白鶴灘大壩中熱與低熱水泥混凝土溫控對(duì)比分析

(中國(guó)電建集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45 km，上接烏東德梯級(jí)電站，下鄰溪洛渡梯級(jí)電站。白鶴灘水電站的開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和幫助移民群眾脫貧致富。

白鶴灘水電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設(shè)施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚度14.0 m，最大拱端厚度83.91 m，含擴(kuò)大基礎(chǔ)最大厚度95 m，壩體混凝土方量約803萬(wàn)m3。大壩壩頂弧長(zhǎng)約709.0 m，分30條橫縫，共31個(gè)壩段。高程750.0 m以上基礎(chǔ)(1～3號(hào)壩段)設(shè)混凝土墊座，4～25號(hào)壩段底部設(shè)擴(kuò)大基礎(chǔ)。大壩不設(shè)縱縫，采用通倉(cāng)澆筑。雙曲拱壩壩身設(shè)6個(gè)表孔+7個(gè)深孔+6個(gè)導(dǎo)流底孔，布置于拱壩中央的15～22號(hào)壩段。拱壩全年施工，施工年限長(zhǎng)，施工條件復(fù)雜。

白鶴灘工程地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，干熱河谷特征明顯，年平均氣溫21.95℃；多年平均蒸發(fā)量2 393.5 mm；年均風(fēng)速1.7 m/s，年均大風(fēng)(風(fēng)速≥17 m/s)日42.8 d。多年觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的月平均氣溫見(jiàn)表1。

表1 多年月平均氣溫統(tǒng)計(jì) ℃

白鶴灘拱壩混凝土溫控主要有以下特點(diǎn)：①壩址區(qū)干熱河谷氣候明顯，冬季干燥、風(fēng)大；②拱壩徑向尺寸與類似工程相比較大，體形復(fù)雜；③大壩需全年澆筑、全年封拱灌漿，施工條件極其復(fù)雜；④拱壩混凝土采用灰?guī)r骨料，材料綜合抗裂能力較好；⑤大壩混凝土溫控采取智能化控制，包括智能化測(cè)溫、智能化通水等，專業(yè)化要求高；⑥大壩首次全面采用低熱水泥，在國(guó)內(nèi)乃至世界上具有開(kāi)創(chuàng)性意義。

2 混凝土材料試驗(yàn)及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)兩種水泥材料的混凝土性能試驗(yàn)對(duì)比，7 d齡期的低熱水泥混凝土強(qiáng)度略低于中熱水泥混凝土；28 d 齡期的兩種水泥混凝土強(qiáng)度接近；90 d齡期以后的低熱水泥混凝土強(qiáng)度增幅較大，甚至較中熱水泥混凝土更高。

低熱水泥混凝土絕熱溫升明顯低于中熱水泥混凝土，且發(fā)熱速率更慢。C18040低熱水泥混凝土在3, 5, 28 d齡期的溫度較中熱水泥混凝土分別低約4， 3.9，2.2℃。

圖1 大壩最高溫度控制分區(qū)(下游立視)

根據(jù)混凝土材料試驗(yàn)結(jié)果，擬定計(jì)算采用的中熱、低熱水泥混凝土熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2與表3。

表2 中熱、低熱水泥混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

注：t為混凝土齡期，d。

3 溫控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

3.1 基礎(chǔ)混凝土容許溫差

白鶴灘工程規(guī)模巨大，因此對(duì)大壩混凝土抗裂安全要求高。大壩混凝土超大斷面尺寸，受基巖作用強(qiáng)，分別采用約束系數(shù)法、有限元法對(duì)基礎(chǔ)溫差應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，分析其允許溫差值。

表3 中熱、低熱水泥混凝土劈拉強(qiáng)度

采用約束系數(shù)法計(jì)算，中熱、低熱水泥混凝土的容許溫差值分別為14.53℃與15.48℃。有限元法計(jì)算結(jié)果顯示，中熱、低熱水泥壩體混凝土基礎(chǔ)容許溫差分別為16.51℃與15.15℃。

