雅礱江楊房溝水電站拱壩混凝土溫控防裂設(shè)計研究

郭傳科 劉西軍 殷亮 黃熠輝

摘要：針對雅礱江楊房溝水電站拱壩混凝土溫控防裂，根據(jù)壩址氣候條件、拱壩結(jié)構(gòu)特征、混凝土施工條件、混凝土材料特性等基本參數(shù)，分析了拱壩溫控設(shè)計的氣溫、水溫邊界條件，提出了溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，并研究了溫控防裂措施。通過對拱壩混凝土施工期溫度控制仿真計算，分析了拱壩混凝土從澆筑至拱壩封拱后的溫度場、溫度應(yīng)力狀態(tài)及變化歷程，評價了拱壩混凝土各時期的抗裂安全狀態(tài)，推薦了溫控措施綜合方案。研究結(jié)果可為拱壩混凝土溫控設(shè)計、施工提供參考。

關(guān)鍵詞：拱壩;混凝土;溫控;防裂;雅礱江;楊房溝水電站

中圖法分類號：TV642.4文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.006

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0031 - 04

1 工程背景

楊房溝水電站是我國首座采用EPC總承包模式建設(shè)的百萬千瓦級大型水電工程。工程位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段，控制流域面積8.088萬km2，多年平均流量896 m3/s，年徑流量282.76億m3。楊房溝水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。水庫總庫容為5.125億m3，正常蓄水位2 094 m。電站總裝機容量為150萬kW，保證出力52.33萬kW，多年平均發(fā)電量為68.557億kW·h。楊房溝水電站為I等工程，工程規(guī)模為大（1）型。樞紐主要建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩高155 m;泄洪消能建筑物由壩身表孔+中孔+壩后水墊塘及二道壩組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。引水發(fā)電系統(tǒng)布置于河道左岸山體內(nèi)，地下廠房采用首部開發(fā)方式，尾水洞出口布置在楊房溝溝口上游側(cè)[1]。

楊房溝水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，壩高155 m。拱冠梁頂厚9 m、底厚32 m，厚高比0.206;最大拱端厚度34.96 m，最大中心角87.01°。壩頂中心線弧長362.17 m，弧高比2.34，共分為18個壩段。楊房溝水電站拱壩壩體混凝土約80.22萬m3，方量巨大，混凝土溫控防裂要求高。

裂縫是長期困擾混凝土壩安全的難題之一。大壩裂縫會降低大壩的整體性與耐久性，裂縫處理還會耽誤工期，嚴(yán)重的裂縫甚至影響大壩安全。雖然我國已成為混凝土高壩建設(shè)大國，但仍面臨“無壩不裂”的困局，西南某拱壩還曾出現(xiàn)了大規(guī)模的溫度裂縫[2-4]。因此，研究楊房溝水電站拱壩混凝土的溫控特點，并提出合理的溫控標(biāo)準(zhǔn)與溫控措施，對于保證混凝土質(zhì)量與大壩結(jié)構(gòu)安全意義重大。

2 氣象特征

雅礱江流域地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候區(qū)，主要受高空西風(fēng)環(huán)流和西南季風(fēng)影響，干、濕季分明。流域內(nèi)多年平均氣溫-4.9 ℃～19.7 ℃。楊房溝水電站壩址區(qū)每年11月至次年3月為旱季，旱季降水少、日照多、濕度小、日溫差大;4～10月為雨季，降雨量約占全年的97%以上，雨季氣溫高、濕度大、日照少、日溫差小。

基于壩址氣候特征，楊房溝水電站拱壩混凝土溫控主要有以下特點：

（1） 壩區(qū)夏季溫度較高，混凝土澆筑需要采取骨料預(yù)冷、水管冷卻等措施，才能控制混凝土的溫度不超標(biāo)。冬季月平均氣溫7.9 ℃～12.0 ℃，混凝土入倉溫度低、散熱條件好，因此冬季澆筑有助于防止危害性裂縫的發(fā)生。

（2） 氣溫日變幅大及氣溫驟降是混凝土產(chǎn)生表面裂縫的重要原因[5]，楊房溝水電站壩址區(qū)年平均氣溫驟降情況頻發(fā)，混凝土表面防裂問題突出。

（3） 壩址區(qū)干濕季節(jié)變化分明。冬季干燥、日照多、溫差大，需要加強混凝土養(yǎng)護，防止混凝土干裂;夏季氣溫高、多雨，需要做好混凝土雨季澆筑的倉面降溫及防水工作。

3 混凝土材料特性

拱壩壩體采用兩種不同強度等級的混凝土，分別為 C9030、 C9025?；炷敛捎?2.5 MPa中熱水泥、宣威Ⅰ級粉煤灰、花崗閃長巖骨料，混凝土材料參數(shù)如表1所示。表1中，t為齡期，d。

