楊房溝拱壩混凝土溫度控制措施優(yōu)化

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）

1 問(wèn)題的提出

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。

2 工程概況

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

3 溫控要求

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

4 溫控措施優(yōu)化

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 原材料選擇

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。

4.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

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。

4.3 通水冷卻過(guò)程優(yōu)化

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。

5 結(jié) 語(yǔ)

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。