嚴(yán)寒地區(qū)的碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)
——以新疆SETH水利樞紐工程為例

崔海濤，馬妹英

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 概 述

SETH水利樞紐工程任務(wù)為工業(yè)供水和防洪，兼顧灌溉和發(fā)電，水庫(kù)總庫(kù)容2.94億m3，多年平均供水量2.631億m3，設(shè)計(jì)水平年改善灌溉面積184.16 km2，電站裝機(jī)容量27.6 MW.工程建成后，可使下游沿線鄉(xiāng)鎮(zhèn)防洪標(biāo)準(zhǔn)的洪水重現(xiàn)期由10 a提高到20 a，縣城防洪標(biāo)準(zhǔn)由20 a提高到30 a.

攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5 m，壩頂高程(不含防浪墻)1 032.0 m，大壩軸線長(zhǎng)度為372 m.大壩體型龐大，壩身泄洪排水孔多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大壩澆筑受氣溫影響大.壩址區(qū)地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋.氣候特征為緯度高，氣溫低，少酷暑，多嚴(yán)寒，冬夏冷暖懸殊.由于工區(qū)具有晝夜溫差大，晝夜溫度頻繁驟降等特殊氣候特點(diǎn)，造成混凝土溫度裂縫問題凸顯，因此，對(duì)大壩混凝土進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)具有重要的意義.

2 工程概況

2.1 氣象資料

壩址區(qū)多年實(shí)測(cè)氣象資料統(tǒng)計(jì)：年平均氣溫3.6 ℃，月平均氣溫分布不均，其中月平均最低氣溫出現(xiàn)在1月份，達(dá)到-15.3 ℃；月平均最高氣溫出現(xiàn)在7月份，達(dá)到20.2 ℃，最大溫差82.9 ℃(最高氣溫40.9 ℃，最低氣溫-42.0 ℃，)，溫差極大.多年平均蒸發(fā)量為1 571.8 mm，歷年最大風(fēng)速17.3 m/s，最大凍土深度239 cm.

各月氣溫、降水信息(見表1).

4～10月份水溫信息(見表2).

2.2 混凝土材料特性及分區(qū)

壩體上游面分兩層，外層采用80 cm厚二級(jí)配混凝土進(jìn)行澆筑；第二層為壩體主要防滲體，采用2.2 m厚富膠凝碾壓混凝土.中部及下游面混凝土采用三級(jí)配碾壓混凝土.基礎(chǔ)墊層采用1.0 m厚常態(tài)混凝土.混凝土材料參數(shù)(見表3).

2.3 基巖熱、力學(xué)指標(biāo)

壩基主要為輝長(zhǎng)巖侵入體，巖性單一，表部巖體稍破碎，下部巖體大部分較完整.輝長(zhǎng)巖的熱力學(xué)指標(biāo)及力學(xué)性能(見表4).

2.4 壩體施工進(jìn)度安排及混凝土入倉(cāng)溫度

在壩體混凝土施工過程中，一般每倉(cāng)厚度3 m，每層按30 cm進(jìn)行連續(xù)澆筑[1].壩體施工進(jìn)度及混凝土入倉(cāng)溫度(見表5).

表1 壩址區(qū)平均氣溫和降水信息統(tǒng)計(jì)表

表2 4～10月份水溫統(tǒng)計(jì)表 單位:℃

表3 混凝土熱力學(xué)性能及力學(xué)指標(biāo)

表4 輝長(zhǎng)巖的熱、力學(xué)指標(biāo)

表5 施工進(jìn)度表

3 計(jì)算原理、方法和程序

3.1 穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元計(jì)算公式

根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，穩(wěn)定溫度場(chǎng)的方程為：

(1)

式(1)中：

(2)

3.2 非穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元計(jì)算公式

由朱伯芳[2]熱傳導(dǎo)理論，非穩(wěn)定溫度場(chǎng)的方程為：

(3)

式(3)中，{T}0={T(τ0)}，{T}1={T(τ0+Δτ)}

{P}0={P(τ0)}，{P}1={P(τ0+Δτ)}

(4)

(5)

(6)

(7)

當(dāng)τ0=0時(shí)，初始條件與邊界可能不協(xié)調(diào)，因而在第一個(gè)Δτ時(shí)段內(nèi)，不能使用加權(quán)余量法而應(yīng)采用直接差分法.

(8)

3.3 計(jì)算程序

運(yùn)用ANSYS軟件采用八結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元、接觸單元對(duì)壩體、巖體整體進(jìn)行三維有限元計(jì)算分析[3].模型中，壩體結(jié)構(gòu)、圍巖結(jié)構(gòu)均按彈塑性計(jì)算.

4 壩體的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

4.1 邊界條件

樞紐工程總庫(kù)容為2.94億m3，多年平均天然徑流量10.48億m3，最大水深為71.5 m，水溫沿水深變化平緩，庫(kù)水溫沿程變化(見表6).

表6 庫(kù)水溫垂直分布表

計(jì)算穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)，基巖的溫度取為9.4 ℃.

4.2 計(jì)算結(jié)果

在壩體上游正常蓄水位且下游有對(duì)應(yīng)下游水位情況下的年平均氣溫計(jì)算出穩(wěn)定溫度場(chǎng)(見圖1)，大壩及基礎(chǔ)溫度基本在4.806～9.694 ℃之間；在壩體上游正常蓄水位且下游無水情況下的年平均氣溫計(jì)算出穩(wěn)定溫度場(chǎng)(見圖1～圖2)，大壩及基礎(chǔ)溫度基本在4.792～9.463 ℃之間.