4 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

4.1 穩(wěn)定溫度場

拱壩穩(wěn)定溫度場是指壩體運行期最終的平均溫度場。拱壩建成水庫蓄水后，壩體年平均溫度逐漸趨于穩(wěn)定。采用有限元法對拱冠梁剖面壩體及基巖進行計算分析，確定其穩(wěn)定溫度場，計算結(jié)果見圖1。

4.2 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)拱壩的穩(wěn)定溫度場，采取適度低溫封拱，封拱溫度可采用12 ℃～15 ℃，自下而上沿高程分布，基礎(chǔ)容許溫差控制標(biāo)準(zhǔn)見表2，內(nèi)外溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為17℃。由拱壩的封拱溫度加基礎(chǔ)容許溫差，并參考工程經(jīng)驗，確定混凝土施工期最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)為：基礎(chǔ)強約束區(qū)不超過29 ℃、基礎(chǔ)弱約束區(qū)不超過31 ℃、自由區(qū)不超過33 ℃（表3）。冬季低溫月份考慮內(nèi)外溫差的控制，最高溫度適當(dāng)降低。

5 混凝土溫控防裂措施研究

5.1 澆筑溫度選擇

混凝土澆筑溫度是指混凝土經(jīng)過平倉振搗后，覆蓋上層混凝土前，在距混凝土5～10 cm深處的溫度。澆筑溫度是控制混凝土最高溫度的關(guān)鍵因素之一。結(jié)合楊房溝水電站壩址氣候條件，根據(jù)其他工程經(jīng)驗，擬定不同澆筑溫度方案，經(jīng)過仿真計算，可分析不同澆筑溫度時大壩的最高溫度及應(yīng)力狀態(tài)，以6，10號壩段分別代表陡坡壩段、河床壩段[6-7]，不同澆筑溫度時的壩體溫控計算結(jié)果見表4。

由表4分析可知，澆筑溫度增加2.0 ℃后，最高溫度增加約1.1 ℃～1.4 ℃，約束區(qū)最大應(yīng)力增加約0.1 MPa，安全系數(shù)有所降低，符合一般規(guī)律。根據(jù)計算成果，結(jié)合工程規(guī)模與施工條件，大壩基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑溫度可采用15 ℃～17 ℃，自由區(qū)不超過19 ℃。

5.2 水管冷卻措施研究

混凝土壩施工一般要求連續(xù)、有序地進行，以充分利用混凝土的強度和徐變發(fā)展，即在混凝土緩慢降溫期間，在一定的施工時段，將逐步積累的溫度應(yīng)力在混凝土徐變過程中逐步釋放。隨著混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展和對混凝土溫控認(rèn)識的進步，對于高混凝土壩，冷卻分期需采用“小溫差、早冷卻、緩慢冷卻”的方式[8]，即在早齡期開始冷卻，一期冷卻與二期冷卻可連接起來，并提前進行二期冷卻，采用連續(xù)冷卻延長總冷卻時間，使水溫由高到低逐步降低。由于采用小溫差、延長冷卻時間，徐變可充分發(fā)揮，顯著減小溫度應(yīng)力。具體操作如下。

大壩水管冷卻分3期進行[9-10]，一期冷卻在澆筑混凝土?xí)r即開始，主要目的是削減水化熱溫升，降低混凝土最高溫度;中期冷卻在一期冷卻結(jié)束后開始，以控溫為主，主要目的是防止一期冷卻結(jié)束后混凝土溫度快速回升，避免加大二期冷卻的降溫差;二期冷卻在封拱灌漿開始，以將混凝土溫度降低至封拱溫度。

（1）水管間距敏感性分析。為了采用合理的冷卻水管布置方案，分別計算了幾種水管間距方案的混凝土溫度控制和應(yīng)力情況，成果見表5。冷卻水溫按10 ℃，冷卻水管間距每加密0.5 m，混凝土的最高溫度相應(yīng)可減小1.0 ℃～1.5 ℃。冷卻水管間距采用1.5 m×1.5 m時，抗裂安全系數(shù)達到1.80，而增大水管間距至1.5 m×2.0 m時，應(yīng)力增大至1.75 MPa，安全系數(shù)明顯降低。

