天花板碾壓混凝土拱壩通水冷卻設計

楊子強，林健勇，周飛平

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站工程位于云南省昭通市境內的牛欄江上，是牛欄江中下游梯級規劃的第7級電站。壩址位于牛欄江支流清水河河口上游約1.5 km的天花板峽谷處，大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 076.80 m，最大壩高107.00 m，拱端最大厚度24.086 m。壩頂拱軸線長159.87 m，最小寬度6.0 m，厚高比0.212。表、中孔相間布置，3個表孔的堰頂高程為1 062.50 m，2個中孔進口高程為1 020.00 m，1個排沙孔進口高程為1 025.00 m。

牛欄江流域除上游部分地區屬于北亞熱帶季風氣候外，絕大部分地區屬于暖溫帶高原季風氣候，年溫差大、日溫差小，干濕季節明顯。由于地形高差較大，形成了較為明顯的立體氣候，河谷等地勢低的地方溫度高，降雨量小，高山區溫度低，降雨量大。壩址多年平均氣溫17.2℃，月平均氣溫以7月份最高，為25.1℃，以1月份最低，為7.8℃。

拱壩屬于薄殼體超靜定混凝土結構，混凝土的溫度變形和收縮變形應力很大，為壩體施工期的主要荷載。同時，拱壩對外界環境溫度變化比較敏感，因此，溫控防裂問題成為制約整個工程施工質量和施工進度的關鍵因素。天花板水電站大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩體受水平建基面及兩岸基巖約束作用較強，加之高溫季節澆筑強約束區混凝土，增大了溫控難度。通過有限元仿真計算分析，結合工程實際施工條件，制定了控制混凝土澆筑溫度、約束區澆筑層厚、層間澆筑時間，倉面流水養護、表面保溫與保濕、埋設冷卻水管等一系列溫控防裂措施，其中，以壩體內埋設冷卻水管進行分期通水冷卻為主要溫控手段。

2 通水冷卻設計

2.1 基本原則

根據溫控計算結果，參考其他已建工程經驗并結合本工程實際情況，水管通水冷卻過程分為3個階段：①為削減混凝土初期水化熱溫升峰值，降低壩體混凝土最高溫度，對混凝土進行一期通水冷卻；②為減小基礎溫差和控制上下層溫差及內外溫差，對混凝土進行中期通水冷卻；③為進行誘導縫、橫縫封拱灌漿，使壩體混凝土溫度降到要求的封拱溫度，視情況對混凝土進行封拱前的二期通水冷卻。

2.2 冷卻水管布置

2.2.1 管材選擇及鋪設方式

天花板大壩冷卻水管管材采用HDPE高強度聚乙烯冷卻水管，外直徑32 mm，內直徑28 mm，拉伸屈服應力≥20 MPa，縱向回縮率≤3%；在20℃，承受不低于10 MPa的液壓環向應力情況下，1小時內不應漏水；熱傳導系數應與混凝土的相當。

考慮碾壓混凝土拱壩結構特點和施工方式，天花板大壩冷卻水管鋪設方式采用平行于拱圈中心線布置，根據壩體結構、倉面面積和施工順序分為5個區，水管出口統一在下游壩面分區界線兩側伸出。水管布置方式分為單水管出口同側、單水管出口異側、雙水管出口同側、雙水管出口異側和單水管串聯布置。水管間距基礎約束區 （0.4 L高程區域）采用1.5 m×1.0 m （水平×豎直）布置方案，弱約束區和非約束區采用1.5 m×1.5 m （水平×豎直）布置方案，平面布置見圖1。

2.2.2 通水冷卻控制標準

（1）一期通水冷卻。基礎約束區一期冷卻階段通水不超過20 d，混凝土早期強度較低，為防止混凝土出現早期裂縫，前期降溫幅度不宜過大，因此一期通水分兩個階段進行，即溫控階段通水5 d，冷卻水溫稍高，為15～17℃，目標溫度25℃；溫降階段通水15 d，冷卻水溫8～10℃，目標溫度20～22℃。弱約束區和非約束區一期冷卻階段通水時間為21 d，通水水溫15～17℃，目標溫度22～24℃。

（2）中期通水冷卻。由于本工程基礎約束區混凝土在高溫季節澆筑，壩體混凝土溫度下降難度較大，入冬前如不采取壩體溫降措施，壩體溫度與外界溫度溫差較大，易導致過冬時混凝土開裂，因此入冬前視壩體溫度情況進行中期冷卻，通水水溫為15～16℃，目標溫度17～19℃。弱約束區和非約束區部位也應視壩體溫度情況在入冬前進行中期冷卻，通水水溫15～16℃，目標溫度18～20℃。

（3）二期通水冷卻。基礎約束區通水水溫10～12℃，目標溫度為設計要求的對應高程的封拱溫度。弱約束區和非約束區視壩體溫度情況確定是否進行二期通水及通水水溫。如灌區所在高程壩體溫度達到要求的封拱溫度，則不進行二期通水冷卻。

（4）通水冷卻時要求將混凝土降溫速度控制在日降溫1℃以內，通水流量前10 d按不小于1.5 m3/h控制，10 d以后按0.6～0.8 m3/h控制。為使混凝土均勻冷卻，進出口水流應每24 h調換一次進水方向。一期冷卻末應進行溫度回升控制，按目標溫度±1℃控制。

3 水管冷卻效果分析

根據天花板工程碾壓混凝土熱學性能試驗結果，二級配碾壓混凝土絕熱溫升為19.8℃，三級配碾壓混凝土絕熱溫升為15.4℃。以987 m高程Tb1-9溫度計 （位于三級配區）為例對水管冷卻效果進行分析。該高程混凝土澆筑時未控制澆筑溫度，實際澆筑溫度達27℃，如果不采用通水冷卻的溫控措施，混凝土最高溫度將達到40℃以上。具體監測結果見圖 2～4。

由圖2可知，一期通水冷卻起到了很好的消除水化熱峰值和控制混凝土溫度的作用，冷卻水管進出水平均溫差為5.5℃，混凝土實際溫度與未通水冷卻相比下降約10℃，冷卻效果顯著。

圖1 壩體冷卻水管典型平面布置 （尺寸單位：cm）

圖2 987 m高程壩體溫度監測及一期通水冷卻溫度監測

圖3 987 m高程二期通水冷卻溫度監測

由圖3、4可知，二期通水冷卻21 d，進出水平均溫差為3.4℃。通水冷卻前壩體溫度約為24℃，經二期通水冷卻后，混凝土溫度約20℃，下降約4℃，達到壩體封拱溫度要求。

圖4 987 m高程壩體溫度全程監測

天花板大壩不同高程各區冷卻水管布置原則基本相同，其他部位冷卻水管的冷卻效果與本文所述典型部位冷卻規律基本相同。

4 結語

天花板碾壓混凝土雙曲拱壩工程實踐表明，采用HDPE高強度聚乙烯水管分期通水冷卻措施，有效地控制了混凝土溫升，冷卻效果良好，各區混凝土基本達到預期的目標溫度，大壩沒有出現因施工期溫度應力引起的裂縫。