藏木水電站導(dǎo)流明渠溫度控制防裂措施

黃永貴

(中國人民武裝警察部隊水電第三總隊，四川成都 610036)

1 概述

藏木水電站是雅魯藏布江干流中游桑日至加查峽谷段規(guī)劃5級電站中的第4級，上游銜接街需電站，下游為加查電站，采用混凝土重力壩壩型。正常蓄水位高程3310 m，壩頂高程3314 m，最大壩高116 m，最大底寬95.1 m。

藏木水電站位于高原溫帶季風(fēng)半濕潤氣候地區(qū)。加查氣象站(測站高程3260 m)位于電站壩址下游約15 km 處，保存有自1978年至今的實(shí)測降水、氣溫、蒸發(fā)、濕度等資料。根據(jù)對1978～2004年實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計，多年平均氣溫為9.2℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為32℃、-16.6℃;多年平均降水量為540.5 mm，歷年一日最大降水量為51.3 mm;多年平均相對濕度為51%，歷年最小相對濕度為零;多年平均風(fēng)速為1.6 m/s，多年最大風(fēng)速為19 m/s，相應(yīng)風(fēng)向SE;多年平均蒸發(fā)量為2075.2 mm。

藏木水電站導(dǎo)流明渠布置在河床左岸，是電站施工期導(dǎo)流的主要泄水建筑物，采用全斷面混凝土結(jié)構(gòu)，明渠軸線長773.5 m，包括進(jìn)口段、與泄洪壩段結(jié)合段、消力池段及出口段;進(jìn)口高程3248 m，出口高程3243 m，渠底寬35 m，渠身采用矩形斷面(圖1)。明渠右導(dǎo)墻最大底寬8 m，最大墻高45 m，建基面高程3220～3239.97 m。導(dǎo)流明渠混凝土的一部分屬于大體積混凝土，一部分屬于準(zhǔn)大體積混凝土，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，且存在有渠壩結(jié)合、新老結(jié)合、長時間間歇、渠內(nèi)外溫差大等不利因素。

圖1 導(dǎo)流明渠壩0-010～壩0+225.5段示意圖

導(dǎo)流明渠施工期從2009年9月～第三年10月，明渠混凝土澆筑時間為第二年11月～第三年10月，工期12個月;自第三年11月河道截流至第六年11月明渠封堵，導(dǎo)流明渠泄水期歷時36個月;第七年12月進(jìn)行明渠內(nèi)兩孔溢流壩段施工。

2 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)由混凝土升程計劃、邊界條件及混凝土自身熱學(xué)性能計算出水化熱溫升，根據(jù)重力壩設(shè)計規(guī)范選定允許基礎(chǔ)溫差，進(jìn)而確定出各部位混凝土最大允許溫度(表1)。

低溫季節(jié)(11月～次年3月上旬)澆筑混凝土，采用模板內(nèi)襯保溫材料，以保證混凝土表面放熱系數(shù)β≤kJ/(m2·h·℃)。氣溫驟降來臨前，對齡期未滿28 d 的混凝土采用β≤10.8 kJ/(m2·h·℃)的保溫材料進(jìn)行全面防護(hù)，并對棱角部位采取加強(qiáng)措施;鑒于3月中下旬、4月和10月日溫差大，混凝土澆筑過程中采用β≤10.8 kJ/(m2·h·℃)的保溫材料進(jìn)行保護(hù)。明渠使用過程中，對于明渠右邊墻外側(cè)面需采取混凝土表面放熱系數(shù)β≤6.3 kJ/(m2·h·℃)的保溫措施。

表1 允許最大溫度 單位:℃

3 溫度應(yīng)力仿真計算

3.1 計算的基本條件

根據(jù)溫度控制邊界條件研究成果、運(yùn)行方式和材料試驗成果，采用三維有限元深入分析計算了明渠及明渠壩段穩(wěn)定(準(zhǔn)穩(wěn)定)溫度場及溫度徐變應(yīng)力。大壩結(jié)合段總長83 m，左邊墻寬4.5 m，高20.5 m，右邊墻寬6 m，高20.5 m，底板寬35 m，最厚處為26.5 m;2#壩段一期混凝土底寬12 m，頂寬20.7 m，高29 m;基巖寬度方向延伸30 m，深度方向延伸30 m。在建立計算模型過程中選用空間六面體八節(jié)點(diǎn)進(jìn)行等參元剖分，澆筑塊連同地基劃分為116118個單元，共126854個節(jié)點(diǎn)。基巖上下游和左右岸方向按絕熱處理，導(dǎo)流明渠在分縫處上下游和左右岸方向邊界條件為絕熱;基巖底面加全約束，基巖其余四面加垂直約束，導(dǎo)流明渠混凝土在分縫處為自由面。計算模型見圖2、3。