（2）冷卻水溫敏感性分析。選用合適的冷卻水溫，既能達到冷卻效果，又能降低溫控費用、提高通水冷卻經(jīng)濟性。冷卻水管間距采用1.5 m×1.5 m時，分別采用10 ℃、12 ℃、15 ℃幾個水溫方案，研究不同冷卻水溫時壩體混凝土的最高溫度及應(yīng)力情況，計算結(jié)果見表6。結(jié)果表明，一期冷卻水溫每降低1.0 ℃，最高溫度可降低約0.2 ℃。一期冷卻水溫采用10 ℃時抗裂安全系數(shù)最高，為1.80，采用12 ℃時抗裂安全系數(shù)為1.78，采用15 ℃時抗裂安全系數(shù)為1.73，建議一期冷卻水溫采用10 ℃。

（3）中期冷卻目標(biāo)溫度敏感性分析。由于混凝土降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力直接與溫度降幅、降溫速率相關(guān)，為研究3個降溫階段合理的降溫幅度，擬定幾種不同的中期冷卻溫度目標(biāo)溫度，計算各方案的混凝土拉應(yīng)力狀態(tài)與抗裂安全性，分析中期冷卻目標(biāo)溫度的敏感性。由于二期冷卻末期是混凝土拉應(yīng)力水平最高、安全系數(shù)最小的時期，故重點分析二期冷卻末期混凝土的應(yīng)力情況，計算結(jié)果見表7。中期冷卻目標(biāo)溫度不同，導(dǎo)致的二期冷卻降溫幅度每增加1 ℃，二期冷卻末期的拉應(yīng)力就會增大約0.05 MPa。推薦基礎(chǔ)強約束區(qū)目標(biāo)溫度采用20 ℃，弱約束區(qū)和自由區(qū)目標(biāo)溫度采用22 ℃。

5.3 混凝土溫度場溫度應(yīng)力仿真分析

分析各溫控措施組合情況下大壩混凝土的溫控狀態(tài)。對典型壩段進行施工期全過程仿真計算分析[6-7]。計算采用中國水利水電科學(xué)研究院開發(fā)的程序SAPTIS[10]，三維有限元模型見圖2。

經(jīng)仿真計算，基礎(chǔ)強約束區(qū)、弱約束區(qū)、自由區(qū)的最大順河向應(yīng)力分別為1.36，0.94，1.28 MPa，均發(fā)生在該部位二期冷卻到封拱溫度時，抗裂安全系數(shù)分別為2.24，3.23，2.20。大壩表面最大軸向應(yīng)力1.38 MPa，安全系數(shù)為2.20，均滿足混凝土抗裂要求。

6 結(jié) 語

楊房溝水電站為我國首座采用EPC總承包模式建設(shè)的百萬千瓦級大型水電工程，高拱壩混凝土溫控防裂要求高，經(jīng)溫控計算研究，大壩混凝土最高溫度采用如下標(biāo)準(zhǔn)較為合適（分高溫、低溫季節(jié)）：強約束區(qū)按27℃～29 ℃、弱約束區(qū)按27 ℃～32 ℃、自由區(qū)按27℃～33 ℃控制。推薦溫控措施主要有：控制混凝土澆筑溫度為15 ℃～19 ℃;水管分三期通水冷卻，水管間距1.5 m×1.5 m，并加強混凝土養(yǎng)護與表面保護。經(jīng)仿真計算分析，混凝土具有較高的抗裂安全系數(shù)，滿足抗裂設(shè)計要求。

參考文獻：

[1] 徐建軍，殷亮. 楊房溝水電站樞紐布置設(shè)計及主要工程技術(shù)[J]. 人民長江，2018，49（24）：49-54.

[2] 劉毅，張國新. 混凝土壩溫控防裂要點的探討[J]. 水利水電技術(shù)，2014（1）：77-83.

[3] 馬洪琪.? 小灣水電站建設(shè)中的幾個技術(shù)難題[J]. 水力發(fā)電，2009，35（9）：17-21.

[4] 張國新，劉有志，劉毅，等.? 特高拱壩施工期裂縫成因分析與溫控防裂措施討論[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2010，29（5）：45-51.

[5] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京：中國電力出版社，1999.

[6] 華東勘測設(shè)計研究院. 楊房溝水電站可行性研究階段壩體混凝土溫控防裂專題報告[R].? 杭州：華東勘測設(shè)計研究院，2012.

[7] 中國水利水電科學(xué)研究院. 楊房溝水電站可行性研究階段大壩施工期、運行期混凝土溫控研究[R].? 北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2011.

[8] 朱伯芳.? 小溫差早冷卻緩慢冷卻是混凝土壩水管冷卻的新方向[J]. 水利水電技術(shù)，2009，40（1）：44-50.

[9] 張國新，劉毅，李松輝，等. “九三一”溫度控制模式的研究與實踐[J]. 水力發(fā)電學(xué)報，2014（2）：179-184.

[10] 張國新. SAPTIS：結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之一）[J]. 水利水電技術(shù)，2013（1）：31-35.

（編輯：李 慧）