渡口壩水電站拱壩混凝土溫度控制

白 偉 張志雄

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 重慶 400020)

渡口壩水電站工程位于重慶市奉節縣新政鄉梅溪河上游河段,是梅溪河梯級水電站的龍頭水庫。工程以發電為主,兼有旅游、防洪等綜合效益的Ⅲ等中型工程。水庫總庫容 9854萬 m3,屬年調節水庫。電站裝機容量 129MW,多年平均發電量4.35億 kW?h。大壩設計為拋物線形混凝土雙曲拱壩,最大壩高 108.5m,壩頂弧線長284.123m,拱冠梁底厚 20m,厚高比 0.184,弧高比 2.62。拱壩共分 16個壩段,設 3層廊道、1個電梯井,在壩頂布置 3孔 12.0m×13.0m(b×h)溢流表孔。拱壩混凝土工程量為 20.5萬 m3,工程計劃于 2011年完建。

1 設計條件

(1)氣溫。渡口壩壩址多年平均氣溫 16.8℃,極端最高氣溫 39.8℃,極端最低氣溫 -9.2℃,全年最低月平均氣溫 5.3℃,最高月平均氣溫 27.1℃。

(2)水溫。壩址區無長序列實測水溫資料,僅有 2004～2007年大壩下游康樂鎮斷面及羅漢大橋斷面表層水溫監測數據,其中多年月平均氣溫 20.6℃。

(3)混凝土施工配合比。基礎約束區混凝土強度等級為 C9025,三級配水膠比 0.5、粉煤灰摻量 30%、用水量 100kg/m3、水泥用量 140kg/m3、粉煤灰用量 60kg/m3,四級配水膠比 0.5、粉煤灰摻量 30%、用水量 80kg/m3、水泥用量 112kg/m3、粉煤灰用量 48kg/m3;除了基礎約束區均為 C9020,三級配水膠比 0.46、粉煤灰摻量 30%、用水量102kg/m3、水泥用量 155kg/m3、粉煤灰用量 67kg/m3,四級配水膠比 0.46、粉煤灰摻量 30%、用水量82kg/m3、水泥用量 125kg/m3、粉煤灰用量53kg/m3。

(4)熱學性能。水泥采用中熱水泥,粗細骨料為無堿活性的灰巖人工骨料。混凝土熱學性能采用武漢大學試驗成果。

2 壩體準穩定溫度場

2.1 水庫水溫分析

根據緯度與水溫相關關系,庫表年平均水溫值取 18.8℃,根據表層水溫監測數據擬合后,水溫年變幅為 8.4℃。考慮進水口出水擾動影響水庫水溫深度為 20m,水庫變溫層深度取 70m,庫底水溫取 13℃。下游水深較淺,水溫主要受太陽輻射熱影響,下游水面年平均水溫 17.3℃,年變幅8.4℃,下游底部年平均水溫 13.5℃。壩體下游混凝土表面年平均溫度為 19.5℃,年變幅 10.2℃。在溢流面等不受日照影響的部位,混凝土表面溫度按氣溫取值,即年平均溫度 16.8℃ ,年變幅8.4℃。壩頂及上游水面以上壩面氣溫參照下游壩面氣溫取值。

2.2 準穩定溫度場

應用三維有限元程序計算大壩運行期的準穩定溫度場。

處于水面以下的基礎強約束區混凝土準穩定溫度為 12～14℃,基礎弱約束區為 12～16℃。處于水面以上的基礎約束區混凝土內部準穩定溫度為13～17℃。壩體上下游面主要受水溫和氣溫影響,而壩體各高程內部溫度為 14～17℃,基本趨于穩定。

以準穩定溫度場作為溫差計算的起點,對大壩施工期溫度場和溫度應力進行仿真模擬分析,全面系統地分析其溫度及溫度應力,確定壩體各部位在不同時段、不同季節的溫控標準,提出切合實際的,從簡單到復雜的溫控措施。

2.3 封拱溫度

根據壩體準穩定溫度場的分析和計算,拱壩接縫灌漿封拱溫度為:高程 470.00～514.50m之間為 12℃;高程 514.50～550.50m之間為 13℃;高程 550.50～578.50m之間為 16℃。

3 溫控標準

3.1 溫度控制標準

(1)基礎允許溫差。基礎容許溫差按河床壩段和岸坡壩段、不同混凝土強度等級分別提出。根據有關規范及工程經驗,經計算分析擬定拱壩基礎混凝土允許溫差見表 1(L為澆筑塊最長邊尺寸)。

表 1 基礎允許溫差標準 單位:℃

(2)上下層溫差標準。在齡期 28d以上的老混凝土面上澆筑混凝土時,老混凝土面以上 0.25L范圍內的新澆混凝土應按上下層溫差控制,溫差標準為 16.0℃。老混凝土面以上新澆混凝土應短間歇均勻上升,避免再次產生老混凝土。

(3)內外溫差。控制拱壩混凝土內外溫差不超過 18℃。

(4)壩體設計允許最高溫度。根據溫差標準和壩體準穩定溫度確定的各壩段不同澆筑月份容許最高溫度見表 2。當澆筑部位出現老混凝土時,最高溫度還應滿足上下層溫差控制標準。

