西藏高海拔碾壓混凝土筑壩溫控防裂技術(shù)與實(shí)踐

姜順宏 熊 濤

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081)

自20世紀(jì)80年代起，碾壓混凝土筑壩技術(shù)因其造價低、工期短等優(yōu)勢在中國得到廣泛研究和快速推廣，但至今碾壓混凝土壩的溫控防裂仍是壩工界研究的重要課題。

雖然從20世紀(jì)30年代開始，碾壓混凝土壩的溫控防裂就已經(jīng)發(fā)展并形成一整套的理論體系，但國內(nèi)外仍然存在“無壩不裂”的現(xiàn)象[1]。大體積碾壓混凝土裂縫產(chǎn)生的原因：一是內(nèi)外溫差大使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生溫度裂縫；二是外界的濕度降低加速了混凝土的干縮，導(dǎo)致混凝土干縮裂縫的產(chǎn)生[2]。烏東德水電站與豐滿水電站大壩針對溫控防裂采取了智能通水溫控系統(tǒng)，取得了良好的效果，保證了工程質(zhì)量[3-4]。溪洛渡水電站、拉西瓦水電站、小灣水電站以及龍灘水電站大壩針對工程氣候條件，通過一系列的控溫控濕措施的研究，避免了危害性裂縫的發(fā)生[5-8]，三峽大壩提出并應(yīng)用“個性化”通水冷卻方案,混凝土施工監(jiān)控實(shí)施天氣預(yù)警、溫度控制預(yù)警及間歇期預(yù)警制度,以及細(xì)化的綜合防裂措施,取得了顯著成效[9]。

大古水電站地處高海拔干冷河谷地區(qū)，氣候條件惡劣，大壩溫控防裂難度更大，技術(shù)措施及手段更需要有針對性。

1 工程概況

大古水電站位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi)，為Ⅱ等大(2)型工程，以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位3447.00m，相應(yīng)庫容0.5528億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2。多年平均流量1010m3/s，電站裝機(jī)容量660MW。電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，共有17個壩段，壩體為全斷面碾壓混凝土，上游防滲采取變態(tài)混凝土+二級配碾壓混凝土防滲，防滲區(qū)從下至上厚度依次為5m、3.5m、2m。壩頂高程3451.00m，最大壩高117m，壩頂長385m，大壩碾壓混凝土93.7萬m3，常態(tài)混凝土50.5萬m3[10]。

2 壩址氣候特征

本工程位于青藏高原氣候區(qū)，基本特性為氣溫低、空氣稀薄、紊亂強(qiáng)風(fēng)、氣候干燥、晝夜溫差大、太陽輻射強(qiáng)烈(>1500W/m2)。每年11月至次年4月為旱季，5—10月為雨季。本地區(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℃。多年平均降水量527.4mm，多年平均蒸發(fā)量為2084.1mm，多年平均相對濕度為51%。最低相對濕度不足10%，多年平均氣壓為685.5hPa，歷年最大定時風(fēng)速為19.0m/s，多年平均日照時數(shù)為2605.7h，歷年最大凍土深度為19cm[11]。

3 高海拔碾壓混凝土筑壩面臨溫控防裂的挑戰(zhàn)

壩址所在地氣候條件對壩體的溫控防裂極為不利。主要體現(xiàn)如下： ?新澆混凝土外表面受太陽強(qiáng)輻射、大風(fēng)、干燥的氣候特點(diǎn)影響，表面水分散失極快，易在混凝土表面形成拉應(yīng)力，從而引起混凝土開裂，導(dǎo)致表面干縮裂縫；?新澆混凝土水分蒸發(fā)快，產(chǎn)生體積收縮時受老混凝土面的約束，易產(chǎn)生裂縫；?晝夜溫差大，且溫度驟降頻率高，混凝土在達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)之前，水化溫升溫降階段，內(nèi)部溫度高，導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大，易導(dǎo)致溫度裂縫發(fā)生。

為確保工程質(zhì)量，從混凝土配合比、原材料、通水冷卻、運(yùn)輸及澆筑過程溫度回升控制措施、壩面保溫保濕、越冬保溫等整個工序，開展溫控防裂關(guān)鍵技術(shù)研究，總結(jié)出適合高海拔地區(qū)的溫控防裂技術(shù)。

4 溫控防裂設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)

