構(gòu)皮灘水電站拱壩混凝土溫度應(yīng)力分析及控制措施

姚國(guó)虎

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，四川崇州 611237）

1 概述

構(gòu)皮灘水電站是烏江流域梯級(jí)電站之一，年均設(shè)計(jì)發(fā)電量約 97億度。電站所在地為貴州省余慶縣與湄潭縣交界處（構(gòu)皮灘鎮(zhèn)）。該地區(qū)屬云貴高原氣候，高溫季節(jié)較長(zhǎng)，5～9月份平均氣溫在 20度以上，每年冬季和春季時(shí)有寒潮發(fā)生，對(duì)混凝土表面防裂極為不利。

大壩為雙曲拱型混凝土壩，壩頂水平長(zhǎng)度為525m，頂部高程為640.5m，最低基巖面至壩頂高度為232.5m，混凝土總量272萬(wàn)方。該電站是迄今為止喀嘶特地區(qū)修建的最大混凝土高拱壩。整個(gè)大壩從左到右設(shè)置27個(gè)壩段，位于中部的11～17#為溢流壩段，其它壩段為非溢流壩段（圖1）。

圖l 大壩立面圖

2 溫度與溫度應(yīng)力控制限值

2.1 溫度控制限值

（1）允許基礎(chǔ)溫差。控制基礎(chǔ)溫差是防止大壩發(fā)生裂縫的主要手段，根據(jù)對(duì)大壩的實(shí)驗(yàn)室模擬計(jì)算分析，并考慮電站所在地區(qū)的氣候環(huán)境及相關(guān)規(guī)范要求、工程經(jīng)驗(yàn)等，大壩混凝土允許基礎(chǔ)溫差限值控制見表 1。弱約束區(qū)在此基礎(chǔ)上提高 1℃～3℃控制。

表1 基礎(chǔ)溫差允許限值表

（2）壩體內(nèi)部允許最高溫度值。壩體內(nèi)部混凝土允許最高溫度限值隨外部環(huán)境溫度變化而變化，溢流壩段與非溢流壩段最高溫度限值也有所不同。

表2為利用有限元法計(jì)算所得到的不同部位及不同月份壩體內(nèi)部混凝土允許最高溫度值。

表2 不同部位及月份壩體內(nèi)部混凝土允許最高溫度值

（3）上下層溫差控制范圍。為了防止壩體出現(xiàn)貫穿裂縫，下部混凝土澆筑超過28d的，在其上連續(xù)澆筑時(shí)，新老混凝土界面各自壩塊長(zhǎng)度的0.25倍的高度范圍內(nèi)，其上下層溫差按 15℃～20℃控制。

2.2 溫度應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)(施工期)

對(duì)于混凝土基礎(chǔ)澆筑部位，可利用有限元法或影響線法確定其水平徐變溫度應(yīng)力，按公式(1)確定其應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壩體混凝土水平徐變溫度應(yīng)力最大值通常發(fā)生在中后期通水冷卻結(jié)束時(shí)。公式(1)計(jì)算結(jié)果見如表3。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大壩混泥土施工期溫度應(yīng)力都在許可的范圍內(nèi)。

表3 施工期溫度（室內(nèi)彈性模量試驗(yàn)成果）應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

3 壩體混凝土溫度場(chǎng)施工期分布情況

3.1 準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)厮臍庀笳镜挠^測(cè)和記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大壩蓄水后水庫(kù)表面水溫年平均值取18℃，根據(jù)氣溫多年平均變化情況，水庫(kù)表面水溫年變幅取10.2℃；對(duì)于庫(kù)水溫的變化深度，由于在壩體中部設(shè)置有泄洪中孔，所以取值 75m；大壩下游水面年均溫度取 17℃，年變幅取 10.2℃，壩體下游底部年均水溫取14℃。

通過對(duì)典型壩段 14#壩段的日標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)進(jìn)行分析（圖2、圖3），混凝土強(qiáng)約束區(qū)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度為12℃～14℃，混凝土弱約束區(qū)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度為12℃～16℃。

壩體上下游面受水溫和外環(huán)境氣溫影響存在一定幅度的變化，壩體內(nèi)部混凝土溫度基本穩(wěn)定在14℃～17℃。

3.2 溫度在施工期的變化特點(diǎn)及冷卻分析

澆筑混凝土后，內(nèi)部溫度受水泥水化熱影響逐漸升高，將會(huì)達(dá)到一個(gè)最高溫度峰值，因此在澆筑后的12 h對(duì)壩體進(jìn)行通水冷卻，以削弱混凝土最高峰值。早期水泥水化熱較大，澆筑后的3～5 d內(nèi)，內(nèi)部溫度將達(dá)到早期最高值，當(dāng)冷卻水吸收的熱量大于水泥水化熱熱量后，壩體溫度逐漸降低。但是在停止初期冷卻通水后，因混凝土內(nèi)仍有少量水泥水化熱產(chǎn)生，混凝土內(nèi)部溫度會(huì)有少量回升。