表 2 壩體設計允許最高溫度

(5)壩段高差控制。混凝土施工中,各壩塊應盡量均勻上升,相鄰壩段高差不大于 12m,整個拱壩上升最高和最低壩段高差控制在 30m以內。

3.2 施工期應力控制標準

根據相關規范計算了不同強度等級的混凝土在不同齡期時的允許拉應力,同時比較了用抗拉強度計算的應力控制標準。施工期應力控制標準見表3。

表 3 施工期混凝土溫度應力標準 單位:MPa

4 溫控措施

4.1 優選混凝土原材料與配合比優化設計

混凝土的良好性能首先要從原材料選擇和優化配合比入手。選用強度等級為 42.5的中熱水泥,并摻 30%的Ⅱ級粉煤灰以降低水泥用量。選用彈性模量較小、極限拉伸系數適中、熱膨脹系數較小的灰巖作為人工骨料,并優選復合外加劑。大壩混凝土主要采用四級配,進行混凝土配合比優化設計,降低混凝土單位水泥用量,以減少混凝土水化熱溫升并延緩水化熱發散速率,提高混凝土抗裂能力。

4.2 控制拌和樓出機口溫度

散裝水泥運至工地的入罐最高溫度不超過65℃,控制混凝土細骨料的含水率在 6%以下,且含水率波動幅度小于 2%。根據澆筑部位、澆筑月份等因素選擇混凝土出機口溫度,高溫季節拌和樓設計出機口溫度為 11℃。通過對混凝土骨料進行預冷,并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機口溫度。

4.3 降低澆筑溫度

為防止澆筑過程中的熱量倒灌,需加快混凝土的運輸、吊運和平倉振搗速度。3～11月運輸過程中宜對吊罐等運輸設備采取保溫措施,以減少運輸過程中溫度回升。澆筑過程中上坯混凝土覆蓋時間必須控制在 4 h之內。根據澆筑部位、澆筑月份等因素,采取恰當的隔熱保溫措施,保溫材料的等效熱交換系數 β≤15k J/(m2?h?℃)。澆筑倉內氣溫高于 25℃時需要采取倉面噴霧措施,噴霧后澆筑倉內氣溫較外界氣溫至少降低 3℃。盡量避免高溫時段澆筑混凝土,應充分利用低溫季節和早晚氣溫低的時段澆筑。高溫季節強約束區混凝土最低澆筑溫度控制在不超過 16℃。

4.4 控制澆筑層厚及間歇期

在滿足澆筑計劃的同時,應盡可能采用薄層、短間歇、均勻上升的澆筑方法。根據澆筑部位、澆筑月份等因素控制澆筑層厚和間歇期,高溫季節 (4～10月)層厚為 3m,低溫季節(11月 ～翌年 2月)層厚可為 1.5～3m。控制混凝土層間間歇期,對 1.5m層厚,層間間歇一般按 5～7d控制;對 3m層厚,層間間歇一般按7～10d控制。

4.5 通水冷卻

(1)冷卻水管布置。冷卻水管采用外徑 32mm的 HDPE塑料管,局部區域采用外徑 2.54cm的金屬管,水管間距一般采用 1.5m×1.5m(水平間距×垂直間距),必要時水管間距采用 1.0m×1.5m或 1.0m×1.0m。

(2)一期通水冷卻。一期通水冷卻通水時間高溫季節不少于 21d,低溫季節不少于 15d。前10d通水流量 1.2～1.8m3/h,10d后通水流量 0.5～1.0m3/h。水流方向每 24h變換一次。一期冷卻蛇形管入口處水溫采用 11±1℃。進口水溫與混凝土最高溫度之差不超過 23℃。一期冷卻結束時的混凝土溫度要求為 24±1℃。

(3)中期通水冷卻。開始中期冷卻的混凝土需同時滿足混凝土齡期不小于 60d和混凝土溫度高于一冷結束時溫度標準。中期冷卻在每年的 10～11月進行,中期冷卻進口水溫與混凝土最高溫度之差不超過 15℃。中冷結束標準為混凝土溫度冷至 21±1℃。中期冷卻最大降溫速率每天小于 0.5℃。

(4)二期通水冷卻。盡量利用低溫季節進行二冷,如在高溫季節進行二期冷卻,需要加強壩面保溫減小內外溫差與熱量倒灌。同一批二冷的各壩段二冷區范圍內的冷卻管圈應同時開始二冷,沿高程有適當的溫度梯度,即所有冷卻管圈通水開始時間相差不超過 1天。第一次二期通水冷卻高程范圍包括擬灌區、蓋重區和過渡區;第二次及以后的二期通水冷卻高程范圍包括蓋重區和過渡區。二期冷卻進口水溫與二冷前悶水測溫得到的混凝土最高溫度之差不超過 15℃。二期冷卻蛇形管入口處水溫一般為 6～10℃。

4.6 混凝土表面保護及保溫

齡期小于28d的混凝土暴露面必須進行表面保護,保護標準為等效熱交換系數 β≤9kJ/(m2?h?℃)。日平均氣溫 2～3d內連續下降超過 8℃或日氣溫變幅大于 12℃時,齡期小于 90d的混凝土暴露面也應進行表面保護。對于壩體上下游永久暴露面,在高溫季節進行二期冷卻時還要進行保溫,故對壩體上下游永久暴露面,一直粘貼或覆蓋保溫材料保護至水庫蓄水前。

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

2 劉德富,黃達海,田斌,著.拱壩封拱溫度場及溫控優化 [M].北京:水利水電出版社,2008.

3 朱伯芳 .大體積混凝土非金屬水管冷卻的溫降計算[J].水利水電技術,1997,(6).

4 胡秀全,李富,王偉奇.大體積混凝土溫度裂縫的預防與處理措施 [J].黑龍江水專學報,2004,31(2).