黃花寨氧化鎂混凝土拱壩設(shè)計

熊 杰，徐 江，楊衛(wèi)中

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽550002）

黃花寨氧化鎂混凝土拱壩設(shè)計

熊 杰，徐 江，楊衛(wèi)中

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽550002）

黃花寨水電站混凝土拱壩是我國第一座壩高超過100m的外摻碾壓氧化鎂混凝土拱壩。該拱壩的設(shè)計從筑壩材料研究、體型優(yōu)化、溫度場和應(yīng)力場的仿真分析等方面進行較全面的研究計算工作。在大壩混凝土澆筑過程中，由于混凝土級配、膠材用量、施工進度的變化，通過仿真分析對壩體分縫和溫控增設(shè)進行調(diào)整。經(jīng)施工期及初期蓄水運行埋設(shè)儀器的監(jiān)測資料，反映拱壩工作狀態(tài)正常，基本達到氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計要求。

黃花寨水電站；拱壩設(shè)計；碾壓氧化鎂混凝土；仿真分析；溫控

1 概述

黃花寨水電站位于貴州省長順縣境內(nèi)，是蒙江流域格凸河干流上第三級電站，裝機2×30MW。水庫正常蓄水位795.5m，總庫容1.748億m3，工程等別為Ⅱ等大（2）型。壩址區(qū)多年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫34.1℃，極端最低氣溫-8.5℃。壩址處河床高程703m，寬45m，兩岸850m高程以上地形較陡，以下漸緩，呈基本對稱的“U”形橫向河谷，寬高比2.2，大部分地段基巖裸露，出露地層為石炭系下統(tǒng)擺佐組和中統(tǒng)黃龍群，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角約15°。

攔河壩最大壩高108m，為碾壓混凝土雙曲拱壩。為簡化壩體混凝土的溫控措施，在初步設(shè)計階段提出全壩外摻氧化鎂的意見，施工圖設(shè)計時對此展開了設(shè)計研究工作，并委托某單位進行壩體溫度場和應(yīng)力場的仿真分析計算。大壩于2007年2月初澆筑墊層混凝土，4月初開始壩體碾壓混凝土施工，由于某些原因的干擾，施工斷斷續(xù)續(xù)，2009年4月碾壓到759.8m高程，工程停工。至2010年1月復(fù)工，9月底開始下閘蓄水，2011年初澆筑至壩頂高程。

2 樞紐布置及拱壩設(shè)計

2.1 樞紐布置

樞紐建筑物的布置盡量使壩體結(jié)構(gòu)單一，以減小對大壩施工的干擾，有利于壩體的快速施工。樞紐布置采取廠壩分開、短隧洞引水的布置方案。溢流表孔布置在河床壩段，凈寬3m×10m，水力學(xué)霧化實驗成果表明，表孔泄洪時，霧化雨強小于10m m/h，不影響發(fā)電廠區(qū)建筑物及設(shè)備的安全。樞紐布置見圖1。

圖1 樞紐平面布置圖

2.2 拱壩設(shè)計

拱壩分析計算采用A D A SO多拱梁程序，以拱壩體積為目標函數(shù)進行優(yōu)化，幾何約束及應(yīng)力約束為約束函數(shù)，根據(jù)應(yīng)力計算的拱端力系成果，進行壩肩抗滑穩(wěn)定驗算，綜合比較后確定了橢圓線型拱壩。

在壩體應(yīng)力要求均勻合理的前提下，為了使拱端形成較大的推力角，橢圓曲線長軸順河向布置，拱圈曲率半徑由拱冠向兩岸逐漸減小，使曲線逐漸扁平。拱圈中心角遵循頂部及底部取小值，中下部取大值，適應(yīng)壩體中下部較大的應(yīng)力，而中上部曲線扁平化有利于壩肩穩(wěn)定的特點。由于兩壩肩基巖變形模量在不同部位相差較大，為適應(yīng)其變化情況，水平拱圈由拱冠向兩岸沿弧長逐漸加厚，使拱圈應(yīng)力趨于均勻。最終用于施工的拱壩主要體型參數(shù)特征值見表1。