圖2 導(dǎo)流明渠結(jié)合段、消力池段斷面尺寸示意圖

圖3 導(dǎo)流明渠結(jié)合段、消力池計算模型示意圖

3.2 計算結(jié)果

導(dǎo)流明渠結(jié)合段的混凝土澆筑塊體長度大于40 m，根據(jù)重力壩設(shè)計規(guī)范，其基礎(chǔ)容許溫差為14℃～16℃。結(jié)合設(shè)計澆筑溫度及保溫情況下明渠結(jié)合段和消力池典型斷面特征點(diǎn)應(yīng)力計算結(jié)果，確定導(dǎo)流明渠混凝土強(qiáng)約束區(qū)和弱約束區(qū)的容許基礎(chǔ)溫差為16℃，自由區(qū)的容許基礎(chǔ)溫差為18℃。

4 敏感性分析

4.1 對氣溫、日照等因素進(jìn)行分析

考慮到西藏溫差變化大的特點(diǎn)，由氣溫(日照、寒潮等)引起的溫度應(yīng)力通過計算得知，在施工期，若寒潮襲擊來臨時，如果及時采取保溫措施進(jìn)行保護(hù)(混凝土表面放熱系數(shù)為209 kJ/(m2·d·℃)，則日溫變輻對混凝土的溫度幾乎沒有影響，從而表明混凝土的溫度幾乎不受寒潮襲擊的影響。在高溫季節(jié)，考慮到導(dǎo)流明渠混凝土右邊墻內(nèi)側(cè)是河水，其外側(cè)暴露在空氣中，由于水溫受早晚天氣的影響很小，氣溫晝夜溫差大，且存在太陽輻射的影響，從而在右邊墻混凝土的內(nèi)外形成較大溫差，故在分析時考慮對右邊墻外側(cè)添加2 cm 厚的聚氨脂噴涂泡沫進(jìn)行保護(hù)(此時混凝土表面的放熱系數(shù)為140 kJ/(m2·d·℃)。聚氨脂噴涂泡沫無毒、無污染、自重輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低，使用壽命長，與混凝土有良好的粘接能力。在對右邊墻暴露在空氣中的外壁添加2 cm 厚的泡沫塑料板進(jìn)行保護(hù)后，可以使混凝土表面溫度降低，其最高溫度為28℃，內(nèi)外溫差引起的應(yīng)力也降至0.75 MPa，對改善右邊墻混凝土的應(yīng)力有一定成效。

4.2 控制措施敏感性分析

4.2.1 混凝土澆筑層厚敏感性分析

通過分析混凝土澆筑厚度對混凝土溫度的影響得知，在高溫季節(jié)澆筑時，1.5 m 和2 m 的澆筑厚度對導(dǎo)流明渠左邊墻和明渠底板的區(qū)別較小，3 m 的澆筑厚度時混凝土最高溫度波動較大，薄層澆筑情況下底板下部最高溫度小，上部溫度相反卻較大。常溫季節(jié)澆筑時，澆筑厚度對導(dǎo)流明渠左邊墻的影響與高溫季節(jié)澆筑時情況相似。低溫季節(jié)澆筑時，1.5 m 的澆筑厚度下最高溫度最小，3 m 澆筑厚度下的最高溫度包絡(luò)線波動較大。

由此可見，導(dǎo)流明渠為全斷面混凝土，澆筑時散熱條件受季節(jié)的影響較大。3 m 澆筑厚度下，澆筑層的內(nèi)外溫差較大;而1.5 m 和2 m 的澆筑厚度下混凝土的溫度差異很小。因此，導(dǎo)流明渠混凝土澆筑宜采用2 m 的厚度。