大壩碾壓混凝土溫控防裂設(shè)計技術(shù)要求如下：

a.大壩準(zhǔn)穩(wěn)定溫度：10℃。

b.入倉溫度：控制不超過12℃。

c.基礎(chǔ)容許溫差ΔT：強(qiáng)約束區(qū)小于12℃，弱約束區(qū)小于14.5℃。

d.新老混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)：碾壓混凝土不大于13℃。老混凝土面以上新澆混凝土應(yīng)短間歇均勻連續(xù)上升，避免再次出現(xiàn)老混凝土。

e.壩體碾壓混凝土內(nèi)外溫差：控制不超過16℃。

f.設(shè)計容許最高溫度：碾壓混凝土容許最高溫度[Tmax]：強(qiáng)約束區(qū)不大于22℃，弱約束區(qū)不大于25℃，自由區(qū)不大于28℃。

5 溫控防裂技術(shù)

根據(jù)裂縫成因，針對本地區(qū)特殊氣候條件，大壩溫控防裂主要從以下幾方面進(jìn)行控制。

5.1 混凝土配合比

根據(jù)澆筑時段、氣候條件及原材料性能參數(shù)確定混凝土的原材組成比例，優(yōu)化混凝土配合比，配制出抗裂能力高、水化熱相對低、最優(yōu)VC值和良好可碾性、泛漿性的混凝土。

a.采用中熱硅酸鹽水泥：放緩混凝土早期的強(qiáng)度增長速度，利于混凝土內(nèi)部溫度的控制。

b.齡期：采用90天設(shè)計齡期。

c.加大粉煤灰摻量：在保證混凝土強(qiáng)度的前提下最大程度加大粉煤灰的摻量，降低混凝土絕熱溫升。

d.VC值：碾壓混凝土VC值極易受高海拔地區(qū)特有的強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜大溫差、干燥、大風(fēng)等環(huán)境影響。對于VC值控制不能以同一個標(biāo)準(zhǔn)對待，而應(yīng)隨每天各個不同時段的溫度、濕度、日照、風(fēng)速等條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。從2019年總結(jié)數(shù)據(jù)看，早晨和夜晚溫度相對較低，濕度較高，倉面VC值宜控制在1～2s；當(dāng)午后氣溫不低于25℃，且受太陽直射時，倉面VC值損失較快，在初凝時間變短的情況下，VC值宜控制在0～3s。倉面施工按照不陷碾，VC值取小值的原則控制。

e.坍落度：常態(tài)混凝土宜采用低坍落度，以降低膠凝材料用量。

f.變態(tài)混凝土：采用機(jī)拌變態(tài)工藝取代人工加漿工藝，避免人工加漿容易導(dǎo)致過量從而帶來混凝土水化熱增加，同時更有利于防滲區(qū)變態(tài)混凝土層間結(jié)合質(zhì)量。

g.石粉含量：最佳石粉含量為20%，宜將石粉含量控制在20%±2%。

本工程采用的碾壓混凝土配合比和每方材料用量見表1～表2。

表1 碾壓混凝土配合比

表2 每方材料用量 單位：kg/m3

5.2 原材料及半成品溫控措施

a.成品料倉(粗細(xì)骨料)均采取遮陽保溫措施，堆高均大于6m，采用地籠取料，以減小骨料溫度受晝夜溫差及極端天氣情況的影響，低溫季節(jié)不至于凍結(jié)、堆料中下部骨料溫度不低于3℃。

b.增加砂的脫水時間，減少砂含水率，以便于能夠多加冰或制冷水。

c.混凝土拌和加冰或加制冷水。粗骨料、砂、加冰量是影響混凝土出機(jī)口溫度的主要因素。根據(jù)2019年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，粗骨料或砂溫度上升1.0℃，碾壓混凝土溫度上升0.30～0.52℃；每加1.0kg冰，碾壓混凝土溫度降0.17～0.20℃。因此在混凝土生產(chǎn)過程中，需嚴(yán)格控制好粗骨料的風(fēng)冷效果，盡量加冰或加制冷水。

