楊房溝拱壩混凝土溫度控制措施優(yōu)化

何展國，張立新，徐建軍，楊 磊

（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）

1 問題的提出

混凝土拱壩作為重要的擋水建筑物，需承擔較大的水頭壓力。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；壩體運行期穩(wěn)定溫度場隨庫內(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，混凝土抗拉強度隨著齡期緩慢增長，混凝土冷卻降溫過程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力應(yīng)小于同時刻的混凝土抗拉強度，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)的時點和數(shù)值大小受出機口溫度，膠凝材料水化反應(yīng)產(chǎn)熱速率和總量，拌和、運輸、澆筑、養(yǎng)護過程中內(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、配合比設(shè)計及優(yōu)化、混凝土拌和、運輸、澆筑、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)一般分多個標段，由多家單位實施，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，無法充分考慮經(jīng)濟性?；炷两禍剡^程中，通水冷卻一般由人工負責調(diào)控，調(diào)控效率、準確性、及時性均難以保證。

楊房溝水電站采用設(shè)計、采購、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立的標段間協(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)都服從于項目經(jīng)理的統(tǒng)一指揮，設(shè)計、采購與施工三者成為利益共同體，實現(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施過程，總承包單位統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、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指標滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，取得較好的經(jīng)濟效益。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。混凝土拱壩共設(shè)置16 條橫縫、17 個壩段，橫縫采取“一刀切”的鉛直平面，橫縫間距18.7～23.0 m，橫縫長度9.0～34.9 m。橫縫內(nèi)設(shè)鍵槽，并埋設(shè)灌漿系統(tǒng)進行接縫灌漿。采用分層法進行拱壩混凝土澆筑，分層厚度主要為3.0，4.5 m。

拱壩混凝土總量約86.06 萬m3。表孔、中孔結(jié)構(gòu)部位混凝土采用28 d 齡期強度混凝土，混凝土方量約為11.20 萬m3，其余部位采用180 d 齡期強度混凝土。水泥用量約為11.8 萬t，粉煤灰用量約為5.5 萬t。楊房溝拱壩混凝土配合比見表1。

表1 楊房溝拱壩混凝土配合比表

3 溫控要求

根據(jù)運行期水庫水深—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準（見表3）。

表3 楊房溝拱壩不同約束區(qū)混凝土最高溫度控制標準表 ℃

根據(jù)拱壩混凝土溫控防裂特點，將混凝土通水冷卻降溫過程分一期冷卻、中期冷卻和二期冷卻共3 期進行，各期溫度控制過程見圖1。

圖1 大壩混凝土分期冷卻降溫過程示意圖

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、采購、施工一體化的特點，在原材料選擇、精細化設(shè)計及通水冷卻過程3 方面進行優(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程中的最高溫度控制和接縫灌漿前的有序降溫控制。為實現(xiàn)有序降溫，需在混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管，通水冷卻進行降溫。根據(jù)國內(nèi)已實施的拱壩工程經(jīng)驗，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)中國水利水電科學研究院編制的“大壩混凝土溫控仿真復(fù)核研究”報告和國內(nèi)類似拱壩工程經(jīng)驗，水泥基膠凝材料采用低熱硅酸鹽水泥時，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，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)計要求。

楊房溝工程拱壩混凝土在原材料選擇時，進行3 種方案的比選，結(jié)果見表4。經(jīng)過比選，選擇方案1，可節(jié)約投資300.0 萬元以上。

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t。粉煤灰材料選擇時進行Ⅰ級粉煤灰（方案1）和Ⅱ級粉煤灰（方案2）2 種方案的比選。Ⅰ級粉煤灰需水量比為94.0%，價格約為346 元/t，Ⅱ級粉煤灰需水量比為98.5%，價格約為276 元/t。方案1 粉煤灰價格高于方案2，水泥用量低于方案2，考慮水泥、粉煤灰的數(shù)量和價格因素后，2 種方案的混凝土單價差異不大。方案1 相對于方案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級粉煤灰。

4.2 設(shè)計優(yōu)化

楊房溝工程拱壩混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，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，中間通過水平廊道連通。為縮短樓梯壩段備倉時間，減小各倉之間的間歇期，提高澆筑效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計時，樓梯板和樓梯梁均采用預(yù)制結(jié)構(gòu)（見圖2），在樓梯間側(cè)壁設(shè)置預(yù)留槽，施工過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。通過該優(yōu)化，樓梯壩段備倉時間由原來的12 d縮短至8 d，縮短間歇期，降低新老混凝土溫差；單倉澆筑時長縮短20%以上，降低混凝土澆筑過程中的溫度回升；樓梯梁、板實現(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，無法采用機械設(shè)備進行平倉和振搗施工，平倉和振搗全部由人工進行。設(shè)計階段，在保證受力鋼筋面積不變的情況下，適當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到50 cm以上，為大功率振搗器的使用創(chuàng)造條件，人工平倉振搗區(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 通水冷卻過程優(yōu)化

混凝土通水冷卻環(huán)節(jié)實施過程中，根據(jù)混凝土溫控監(jiān)測成果，對比國內(nèi)類似拱壩工程，從以下方面進行優(yōu)化。

4.3.1 采用智能溫控系統(tǒng)進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)無法及時采集、匯總、分析，本工程采用中國水利水電科學研究院開發(fā)的“智能溫控系統(tǒng)”進行全過程智能化調(diào)控。該系統(tǒng)實施采集、傳輸溫控信息，經(jīng)系統(tǒng)自動分析，自動調(diào)節(jié)冷卻通水流量，從而實現(xiàn)混凝土溫度有序控制。采用智能溫控系統(tǒng)，各項溫控指標控制成果均滿足設(shè)計要求。雖然直接費用投入相比人工控制方式增加約20%，綜合考慮溫控指標合格率、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。

4.3.2 通水水溫的優(yōu)化調(diào)整

混凝土通水冷卻過程中，結(jié)構(gòu)部位混凝土一般2～4 d 達到最高溫度，非結(jié)構(gòu)部位混凝土一般4～6 d 達到最高溫度，一期冷卻過程中用于控制最高溫升過程的通水時長較短，費用占比較小?？紤]到不同部位混凝土溫度特性差異，根據(jù)實施過程中的混凝土溫度曲線，對一期通水調(diào)控過程做以下調(diào)整：結(jié)構(gòu)部位一期冷卻溫度以最高溫度出現(xiàn)2 d 時點為界，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，降溫過程更為平緩，未出現(xiàn)降溫速率超標的情況，符合小溫差早冷卻、緩慢冷卻的特點[6]。通水冷卻過程中，低溫水用量占比下降有利于降低冷水機組功耗和沿途熱量損失，節(jié)約施工用電投入。

5 結(jié) 語

楊房溝拱壩混凝土施工過程中，在采取出機口、混凝土入倉、澆筑、養(yǎng)護、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、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?；炷粮黜棞乜刂笜司鶟M足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，節(jié)約工程投資300.0 萬元以上，取得良好的經(jīng)濟效益。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。