高原地區(qū)某水電站大壩混凝土溫控防裂措施設(shè)計

周廷清，吳世勇，朱瑞晨，姜宏軍

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

西部青藏高原地區(qū)具有豐富的水能資源，但高原地區(qū)也存在海拔高、氣壓低、氣溫低、晝夜溫差大和太陽輻射強烈的特殊氣候條件，受這些不利氣候因素的影響，溫控防裂措施設(shè)計對在高原地區(qū)建設(shè)混凝土大壩顯得十分重要。本文結(jié)合青藏高原地區(qū)的氣候特點，對該地區(qū)某水電站的溫控防裂措施進行設(shè)計。

1 項目概況

某水電站工程位于青藏高原地區(qū)，電站裝機容量約660 MW。攔河大壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程約3 450.00 m，最大壩高118.00 m，壩頂總長389.00 m。樞紐布置格局為碾壓混凝土重力壩+壩身5 孔溢流表孔和1孔沖沙底孔聯(lián)合泄洪+壩后式地面廠房，擋水建筑物從左岸到右岸依次劃分為左岸擋水壩頂、溢流壩段、沖砂底孔壩段、廠引壩段、右岸擋水壩段[1]。

工程所在區(qū)域?qū)俑咴瓬貛Ъ撅L半濕潤氣候區(qū)，多年平均氣溫9.3℃，極端最高、最低氣溫分別為32.5℃和-16.6℃，晝夜溫差大。

壩址區(qū)多年月平均氣溫、極端氣溫和水溫統(tǒng)計情況見表1。

表1 多年平均氣溫、極端氣溫和水溫統(tǒng)計表 °C

2 筑壩材料設(shè)計

水電站大壩筑壩材料選擇碾壓混凝土重力壩，碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥混凝土，與常態(tài)混凝土相比，具有單位體積混凝土膠凝材料用量少的特點，可降低混凝土的發(fā)熱量。

通過調(diào)整混凝土的配合比，在滿足最大膠凝材料的前提下，在混凝土中摻合一定數(shù)量的活性材料（如粉煤灰、礦渣等），以替代部分水泥用量，從而降低混凝土的水化熱是工程中常用的方法。由于工程所在區(qū)域不產(chǎn)粉煤灰，工程所用粉煤灰需從青海、四川、甘肅等外省運入，存在距離遠、成本高的困難，因而本工程考慮采用凝灰?guī)r做為摻合料替代部分粉煤灰。

通過對單摻粉煤灰方案、復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰方案、單摻凝灰?guī)r粉方案共3 種方案的混凝土性能和溫控方案進行試驗分析計算，在滿足混凝土性能和降低溫控措施要求的條件下，同時考慮工程投資，最終選定復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰方案（其中粉煤灰摻量為30%，凝灰?guī)r粉摻量為30%）?；炷劣媚?guī)r粉摻和料技術(shù)指標確定為：含水量≤1.0%，0.045 mm 方孔篩篩余≤20%，需水量比≤110%，活性指數(shù)≥60%[2]。配合比見表2，力學性能及耐久性試驗見表3。

表2 碾壓混凝土配合比表

表3 碾壓混凝土力學性能及耐久性試驗結(jié)果表

3 溫控防裂措施設(shè)計

3.1 原材料要求

（1）水泥溫度不宜高于60 ℃。

（2）粗骨料在高溫季節(jié)采取遮陽，在低溫季節(jié)采取保溫措施，骨料料堆高度應(yīng)大于6.00 m，宜地籠取料，使得粗骨料溫度在高溫季節(jié)不高于月平均氣溫，低溫季節(jié)不凍結(jié)、料堆中下部骨料溫度不低于3 ℃。

（3）細骨料要常年采取遮雨措施，防止雨水進入成品砂堆，同時低溫季節(jié)采取保溫措施。

3.2 澆筑分層與間歇期

（1）碾壓混凝土采用薄層、短間歇、連續(xù)澆筑法施工，碾壓層厚30 cm，強約束區(qū)混凝土碾壓升程高度為1.50 m，層間間歇10 d，弱約束區(qū)和自由區(qū)混凝土碾壓升程高度為3.00 m，層間間歇12 d。