優(yōu)化后壩體混凝土減少17.7%，約6.3萬m3，石方開挖減少17.9%，約5.2萬m3。

3 氧化鎂混凝土應(yīng)用設(shè)計

3.1 材料優(yōu)選

氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計，首先需要優(yōu)選壩體混凝土的拌和料，諸如水泥、摻合料、骨料、外加劑。在選定拌和料后進行氧化鎂混凝土的自生體積變形試驗，根據(jù)實驗獲得的變形曲線，對拱壩溫度場和應(yīng)力場進行仿真分析。

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能及水化熱等基本技術(shù)參數(shù)如表2。

混凝土摻合料選用粉煤灰，經(jīng)檢測，其品質(zhì)滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（D L/T 5055-1996）中國家Ⅱ級粉煤灰標準。人工骨料采用壩址附近厚層石灰?guī)r扎制，砂的細度要求為中砂，石粉含量按16%～20%控制。

氧化鎂采用輕燒氧化鎂，要求大于90%。其主要指標等檢測試驗結(jié)果見表3。

表1 拱壩體型參數(shù)特征值

表2 水泥物理、力學(xué)性能及水化熱檢測表

表3 氧化鎂性能檢測表

3.2 混凝土試驗

3.2.1 氧化鎂壓蒸試驗

為了了解不同氧化鎂摻量對水泥、混凝土的影響，分別進行凈漿、砂漿、一級配混凝土壓蒸試驗。壓蒸試驗結(jié)果見表4～表6。

表4 凈漿壓蒸試驗表

表5 砂漿壓蒸試驗表

表6 一級配混凝土壓蒸試驗表

試驗結(jié)果表明，粉煤灰摻量為60%時，凈漿、砂漿、一級配混凝土中氧化鎂的極限摻量分別為3.01%、7.65%、8.77%。配合比試驗以一級配試驗成果為準，對所選摻量乘以安全系數(shù)0.85，即粉煤灰摻量為60%時，氧化鎂最高摻量為7.53%。混凝土配合比試驗氧化鎂摻量采用6%。

3.2.2 混凝土配合比試驗

壩體三級配混凝土大石、中石和小石的比例分別為30%、40%和30%，二級配混凝土中石和小石的比例分別是60%和40%。混凝土配合比見表7，材料特性見表8。

根據(jù)混凝土配合比，開展氧化鎂混凝土自身體積變形試驗，按不同氧化鎂摻量（即0%、5.0%、6.0%、7.0%）、粉煤灰摻量（65%、60%、40%）及不同溫度（20℃、30℃、40℃）條件下進行，試驗結(jié)果見表9、表10、表11。

表7 拱壩混凝土設(shè)計配合比

表8 拱壩混凝土材料特性

表9 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（20℃）

表10 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（30℃）

表11 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（40℃）

從現(xiàn)場氣象條件出發(fā)，考慮其他因素，結(jié)合已建氧化鎂混凝土拱壩的原型觀測資料，研究后采用80μ ε用于仿真計算。

3.3 仿真分析與溫控

3.3.1 仿真分析

采用溫控仿真分析程序Sa pT i s進行了溫度場、應(yīng)力場仿真計算、計算參數(shù)除前述的基本參數(shù)外，彈性模量、水化熱溫升均根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬和求得，模型均采用雙曲線型，碾壓混凝土的絕熱溫升實驗值和擬合值見圖2。由于缺乏實驗資料，混凝土的徐變參照類似工程的實驗數(shù)據(jù)予以擬合。

圖2 混凝土絕熱溫升曲線

計算單位按照施工組織計劃提供的壩體混凝土澆筑計劃進行仿真分析，考慮壩址氣象條件，冬季較溫和，夏季氣溫高，而壩體一部分混凝土可能在夏季進行澆筑。首先提出全壩不設(shè)縫（誘導(dǎo)縫或橫縫），在夏季高溫季節(jié)適當(dāng)增加通水冷卻的方案。其壩體拉應(yīng)力在允許范圍。見圖3。