5.3 運(yùn)輸過程中溫度回升控制

a.選擇合理的入倉方式，減少轉(zhuǎn)運(yùn)。本工程壩體2/3的碾壓混凝土均采用自卸汽車直接入倉，確保入倉強(qiáng)度的同時減少了溫度回升[12]。

b.運(yùn)輸?shù)缆芬瞬捎秒p車道，不具備雙車道入倉條件的在合適位置設(shè)置錯車道并安排專人調(diào)度指揮，以提高混凝土運(yùn)輸車輛的效率，縮短混凝土運(yùn)輸及等待卸料時間[12]。

c.自卸汽車、管道等混凝土運(yùn)輸設(shè)備全部采取在外壁貼3cm厚橡塑海綿進(jìn)行保溫，混凝土運(yùn)輸自卸車頂部加設(shè)保溫活動式遮陽棚。

d.拌和站至碾壓混凝土倉面運(yùn)輸距離不超過1.6km。

通過以上措施，出機(jī)口溫度至入倉溫度的回升能夠控制在2℃以內(nèi)。

5.4 澆筑過程中溫度回升控制

a.入倉后及時進(jìn)行攤鋪、碾壓，充分提高混凝土澆筑強(qiáng)度，最大限度地縮短層間間隔時間。碾壓混凝土層間間隔時間控制在6h內(nèi)，高溫季節(jié)通過合理分倉，減小倉面面積，將壩段分成若干塊進(jìn)行平層鋪筑法施工，層間間隔時間控制在4h內(nèi)。

b.碾壓后的條帶(包括振搗完成的變態(tài)混凝土)，及時采用淺色彩條布或薄膜覆蓋進(jìn)行保溫保濕，在下一層混凝土覆蓋前才允許揭開。

c.制造倉面小氣候，采用噴霧機(jī)、沖毛機(jī)對倉面進(jìn)行噴霧，形成局部小氣候，對已完成碾壓進(jìn)行覆蓋的區(qū)域同樣要進(jìn)行噴霧。

d.大壩懸臂翻升鋼模板背部粘貼10cm厚聚苯乙烯板進(jìn)行模板保溫。

e.大壩地處峽谷，強(qiáng)日照發(fā)生在下午時段，因此冷卻水管在夜間或者上午鋪設(shè)，避開下午高溫及太陽直射時段施工冷卻水管層碾壓混凝土，冷卻水管層高布置可在設(shè)計布置高程上下30cm進(jìn)行調(diào)整。

通過以上措施，入倉溫度至澆筑溫度的回升能夠控制在2℃以內(nèi)。

5.5 混凝土成型后保溫保濕

a.表面覆蓋保濕、灑水降溫。混凝土澆筑完畢后，混凝土表面采用土工布、彩條布或塑料薄膜進(jìn)行灑水覆蓋養(yǎng)護(hù)，使混凝土表面保持長時間濕潤，且在高溫季節(jié)起到很好的散熱效果。

b.立面養(yǎng)護(hù)。拆模選擇在白天高溫時段進(jìn)行，拆模一塊區(qū)域，保溫保濕工藝及時跟進(jìn)。壩體橫縫面拆模后采用橡塑海綿保溫，根據(jù)壩體上升情況，下一倉面澆筑前才能沿高程逐段拆除。上下游立面養(yǎng)護(hù)結(jié)合越冬保溫措施一次成型。

大壩混凝土保溫原設(shè)計為粘貼聚苯乙烯保溫板，受強(qiáng)風(fēng)影響，聚苯乙烯板存在脫落現(xiàn)象，同時粘貼的苯乙烯板中間不可避免地存在縫隙，導(dǎo)致在太陽輻射及強(qiáng)風(fēng)的作用下，混凝土表面極易失水干燥，使保溫保濕效果變差。

通過保溫保濕工藝試驗(yàn)對比，創(chuàng)新出新型壓條式保溫保濕工藝(見圖1)：噴水花管+PC薄膜+橡塑海綿+三防布+定制壓條+螺栓固定，同時驗(yàn)證了該工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.該工藝的保溫保濕效果滿足設(shè)計要求，能夠保證混凝土內(nèi)外溫差不大于16℃，混凝土表面濕度可達(dá)到95%以上，確保了混凝土表面保溫保濕效果，有效避免了混凝土表面溫度裂縫及干縮裂縫的發(fā)生。

b.該工藝的保溫保濕材料均屬于柔性材料，能夠搭接；且采用壓條及螺栓固定，強(qiáng)風(fēng)條件下也不會導(dǎo)致脫落；拆除后無膠水附著物，外觀美觀，不需要對壩面二次清理；各部件材料回收方便，能夠二次利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。壓條式保溫保濕工藝見圖1。