圖1 下游有水工況壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)

圖2 下游無水工況壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)

5 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

5.1 混凝土溫度控制

(1)基礎(chǔ)溫差當(dāng)基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土28 d齡期的極限拉伸值≥0.7×10-4時(shí)，基巖變形模量與混凝土彈性模量相近[4]，薄層連續(xù)升高時(shí)，其碾壓混凝土壩基混凝土允許溫差宜選用按表7規(guī)定數(shù)值[5].

表7 碾壓混凝土的基礎(chǔ)容許溫差 單位：℃

(2)在間歇期>28 d的老混凝土面上繼續(xù)澆筑時(shí)，新老混凝土結(jié)合面在1/4L內(nèi)按照平均溫差≤10 ℃控制.

(3)內(nèi)外溫差碾壓：約束區(qū)以內(nèi)按12 ℃進(jìn)行控制，約束區(qū)外按14 ℃進(jìn)行控制；常態(tài)區(qū)按照20 ℃進(jìn)行控制.

(4)冷卻溫差：冷卻水與壩體混凝土溫差控制在20 ℃以內(nèi).

5.2 混凝土溫度應(yīng)力控制

以混凝土的抗裂能力[σ]作為混凝土溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)，其中：

(9)

溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見表8).

表8 混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

6 壩體不穩(wěn)定溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力

6.1 不穩(wěn)定溫度場(chǎng)

經(jīng)計(jì)算壩體內(nèi)部最高溫度強(qiáng)約束區(qū)為30 ℃；弱約束區(qū)為33 ℃；約束區(qū)以外為37 ℃.壩體不同高程的溫度場(chǎng)(見圖3～圖6).

圖3 施工第3月溫度等值線圖

圖4 施工第5月溫度等值線 圖

圖5 施工第11月溫度等值線圖

圖6 施工結(jié)束時(shí)溫度等值線圖

6.2 溫度應(yīng)力

經(jīng)計(jì)算壩體施工期的最大拉應(yīng)力[6](見表9).

表9 最大拉力計(jì)算結(jié)果

7 溫控措施

碾壓混凝土壩每年4～10月為施工期，冬季停止混凝土施工，這種施工方法及惡劣的氣候條件，更增加了碾壓混凝土壩溫控與防裂的難度[7].根據(jù)上述分析成果，確定以下4點(diǎn)溫控措施：

(1)控制混凝土澆筑溫度，具體要求(見表10).

表10 混凝土各月澆筑溫度及冷卻水溫度表

注：1區(qū)—基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū);2區(qū)—基礎(chǔ)弱約束區(qū);3區(qū)—基礎(chǔ)約束區(qū)外;△—自然入倉(cāng)

(2)在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度前提下，優(yōu)化混凝土配合比，減少發(fā)熱量，降低混凝土水化熱絕熱溫升[8].

(3)為節(jié)省溫控費(fèi)用，需合理安排施工進(jìn)度.施工面積大的混凝土盡量安排在一天的低溫時(shí)段施工.

(4)大壩越冬保護(hù)措施

本工程施工期為每年4～10月份，11月份進(jìn)入停工期，此時(shí)混凝土澆筑齡期短，強(qiáng)度低，而內(nèi)部水化熱溫升導(dǎo)致壩體內(nèi)外溫差很大.壩體上游、下游面采取噴涂10 cm、8 cm厚聚氨酯泡沫作為永久保溫措施.在2018年11月至2019年3月壩面高程984.5 m鋪設(shè)5層厚度為2 cm的聚氨酯泡沫作為臨時(shí)保溫措施，具體做法如：首先在越冬層面上鋪設(shè)防水彩條布，在其上噴涂厚2 cm的聚氨酯泡沫；待聚氨酯泡沫成型硬化后，在其上在鋪設(shè)一層防水彩條布，再噴涂2 cm聚氨酯泡沫，重復(fù)上述步驟，直至鋪設(shè)5層為止.在2019年11月至2020年3月壩面高程1 023.5 m鋪設(shè)5層2 cm厚聚氨酯泡沫作為臨時(shí)保溫措施.

8 結(jié) 論

根據(jù)施工期溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析，大壩澆筑施工過程中采取溫控措施后溫度應(yīng)力滿足規(guī)范和實(shí)際要求值，因此按照以上計(jì)算結(jié)果，采取以上溫控措施是可行的.本工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，施工安排冬季間歇，在冬季停工期間的越冬保護(hù)尤為重要，為類似地區(qū)碾壓混凝土壩的施工溫控設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn).

[1] 黃自謹(jǐn)，王景海，楊秀蘭.碾壓式混凝土壩施工方法[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1991.

[2] 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)水利電力出版社,2012.

[3] 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1998.

[4] 王立成，馬妹英，夏永達(dá)，等.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.

[5] 王立成，王峰山，李 梅，等.戈蘭灘水電站壩體混凝土澆筑溫度設(shè)計(jì)[J].云南水力發(fā)電，2008(S1):53-56.

[6] 黃世濤，郭麗朋，朱 強(qiáng)，等.歐田水電站漿砌石主壩三維有限元分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2015,27(4)：9-12.

[7] 楊樹濤，凌 剛.防止大體積混凝土裂縫措施及工程應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2010，22(2)：18-21.

[8] 郭之章，傅 華.水工建筑物的溫度控制[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1990.