何展國(guó),張立新,徐建軍,楊 磊
(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)
混凝土拱壩作為重要的擋水建筑物,需承擔(dān)較大的水頭壓力。壩體高度一般較高,各壩段壩基底高程變化范圍較大,壩體受力較為復(fù)雜。壩體一般采用薄層澆筑方式,各層之間存在5 d 以上的澆筑間歇,各層混凝土存在溫度梯度差;壩體運(yùn)行期穩(wěn)定溫度場(chǎng)隨庫(kù)內(nèi)水深變化而變化,上部高下部低且穩(wěn)定溫度一般低于15 ℃。拱壩混凝土冷卻降溫過(guò)程中,在基礎(chǔ)溫差、新老混凝土溫差及內(nèi)外溫差[1]作用下,壩體內(nèi)部易形成較大的溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力的大小與降溫幅度密切相關(guān)。另一方面,混凝土抗拉強(qiáng)度隨著齡期緩慢增長(zhǎng),混凝土冷卻降溫過(guò)程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力應(yīng)小于同時(shí)刻的混凝土抗拉強(qiáng)度,并應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)。因此,控制拱壩混凝土的最高溫度和降溫速率,對(duì)于混凝土防裂尤為重要。
混凝土最高溫度是混凝土總熱量的外在表現(xiàn),最高溫度出現(xiàn)的時(shí)點(diǎn)和數(shù)值大小受出機(jī)口溫度,膠凝材料水化反應(yīng)產(chǎn)熱速率和總量,拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)過(guò)程中內(nèi)部熱量的增加與耗散平衡等多重因素影響。傳統(tǒng)建設(shè)模式下,原材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化、混凝土拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)一般分多個(gè)標(biāo)段,由多家單位實(shí)施,相互之間配合難度較大,各環(huán)節(jié)采取措施的調(diào)控力度難以統(tǒng)籌考慮,在混凝土最高溫度控制時(shí),無(wú)法充分考慮經(jīng)濟(jì)性?;炷两禍剡^(guò)程中,通水冷卻一般由人工負(fù)責(zé)調(diào)控,調(diào)控效率、準(zhǔn)確性、及時(shí)性均難以保證。
楊房溝水電站采用設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工管理一體化的EPC 總承包模式,傳統(tǒng)管理模式中原本相互獨(dú)立的標(biāo)段間協(xié)調(diào)變成總承包單位內(nèi)部的協(xié)調(diào),所有管理環(huán)節(jié)都服從于項(xiàng)目經(jīng)理的統(tǒng)一指揮,設(shè)計(jì)、采購(gòu)與施工三者成為利益共同體,實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)的統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)[2]。具體到拱壩混凝土溫控實(shí)施過(guò)程,總承包單位統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料、混凝土施工等環(huán)節(jié),合理設(shè)置和調(diào)整各環(huán)節(jié)溫度控制措施,在保證混凝土溫控各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)楊房溝拱壩混凝土溫控措施優(yōu)化成果,供類似工程借鑒。
楊房溝工程擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩,壩頂高程2 102.00 m,最大壩高155.0 m?;炷凉皦喂苍O(shè)置16 條橫縫、17 個(gè)壩段,橫縫采取“一刀切”的鉛直平面,橫縫間距18.7~23.0 m,橫縫長(zhǎng)度9.0~34.9 m。橫縫內(nèi)設(shè)鍵槽,并埋設(shè)灌漿系統(tǒng)進(jìn)行接縫灌漿。采用分層法進(jìn)行拱壩混凝土澆筑,分層厚度主要為3.0,4.5 m。
拱壩混凝土總量約86.06 萬(wàn)m3。表孔、中孔結(jié)構(gòu)部位混凝土采用28 d 齡期強(qiáng)度混凝土,混凝土方量約為11.20 萬(wàn)m3,其余部位采用180 d 齡期強(qiáng)度混凝土。水泥用量約為11.8 萬(wàn)t,粉煤灰用量約為5.5 萬(wàn)t。楊房溝拱壩混凝土配合比見(jiàn)表1。
表1 楊房溝拱壩混凝土配合比表
根據(jù)運(yùn)行期水庫(kù)水深—溫度曲線,壩體不同高程穩(wěn)定溫度略有差異,拱壩隨高程不同采用不同的封拱溫度(見(jiàn)表2)。