圖1 壓條式保溫保濕工藝示意圖

5.6 智能通水冷卻，降低混凝土內(nèi)部溫度

冷卻用水水池及干支管均采用3cm厚橡塑海綿保溫材料包裹，采用雪山融水作為壩體冷卻用水，雪山融水高溫季節(jié)水溫5～10℃，低溫季節(jié)水溫1～5℃，大壩在越冬期間氣溫達(dá)到0℃以下時，停止通水。

在冷卻水管鋪設(shè)時，在壩后設(shè)置預(yù)留鍵槽與預(yù)埋PPR管(見圖2)，可保證通水過程不受施工干擾，在水管鋪設(shè)之后第一時間實(shí)現(xiàn)通水，而后利用智能溫控系統(tǒng)對大壩混凝土進(jìn)行智能通水，通過削弱碾壓混凝土強(qiáng)度增長的溫度峰值來實(shí)現(xiàn)大壩溫控防裂。

圖2 預(yù)留鍵槽實(shí)施效果

對上下游變態(tài)混凝土區(qū)域的冷卻水管進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用堋?/p>

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部降溫速率評價信息，降溫速率整體控制較好，整體控制在0.3～0.5℃/d內(nèi)，見圖3。且根據(jù)內(nèi)部溫度計監(jiān)測統(tǒng)計成果，總體合格率達(dá)90%以上。

圖3 2019年12號壩段高程3363.80m智能溫控效果監(jiān)測情況

5.7 越冬保溫

混凝土在冬歇期(12月至次年2月)暫停施工，對越冬保溫材料按照壩體上游下游表面、壩體側(cè)面、壩體長間歇面、壩體孔洞，根據(jù)氣候特征及保溫要求進(jìn)行措施劃分，并與技術(shù)要求措施進(jìn)行對比，見表3。

表3 越冬保溫措施與原技術(shù)要求對比

三防布主要功能為防止大風(fēng)、降雨、降雪融水進(jìn)入壩體內(nèi)，同時具備防火功能，避免工區(qū)火災(zāi)事故的發(fā)生。

表面壓重：由于低溫季節(jié)峽谷風(fēng)大，保溫保濕材料容易被風(fēng)掀開，影響保溫保濕效果，故將腳手架管和扣件連接成整體形成2m×2m的網(wǎng)格狀，該壓重方式安裝和拆除方便。

2019—2020年冬歇期在大壩上下游表面、壩段立面及越冬水平面布置了17臺溫濕度記錄儀用于越冬保溫效果監(jiān)測，典型部位的溫控效果見圖4～圖5。

圖4 6號壩段混凝土表面溫濕度數(shù)據(jù)曲線

圖5 7號壩段混凝土內(nèi)部溫度、表面溫度、大氣溫度數(shù)據(jù)曲線

監(jiān)測成果表明，混凝土表面溫濕度及溫度梯度呈現(xiàn)較好的效果，均滿足設(shè)計溫控指標(biāo)，避免了表面干縮裂縫、溫度裂縫等的產(chǎn)生，采用該越冬保溫方式效果良好。

6 結(jié) 語

通過在高海拔復(fù)雜氣候條件下開展的大壩溫控防裂技術(shù)研究與實(shí)踐，對效果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

a.通過從原材料到混凝土成型后的溫控及養(yǎng)護(hù)措施，有效保證了混凝土內(nèi)外溫差在設(shè)計指標(biāo)內(nèi)，減少乃至避免了裂縫發(fā)生，積累的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)極具借鑒推廣意義。

b.混凝土智能溫控系統(tǒng)在溫控防裂中起到了關(guān)鍵性作用，節(jié)省了施工成本，在保證冷卻通水效率、混凝土溫控指標(biāo)的同時，降低了施工差錯率，提高了施工保證率，大幅減小乃至避免了裂縫產(chǎn)生，積累的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)極具借鑒推廣意義。

c.高海拔地區(qū)溫控防裂技術(shù)有效地防止了大壩溫度裂縫的出現(xiàn)，解決了碾壓混凝土筑壩關(guān)鍵技術(shù)難題。在2019—2020年冬歇期后揭開保溫被，未發(fā)現(xiàn)裂縫，得到建設(shè)單位的高度認(rèn)可。

d.通過對溫控防裂技術(shù)的實(shí)踐與總結(jié)，為大壩混凝土質(zhì)量提供了有力保障，同時掌握了青藏高原地區(qū)碾壓混凝土筑壩溫控防裂技術(shù)，對雅魯藏布江流域后續(xù)水電開發(fā)具有重要的借鑒意義。