃；每年入秋前，應(yīng)將孔洞進(jìn)出口進(jìn)行封堵。保溫材料建議采用泡沫卷材或聚丙板，混凝土側(cè)面和平面覆蓋厚度要求不小于1.5 cm，孔口封堵厚度要求不小于2.3 cm。

5 結(jié) 語

青龍拱壩溫度控制設(shè)計(jì)經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算分析，確定了混凝土允許最高溫度、上下層溫差及內(nèi)外溫差等溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)采用控制澆筑溫度、合理的分縫、層間間歇及通水冷卻等有效的溫控措施，對控制和抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生起到了至關(guān)重要的作用。實(shí)際證明，設(shè)計(jì)選用的溫控標(biāo)準(zhǔn)及采用的溫控措施是切實(shí)有效的，在整個(gè)青龍拱壩施工期，未發(fā)生危害性裂縫。

2016-05-24）

周曉信（1969-），男，岳陽臨湘人，大學(xué)本科，高級工程師，目前從事水利施工管理工作。