（2）根據(jù)類似工程經(jīng)驗，當月平均氣溫低于0 ℃時，碾壓混凝土應(yīng)停止施工以保證施工質(zhì)量，果多和新疆幾個碾壓壩均在冬歇期停工，雖然該水電站壩址區(qū)月平均氣溫均大于0 ℃，也初步考慮在12 月 — 次年2 月碾壓混凝土停工；常態(tài)混凝土繼續(xù)施工。

3.3 混凝土澆筑溫度

根據(jù)大壩碾壓混凝土的材料參數(shù)性能，分澆筑時節(jié)和部位分別設(shè)定澆筑溫度，澆筑溫度情況見表4。

表4 大壩混凝土澆筑溫度表 ℃

3.4 控制出機口溫度

（1）高溫季節(jié)（4 月上旬 — 10 月上旬）采用骨料預冷、加冰（冷水）拌和等措施控制混凝土出機口溫度，強約束區(qū)混凝土出機口溫度≤8 ℃，弱約束區(qū)混凝土出機口溫度≤10 ℃，自由區(qū)混凝土出機口溫度≤13 ℃；低溫季節(jié)（11 月中旬 — 次年3 月中旬）采取熱水拌和等措施提高混凝土出機口溫度，混凝土出機口溫度應(yīng)達到10 ℃。

（2）3 月下旬及10 月中旬 — 11 月上旬澆筑混凝土可采取自然拌和。

3.5 通水冷卻

（1）冷卻水管布置：大壩碾壓混凝土基礎(chǔ)強約束區(qū)水管布置為1.50 m×1.50 m（水平×豎直）方式，弱約束區(qū)和自由區(qū)混凝土水管布置為2.00 m×1.50 m（水平×豎直）。墊層混凝土水管布置為1.00 m×1.50 m（水平×豎直）。冷卻水管距離上游和下游面、廊道和孔口等壁面的距離應(yīng)在0.50 ～ 0.80 m。冷卻水管支管采用蛇形布置，單根蛇形支管的長度不應(yīng)超過300 m，當同一倉面需要布置多條蛇形支管時，各蛇形支管的長度應(yīng)基本相當。

（2）一期通水冷卻：①混凝土下料澆筑即可開始一期通水冷卻，冷卻時間20 d 左右，水溫10 ～ 12 ℃。前10 d流量為 1.5 ～ 2.5 m3/h，后 11 ～ 20 d 流量 0.8 ～ 1.2 m3/h。每24 h 改變一次通水方向，同時要求最高溫度峰值過后最大日降溫速率≤0.5 ℃/d，通水溫度與混凝土溫度相差不大于20 ℃。②一期冷卻控溫目標：一期冷卻消減混凝土溫度峰值?；炷磷罡邷囟葢?yīng)滿足要求，一期冷卻結(jié)束時混凝土溫度20 ℃左右，一冷降溫幅度不大于8 ℃。③一冷結(jié)束后進行控溫，控溫時間30 ～ 60 d。

（3）中期冷卻：①為了防止一期冷卻結(jié)束后混凝土溫度的回升，減小后期的溫降，實現(xiàn)混凝土“小溫差、慢冷卻、早保護”的溫控理念，一期冷卻完后應(yīng)進行必要的控溫，高溫季節(jié)（4 月上旬 — 10 月上旬）澆筑的混凝土入冬前進行必要的大面積中期降溫；②中期進口水溫為12 ～ 15 ℃，通水流量為0.6 ～ 1.0 m3/h，最大日降溫速率≤0.3 ℃/d，保持混凝土溫度緩慢降到15 ～ 16 ℃；③通水水溫與混凝土內(nèi)部溫度之差不超過15 ℃。中期通水前通過悶溫測出壩體溫度，復核并保證通水水溫滿足水溫與混凝土的溫差要求。