4.2.2 澆筑溫度敏感性分析

通過分析得知，控制澆筑溫度可以有效改善混凝土的溫度場，澆筑溫度能夠降低2℃，可以使導(dǎo)流明渠左邊墻混凝土最高溫度降低1.4℃。

4.2.3 冷卻降溫敏感性分析

施加冷卻水是施工中常用的一種方法，能有效地降低混凝土的最高溫度，通過模擬計算及對照經(jīng)驗數(shù)據(jù)得知，冷卻水管采用聚乙稀水管，外半徑為1.6 cm，內(nèi)半徑為1.4 cm，導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.66 kJ/(m·h·℃)，冷卻水比熱c=4.187 kJ/(kg·℃)，采用1.5 m×1.5 m 布置冷卻水管，通水歷時14 d，可以使混凝土溫度降低4.5℃左右。

5 低溫季節(jié)溫控措施研究

大體積混凝土雖然表面溫度很低，內(nèi)部溫度卻因水化熱而急劇上升。為了減小內(nèi)外溫差和基礎(chǔ)溫差，澆筑溫度越低越有利，但最好不超過10℃。因此，大體積混凝土低溫季節(jié)施工的澆筑溫度一般以5℃～10℃為宜。

同時，在低溫季節(jié)施工時，內(nèi)貼一層土工膜和3 cm 厚的泡沫保溫板，且混凝土表面等效放熱系數(shù)為151 kJ/(m2·d·℃)，可以使混凝土澆筑完畢后強(qiáng)度能得到充分發(fā)展。

6 工程施工中實(shí)施的溫控與防裂措施

依據(jù)以上研究數(shù)據(jù)并參考西藏其他地區(qū)混凝土溫控措施，藏木水電站導(dǎo)流明渠可以通過采用控制澆筑層厚、澆筑溫度、冷卻通水等方法有效降低混凝土開裂風(fēng)險。

(1)混凝土澆筑過程的溫度控制。

澆筑溫度對導(dǎo)流明渠混凝土最高溫度的降溫效果為60%左右，嚴(yán)格控制出機(jī)口溫度及混凝土入模溫度，能有效控制混凝土溫升。施工過程中，采用拌和樓拌制預(yù)冷、預(yù)熱混凝土并嚴(yán)格控制出機(jī)口溫度，通過在運(yùn)輸設(shè)備上加蓋保溫材料以減小混凝土溫度變化。在5～8月的高溫季節(jié)，確保將澆筑溫度控制在14℃以內(nèi)，對混凝土內(nèi)部通12℃冷卻水，通水時間不少于14 d;11月～次年1月，澆筑溫度不低于6℃，并對混凝土表面粘貼聚氨脂噴涂泡沫板保溫;3月、4月、10月的常溫季節(jié)，混凝土自然入倉，使用12℃冷卻水(1.5 m×1.5 m 水管布置)通水14 d，表面采用聚氨脂噴涂泡沫板粘貼。

混凝土澆筑過程中，對于整個導(dǎo)流明渠，不論是結(jié)合段，還是消力池段的混凝土，在各個澆筑季節(jié)，澆筑厚度對混凝土的影響較小。采用2 m 厚度施工、在施工過程中采用薄層澆筑并適當(dāng)延長層間間隔時間，可以降低水化溫升。

(2)流水養(yǎng)生。

新澆筑混凝土達(dá)到終凝后，抽取雅魯藏布江河水對整個倉面進(jìn)行表層流水養(yǎng)生，該方法可有效削減水化熱溫升，降低明渠內(nèi)部混凝土溫度。在實(shí)施過程中，可以在混凝土表面設(shè)置鉆有小孔的φ7.62 cm 的PVC 管，持續(xù)養(yǎng)生14 d。

(3)模板拆除。

為了防止混凝土在拆模時邊角破損，可以盡量延長拆模時間至一周左右。

7 結(jié)語

藏木水電站位于我國西南高海拔嚴(yán)寒地區(qū)，明渠混凝土做為大壩的一部分，溫度控制與防裂是工程施工過程中的重要課題。通過進(jìn)行溫度應(yīng)力有限元仿真計算并結(jié)合施工經(jīng)驗參數(shù)可知:明渠混凝土澆筑過程和養(yǎng)護(hù)期間，在多個部位出現(xiàn)溫度引起的較大拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生溫度裂縫。通過混凝土拌制、澆筑和養(yǎng)護(hù)期在現(xiàn)有施工條件下的降溫、保溫、材料、結(jié)構(gòu)等一系列保溫措施的落實(shí)，可以有效防止混凝土表面開裂，確保高原混凝土施工質(zhì)量。