表2 楊房溝拱壩混凝土封拱溫度表
根據(jù)約束程度不同和月平均溫度差異,拱壩混 凝土采用不同的最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表3)。
表3 楊房溝拱壩不同約束區(qū)混凝土最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)表 ℃
根據(jù)拱壩混凝土溫控防裂特點(diǎn),將混凝土通水冷卻降溫過(guò)程分一期冷卻、中期冷卻和二期冷卻共3 期進(jìn)行,各期溫度控制過(guò)程見(jiàn)圖1。
圖1 大壩混凝土分期冷卻降溫過(guò)程示意圖
混凝土在采取常規(guī)溫控措施的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮EPC 模式設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工一體化的特點(diǎn),在原材料選擇、精細(xì)化設(shè)計(jì)及通水冷卻過(guò)程3 方面進(jìn)行優(yōu)化。
4.1.1 水泥選擇
拱壩混凝土溫控主要包含升溫過(guò)程中的最高溫度控制和接縫灌漿前的有序降溫控制。為實(shí)現(xiàn)有序降溫,需在混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管,通水冷卻進(jìn)行降溫。根據(jù)國(guó)內(nèi)已實(shí)施的拱壩工程經(jīng)驗(yàn),冷卻水管采用1.5 m(垂直)×1.5 m(水平)間距布置,以滿足混凝土有序降溫[3-5]。根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院編制的“大壩混凝土溫控仿真復(fù)核研究”報(bào)告和國(guó)內(nèi)類似拱壩工程經(jīng)驗(yàn),水泥基膠凝材料采用低熱硅酸鹽水泥時(shí),冷卻水管間距采用1.5 m(垂直)×1.5 m(水平)間距布置;水泥基膠凝材料采用中熱硅酸鹽水泥時(shí),冷卻水管間距加密至1.0 m(垂直)×1.0 m(水平),結(jié)構(gòu)區(qū)混凝土最高溫度均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
楊房溝工程拱壩混凝土在原材料選擇時(shí),進(jìn)行3 種方案的比選,結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)過(guò)比選,選擇方案1,可節(jié)約投資300.0 萬(wàn)元以上。
注:人工工日為90 元/d;HDPE 冷卻水管為4 元/m;低熱水泥為534 元/t;中熱水泥為476 元/t。
4.1.2 粉煤灰選擇
楊房溝拱壩混凝土粉煤灰摻量為35.0%,拱壩混凝土中粉煤灰用量約為6.3 萬(wàn)t。粉煤灰材料選擇時(shí)進(jìn)行Ⅰ級(jí)粉煤灰(方案1)和Ⅱ級(jí)粉煤灰(方案2)2 種方案的比選。Ⅰ級(jí)粉煤灰需水量比為94.0%,價(jià)格約為346 元/t,Ⅱ級(jí)粉煤灰需水量比為98.5%,價(jià)格約為276 元/t。方案1 粉煤灰價(jià)格高于方案2,水泥用量低于方案2,考慮水泥、粉煤灰的數(shù)量和價(jià)格因素后,2 種方案的混凝土單價(jià)差異不大。方案1 相對(duì)于方案2 水泥用量減少4.6%,膠凝材料總水化熱降低,更有利于混凝土最高溫度控制。因此楊房溝工程選擇方案1,即采用Ⅰ級(jí)粉煤灰。
楊房溝工程拱壩混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),在滿足結(jié)構(gòu)基本功能的前提下,充分考慮施工效率和便利性,在以下方面進(jìn)行優(yōu)化。
4.2.1 壩體內(nèi)樓梯采用裝配式結(jié)構(gòu)
楊房溝工程用于垂直通行的樓梯分為2 段,分別布置在6#和8#壩段,中間通過(guò)水平廊道連通。為縮短樓梯壩段備倉(cāng)時(shí)間,減小各倉(cāng)之間的間歇期,提高澆筑效率,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),樓梯板和樓梯梁均采用預(yù)制結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2),在樓梯間側(cè)壁設(shè)置預(yù)留槽,施工過(guò)程中樓梯井隨壩段上升,待每段樓梯井澆筑到頂后,再將預(yù)制樓梯梁、板一次性吊裝到位。通過(guò)該優(yōu)化,樓梯壩段備倉(cāng)時(shí)間由原來(lái)的12 d縮短至8 d,縮短間歇期,降低新老混凝土溫差;單倉(cāng)澆筑時(shí)長(zhǎng)縮短20%以上,降低混凝土澆筑過(guò)程中的溫度回升;樓梯梁、板實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制加工,提高施工效率和質(zhì)量,降低施工成本。