分析兩種水泥混凝土的計(jì)算成果，白鶴灘拱壩中熱、低熱水泥混凝土基礎(chǔ)容許溫差接近，溫差控制標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

3.2 最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大壩混凝土基礎(chǔ)容許溫差的對(duì)比計(jì)算結(jié)果，以及對(duì)白鶴灘拱壩混凝土抗裂提出的要求，拱壩混凝土采用兩種水泥材料的最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)相同，即不超過(guò)27℃與29℃，控制標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)如圖1所示。

4 抗裂性能對(duì)比

混凝土材料試驗(yàn)成果表明，低熱水泥混凝土總體上性能較好[1]，但也存在早期強(qiáng)度發(fā)展偏慢的問(wèn)題。采用有限元仿真計(jì)算，分析了中熱、低熱水泥混凝土分期冷卻過(guò)程中的溫度、應(yīng)力、抗裂安全系數(shù)，以及早齡期的混凝土表面抗裂能力，對(duì)比2種水泥混凝土的溫控抗裂性能。

4.1 整體降溫過(guò)程中混凝土抗裂安全性

選取河床28號(hào)壩段建立三維有限元模型，為更真實(shí)地反映邊界條件，選取左、右各一個(gè)壩段作為計(jì)算模型，即27號(hào)與29號(hào)壩段為28號(hào)壩段約束邊界條件[2]。三維計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 28號(hào)壩段計(jì)算模型

計(jì)算起始澆筑月份為7月、1月的工況，分別代表高、低溫澆筑季節(jié)，中熱、低熱水泥混凝土采用相同的溫控措施方案進(jìn)行模擬，溫度、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果[3]見(jiàn)表4。大壩冷卻分3期進(jìn)行，其中1期冷卻主要控制混凝土溫度峰值，混凝土澆筑后即可開(kāi)始；2期冷卻主要指拱壩封拱灌漿前的冷卻階段，2期冷卻目標(biāo)溫度即為拱壩的封拱溫度；為實(shí)現(xiàn)緩慢均勻降溫，在1期冷卻與2期冷卻之間設(shè)置中期冷卻，作為兩個(gè)冷卻階段的過(guò)渡。

表4 28號(hào)壩段基礎(chǔ)約束區(qū)各期冷卻溫度、應(yīng)力計(jì)算

注：表中σx為順河向應(yīng)力；k為安全系數(shù)，即混凝土劈拉強(qiáng)度除以拉應(yīng)力值。

經(jīng)分析計(jì)算得出如下結(jié)果。

(1)中低熱水泥混凝土最高溫度均能滿足最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，同等條件下，低熱水泥較中熱水泥混凝土最高溫度低約1.6℃，且整個(gè)壩段的高溫區(qū)范圍明顯縮小。

(2)在1期降溫階段，低熱水泥混凝土因溫度峰值低，降溫幅度也較小，1期冷卻末拉應(yīng)力水平相對(duì)較低，各工況下的低熱水泥混凝土最大拉應(yīng)力較中熱水泥混凝土低 0.21～0.29 MPa，對(duì)應(yīng)的混凝土抗裂安全系數(shù)高約 0.3。

(3)中期冷卻階段，中、低熱水泥混凝土的降溫幅度在相同條件下，控溫階段拉應(yīng)力水平緩慢下降，中熱水泥混凝土的應(yīng)力降幅更明顯，在中期冷卻末拉應(yīng)力達(dá)到最大值。各工況下的低熱水泥混凝土最大拉應(yīng)力較中熱水泥混凝土低 0.23～0.40 MPa，隨著混凝土強(qiáng)度的提高，低熱水泥混凝土的抗裂安全系數(shù)增大至 2.4以上，中熱水泥混凝土抗裂安全系數(shù)則在 1.9左右。

(4)2期冷卻末，混凝土溫度降至封拱溫度，混凝土拉應(yīng)力達(dá)到峰值，抗裂安全系數(shù)也降到最低。低熱水泥混凝土各工況下的最大拉應(yīng)力達(dá)到1.63～1.66 MPa，相應(yīng)的抗裂安全系數(shù)為 2.2左右。中熱水泥混凝土拉應(yīng)力增大，在1.78～1.90 MPa左右，安全系數(shù)降低為1.8左右。