降溫過程見圖4。

圖2 14#壩段1月15日準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

圖3 14#壩段7月15日準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

圖4 通8℃冷卻水混凝土降溫過程

3.3 施工期最高溫度

圖5 典型壩段最高溫度分區(qū)布置圖

據(jù)圖 5分析，最高溫度在 14＃壩段，范圍在22℃～32℃，高程456～465m區(qū)存在第一個(gè)高溫區(qū)，總計(jì)4個(gè)高溫區(qū)；21＃壩段最高溫度值在19.1℃～32.0℃，范圍與14＃壩段基本一致，總計(jì)3個(gè)高溫區(qū)，均位于夏季高溫季節(jié)澆筑混凝土區(qū)域。其余壩段最高溫度分布規(guī)律與14、21＃壩段類似。

由于各壩塊混凝土澆筑時(shí)間不同，造成各個(gè)不同壩段高溫區(qū)分布的高程范圍有所不同，如岸坡 20＃和 21＃壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)的早期混凝土平均溫度相對(duì)設(shè)計(jì)允許溫度有所偏高，而在 16＃和 17＃壩段的基礎(chǔ)弱約束區(qū)，超過值0.8℃～2.0℃，產(chǎn)生的原因是該部位混凝土是在3月和11月所澆筑，混凝土澆筑溫度（15℃）相對(duì)偏高，該時(shí)段河水溫度為15.6℃，而又采用通河水進(jìn)行初期冷卻所致。對(duì)于 11月份澆筑的基礎(chǔ)約束區(qū)，必須采用通冷水進(jìn)行冷卻，其它壩段可采用通江水進(jìn)行冷卻。

3.4 中后期通水冷卻

中期通水主要是進(jìn)入低溫季節(jié)后，針對(duì)已經(jīng)澆筑的混凝土內(nèi)部溫度仍然較高的部位進(jìn)行再次通水冷卻，使其內(nèi)部溫度與表面環(huán)境溫度溫差減少，降低因壩體內(nèi)外溫差造成的溫度應(yīng)力，避免壩體發(fā)生溫度裂縫。對(duì)上年10月至當(dāng)年4月澆筑的混凝土需在11月進(jìn)行中期通水，對(duì)當(dāng)年5至9月澆筑的混凝土在10月進(jìn)行通水冷卻。針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r，直接通江水，將混凝土溫度冷卻至22℃即可。

后期通水是為了使壩體混凝土通過降溫進(jìn)一步收縮，使相鄰壩段接觸面張開到一定寬度（不小于2mm），從而達(dá)到對(duì)該縫面進(jìn)行接縫灌漿的要求，使得對(duì)該縫面進(jìn)行接縫灌漿且壩體溫度回升后，拱壩形成一個(gè)更加緊密的整體，更好地滿足受力要求。一般通6℃～8℃冷水，使壩體冷卻至設(shè)計(jì)灌漿溫度12℃～13℃。

4 施工期壩體溫度應(yīng)力分析

4.1 施工期溫度應(yīng)力

通過計(jì)算，位于基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，水平向徐變溫度應(yīng)力最大值為0.55～1.39 MPa，設(shè)計(jì)允許溫度應(yīng)力為2.23MPa，滿足要求。

4.2 施工期綜合應(yīng)力

施工期，受溫度荷載的影響及壩體自重的作用，壩踵部位基本處在壓應(yīng)力狀態(tài)；沿壩踵鉛直向上，因后期通水溫降作用，局部灌區(qū)沿拱圈方向出現(xiàn)了帶狀的拉應(yīng)力區(qū)，最大主拉應(yīng)力為0.85MPa（相應(yīng)的有限元等效拉應(yīng)力為 0.44 MPa），這些主拉應(yīng)力主要由橫向正應(yīng)力所引起；在河床壩段的壩踵處，呈現(xiàn)出最大主壓應(yīng)力，其值為3.61 MPa（相應(yīng)有限元等效壓應(yīng)力為 1.92 MPa）。因此蓄水前大壩的有限元最大等效應(yīng)力均較小。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)水泥水化熱產(chǎn)生情況，在澆筑后的4d天左右，將會(huì)出現(xiàn)混凝土早期最高溫度。大壩基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)早期平均最高溫度在 20.1℃～30.3℃之間，弱約束區(qū)在23.5℃～30.6℃之間。

（2）進(jìn)入低溫季節(jié)后，對(duì)內(nèi)部溫度較高的壩段進(jìn)行通水，從而降低內(nèi)部與其表面的溫差，防止壩體出現(xiàn)溫度裂縫。混凝土冷卻溫度按22℃控制，通水時(shí)間為26～49d。

（3）后期通水，指在接縫灌漿前，對(duì)混凝土通水，使混凝土溫度降低至要求灌漿允許溫度。對(duì)于溫度要求為 12℃～13℃的部位，采用 6℃～8℃冷水；對(duì)灌漿溫度為15℃的灌區(qū)，在12～3月時(shí)，只用江水即可。

（4）參照壩體仿真應(yīng)力計(jì)算成果，混凝土溫度徐變應(yīng)力發(fā)生在壩體基礎(chǔ)約束區(qū)，最大值出現(xiàn)在混凝土后期通水冷卻結(jié)束時(shí)，其變化值在 0.55～1.39 MPa之間，滿足要求。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制.中國(guó)電力出版社.1999.3