圖2 預(yù)制樓梯剖面圖 單位:cm
4.2.2 表孔、中孔閘墩牛腿部位鋼筋優(yōu)化
表孔、中孔閘墩牛腿部位需要承擔(dān)較大的施工荷載,需配置較多的受力鋼筋,鋼筋錨入拱壩拱圈內(nèi)10 m。大范圍、密集的鋼筋布置情況下,無(wú)法采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行平倉(cāng)和振搗施工,平倉(cāng)和振搗全部由人工進(jìn)行。設(shè)計(jì)階段,在保證受力鋼筋面積不變的情況下,適當(dāng)增大鋼筋直徑并采用并筋方式,保證鋼筋水平和垂直凈距均達(dá)到50 cm以上,為大功率振搗器的使用創(chuàng)造條件,人工平倉(cāng)振搗區(qū)域混凝土的坍落度由常規(guī)的90~110 mm降低為70~90 mm。降低膠凝材料約6 kg/m3,降低水化熱956 kJ/m3以上,節(jié)約成本近5 元/m3。
混凝土通水冷卻環(huán)節(jié)實(shí)施過(guò)程中,根據(jù)混凝土溫控監(jiān)測(cè)成果,對(duì)比國(guó)內(nèi)類似拱壩工程,從以下方面進(jìn)行優(yōu)化。
4.3.1 采用智能溫控系統(tǒng)進(jìn)行混凝土通水冷卻調(diào)控
楊房溝拱壩混凝土內(nèi)共預(yù)埋冷卻水管1 569套,日平均調(diào)節(jié)水管數(shù)量約為300 套,高峰時(shí)段日平均調(diào)節(jié)水管數(shù)量約450 套。采用人工控制方式,調(diào)控工作量巨大,數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)采集、匯總、分析,本工程采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的“智能溫控系統(tǒng)”進(jìn)行全過(guò)程智能化調(diào)控。該系統(tǒng)實(shí)施采集、傳輸溫控信息,經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)分析,自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻通水流量,從而實(shí)現(xiàn)混凝土溫度有序控制。采用智能溫控系統(tǒng),各項(xiàng)溫控指標(biāo)控制成果均滿足設(shè)計(jì)要求。雖然直接費(fèi)用投入相比人工控制方式增加約20%,綜合考慮溫控指標(biāo)合格率、溫控防裂效果和后期缺陷處理成本后,采用智能溫控系統(tǒng)綜合效益存在明顯優(yōu)勢(shì)。
4.3.2 通水水溫的優(yōu)化調(diào)整
混凝土通水冷卻過(guò)程中,結(jié)構(gòu)部位混凝土一般2~4 d 達(dá)到最高溫度,非結(jié)構(gòu)部位混凝土一般4~6 d 達(dá)到最高溫度,一期冷卻過(guò)程中用于控制最高溫升過(guò)程的通水時(shí)長(zhǎng)較短,費(fèi)用占比較小。考慮到不同部位混凝土溫度特性差異,根據(jù)實(shí)施過(guò)程中的混凝土溫度曲線,對(duì)一期通水調(diào)控過(guò)程做以下調(diào)整:結(jié)構(gòu)部位一期冷卻溫度以最高溫度出現(xiàn)2 d 時(shí)點(diǎn)為界,前期采用5 ℃水溫,后期采用14 ℃水溫;非結(jié)構(gòu)部位一期冷卻通水溫度由8~10 ℃直接調(diào)整為14 ℃。調(diào)整后,一期冷卻階段降溫過(guò)程中,冷卻水管通水總體上由低溫小流量調(diào)整為高溫大流量,冷卻水管進(jìn)出口溫差減小,混凝土各區(qū)域溫度更為均勻,混凝土最高溫度得到有效控制,降溫過(guò)程更為平緩,未出現(xiàn)降溫速率超標(biāo)的情況,符合小溫差早冷卻、緩慢冷卻的特點(diǎn)[6]。通水冷卻過(guò)程中,低溫水用量占比下降有利于降低冷水機(jī)組功耗和沿途熱量損失,節(jié)約施工用電投入。
楊房溝拱壩混凝土施工過(guò)程中,在采取出機(jī)口、混凝土入倉(cāng)、澆筑、養(yǎng)護(hù)、通水冷卻等常規(guī)施工溫控措施基礎(chǔ)上,統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料選擇、混凝土施工等環(huán)節(jié),合理設(shè)置和調(diào)整各環(huán)節(jié)調(diào)控措施,在確保混凝土各項(xiàng)溫控指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上,節(jié)約工程投資300.0 萬(wàn)元以上,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。本工程在拱壩混凝土溫度控制措施優(yōu)化方面的成果,為類似工程混凝土溫控措施優(yōu)化提供方向和借鑒。