4.2 早齡期混凝土表面抗裂安全性

因低熱水泥混凝土具有早期強(qiáng)度偏低的特點(diǎn)，遭遇晝夜溫差大、氣溫驟降、寒潮等天氣時(shí)可能面臨表面拉應(yīng)力超標(biāo)的問(wèn)題。采用平面有限元精細(xì)模型，計(jì)算早齡期混凝土氣溫驟降時(shí)的表面應(yīng)力，分析中熱、低熱水泥混凝土的抗裂能力。計(jì)算模型見(jiàn)圖3，模擬的氣溫驟降模式見(jiàn)圖4。

圖3 氣溫驟降溫度應(yīng)力分析精細(xì)模型

圖4 氣溫驟降曲線

混凝土表面溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，各齡期混凝土的允許拉應(yīng)力見(jiàn)表6。在2 d氣溫驟降10℃的條件下：

(1)混凝土齡期為3～90 d時(shí)，中熱、低熱水泥混凝土的溫度應(yīng)力均較大；在不采取保溫措施的條件下，均超過(guò)允許拉應(yīng)力，不滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 氣溫驟降引起的混凝土表面最大拉應(yīng)力計(jì)算

表6 各齡期混凝土允許拉應(yīng)力 MPa

(2)混凝土齡期為3 d和7 d時(shí)，低熱水泥混凝土的表面應(yīng)力值較中熱水泥混凝土分別低0.39，0.3 MPa，但由于低熱水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度更低，其應(yīng)力超標(biāo)比例更大；在不采取保溫措施條件下，低熱水泥混凝土的拉應(yīng)力明顯低于中熱水泥混凝土。

(3)采取保溫措施后，當(dāng)?shù)刃嵯禂?shù)達(dá)到5 kJ/(m2·h·℃)時(shí)，中熱、低熱水泥混凝土各齡期的應(yīng)力大幅減小，且明顯低于混凝土允許拉應(yīng)力值，可見(jiàn)保溫對(duì)于減小混凝土表面拉應(yīng)力的作用顯著。

由以上對(duì)比分析可見(jiàn)，保溫對(duì)于早齡期混凝土尤為重要，相同齡期下尤其是7 d以前，低熱水泥混凝土拉應(yīng)力值較低，但其混凝土強(qiáng)度值也更低，因此拉應(yīng)力更容易超標(biāo)。保溫措施需比中熱水泥混凝土的要求更高，才可滿足表面抗裂安全要求。針對(duì)白鶴灘工程特點(diǎn)，混凝土拆模后，應(yīng)立即進(jìn)行保溫，表面需采用厚度不低于3 cm的保溫苯板(或其他等效材料)進(jìn)行系統(tǒng)保溫；在氣溫驟降期間，應(yīng)推遲拆模，或在模板外側(cè)覆蓋保溫材料。

5 結(jié) 論

(1)低熱水泥混凝土在1期冷卻、中期冷卻產(chǎn)生的拉應(yīng)力均低于中熱水泥混凝土，抗裂安全系數(shù)相對(duì)更大。雖然低熱水泥混凝土早期強(qiáng)度低于中熱水泥混凝土，但低熱水泥混凝土因溫度峰值低、降溫幅度相對(duì)較小，在通水冷卻降溫階段抗裂安全系數(shù)仍大于中熱水泥混凝土。對(duì)于長(zhǎng)周期應(yīng)力而言，2期冷卻末仍然是拉應(yīng)力水平最高、安全系數(shù)最低的時(shí)刻，是溫控防裂的重點(diǎn)。

(2)低熱水泥混凝土因其絕熱溫升低、發(fā)熱較慢，混凝土最高溫度得到有效控制，采用基本相同的溫控方案，低熱水泥混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力水平更低，抗裂安全裕度更大。

(3)與中熱水泥混凝土相比較，早齡期低熱水泥混凝土在氣溫驟降等短周期溫度作用下表面抗裂安全系數(shù)更低，表面拉應(yīng)力更容易超標(biāo)，所需的保溫措施要求更強(qiáng)。