3.6 表面保溫和養(yǎng)護

工程使用的聚苯乙烯板要求導熱系數(shù)≤0.158 kJ /（m · h · ℃），吸水率≤1%，表觀密度≥32 kg/m3，并有阻燃性能。長間歇混凝土倉面或臺階形混凝土表面間歇期鋪設(shè)保溫被后需要鋪設(shè)聚乙烯（PE）薄膜，厚度0.6 mm。

3.6.1 壩體上下游表面及側(cè)面保溫措施

壩址區(qū)常年日變溫差大，混凝土澆筑過程中應(yīng)常年采用保溫材料進行保護。10 月中旬 — 次年4 月中旬期間澆筑上下游面混凝土，采取鋼模板內(nèi)貼保溫材料（5 cm 厚的聚苯乙烯板），同時在鋼模板外側(cè)嵌貼保溫材料（固定在模板上，3 cm 厚聚苯乙烯板）；其余季節(jié)（4 月下旬 — 10 月上旬）上下游表面采用5 cm 厚的聚苯乙烯板保溫。相鄰壩段由于澆筑高程不同形成的臨空面以及大壩廊道、底孔等孔洞部位采用3 cm 厚的聚苯乙烯板保溫。

3.6.2 倉面正常間歇條件下表面保溫措施

對于10 月中旬 — 次年4 月中旬澆筑混凝土，鋪設(shè)4 cm 厚保溫被進行倉面保溫，倉面靠近上下游位置混凝土采用6 cm 厚保溫被進行倉面保溫。其余季節(jié)（4 月下旬 — 10月上旬）倉面采用2 cm 厚保溫被進行倉面保溫，倉面靠近上下游位置混凝土采用4 cm 厚保溫被進行倉面保溫。

3.6.3 倉面長間歇條件下表面保溫措施

為保障低溫季節(jié)長間歇期（12 月 — 次年2 月）壩體倉面不出現(xiàn)溫度裂縫，需要采取6 cm 完全干燥的保溫被，但考慮到保溫被材料較易吸水，故需采取15 cm 厚大壩保溫被（或同等效果的聚苯乙烯保溫卷材）進行倉面保溫，且長間歇前壩體澆筑高度需達到6.00 m 以上，保溫材料表面鋪設(shè)聚乙烯（PE）薄膜進行防水防風。

3.6.4 其余部位表面保溫措施和養(yǎng)護措施

低溫季節(jié)澆筑的混凝土應(yīng)適當推遲拆模時間，氣溫驟降期間不允許拆模。大壩廊道、底孔等孔洞部位，除按要求進行保護外，應(yīng)及時的進行孔口封閉，防止形成風道。蓄水前，拆除大壩上游保溫板，檢查裂縫情況，并根據(jù)裂縫性狀，分別進行處理。

4 溫控計算分析驗證

根據(jù)擬定的溫控措施方案，對9#溢流壩段和5#岸坡壩段2 個典型壩段進行溫度應(yīng)力分析，計算結(jié)果見表5，計算結(jié)果顯示2 個典型壩段的基礎(chǔ)強約束區(qū)最高溫度和溫度應(yīng)力最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求[3]。溫度、應(yīng)力包絡(luò)線見圖1、圖 2。

表5 典型壩段各特征點穩(wěn)定和順河向應(yīng)力峰值表

圖1 9#溢流壩段溫度和應(yīng)力包絡(luò)線圖

圖2 5#岸坡壩段溫度和應(yīng)力包絡(luò)線圖

5 結(jié) 語

由于工程區(qū)屬于高原氣候區(qū)，存在海拔高、氣壓低、平均氣溫低、最高最低氣溫差別大、晝夜溫差大和太陽輻射強烈等特點，因而對大壩大體積混凝土的溫控防裂措施要求更為嚴格。本工程在借鑒高原地區(qū)類似工程的經(jīng)驗，合理選擇筑壩材料和溫控防裂措施方案，并通過計算分析進行驗證，大壩的溫度應(yīng)力滿足規(guī)范要求。