當(dāng)設(shè)計方案提出后，現(xiàn)場進行的混凝土配合比生產(chǎn)性試驗出現(xiàn)了問題，由于施工單位混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)配備的是連續(xù)性混凝土拌和機，其攪拌時間偏短而經(jīng)廠家現(xiàn)場試驗也不能延長，即氧化鎂不能在混凝土拌和時摻加。通過在拌和樓外摻氧化鎂試驗，發(fā)現(xiàn)氧化鎂摻加不均勻，不能滿足要求。故改在水泥廠內(nèi)摻，即采購氧化鎂半成品在水泥廠與水泥熟料共磨，從而使其在水泥中均勻分布，解決了混凝土內(nèi)氧化鎂的均勻性的問題。在與水泥廠家談判時，廠家囿于行業(yè)規(guī)定不愿出廠水泥的氧化鎂含量過高，最終結(jié)果將水泥中的氧化鎂含量按水泥的6.5± 0.5%出廠。由此，使得原壩體混凝土設(shè)計配合比中氧化鎂的摻量達不到設(shè)計預(yù)期的6%，僅達到2.4～2.9%。根據(jù)前期混凝土試驗成果、混凝土現(xiàn)場配合比試驗及以往氧化鎂混凝土拱壩的應(yīng)用經(jīng)驗，在綜合平衡混凝土水化熱及混凝土自身體積變形的影響后，將拱壩混凝土設(shè)計配合比作相應(yīng)調(diào)整，見表12。通過對壩體氧化鎂混凝土配合比的調(diào)整，在水化熱略微上升的基礎(chǔ)上，使氧化鎂的摻量達到3.1～3.6%，同時減弱粉煤灰對微膨脹的抑制，盡量彌補由于氧化鎂的摻量達不到設(shè)計預(yù)期而導(dǎo)致的微膨脹量減少。

由于氧化鎂摻量的降低，混凝土的微膨脹達不到設(shè)計預(yù)期，通過充分論證，采用60μ ε重新進行仿真分析。首先對施工方案進行復(fù)核，由于氧化鎂的補償不足，較多部位拉應(yīng)力超標，需要進行調(diào)整。第二次計算結(jié)果，確定設(shè)兩條橫縫，見圖4。采用該方案施工，取消了壩體通水冷卻措施。設(shè)計按二次仿真分析提供的方案，對施工圖進行修改。

圖3 壩體無縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

表12 拱壩混凝土施工配合比

圖4 壩體設(shè)兩條縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

由于各種原因，壩體混凝土澆筑過程不夠順利，當(dāng)上升到760m高程時，全面停工。一年以后開始復(fù)工繼續(xù)進行工程建設(shè)，對此又再次進行仿真分析。計算單位結(jié)合設(shè)計意見，提出在770m高程增加兩條誘導(dǎo)縫的方案，見圖5。

大壩按第三次仿真分析后的方案施工完成。

3.3.2 溫控措施

氧化鎂混凝土拱壩通過氧化鎂自生體積變形產(chǎn)生的補償作用，作為混凝土的主要溫控措施。但是在高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，輔以其他的一些常用的簡易溫控手段也是必要的，設(shè)計要求黃花寨拱壩在高溫季節(jié)施工中采用如下一些溫控措施：

（1）盡可能降低混凝土出機口溫度。對拌和系統(tǒng)的水泥罐和煤灰罐設(shè)管路噴水，在拌和系統(tǒng)的骨料倉上空安裝防曬網(wǎng)，減少太陽光對骨料的直射，降低出機口混凝土的溫度。

（2）防止混凝土運輸過程中溫度回升。對運輸混凝土的自卸汽車安裝帆布棚，將車上混凝土全部覆蓋，減少太陽光直射引起的溫度回升。

（3）倉面施工控制。高溫天氣時，在太陽光的照射和大風(fēng)條件下，采用倉面噴霧降溫，并用麻袋和彩條布覆蓋，保持倉面混凝土一直處于濕潤狀態(tài)。

4 結(jié)語

黃花寨碾壓氧化鎂混凝土拱壩施工過程中，在700m高程時停工9個月，在759.8m高程時停工13個月。雖然設(shè)計方案也隨著進行調(diào)整，但實際壩體的溫度場和應(yīng)力場總是難以完全模擬，不利的因素還是存在的。

由于業(yè)主提前投產(chǎn)的生產(chǎn)目標需要，2010年9月大壩澆筑至795.5m高程（正常蓄水位）時，水庫下閘蓄水。此時上部壩體混凝土溫度未降到封拱溫度，同時由于誘導(dǎo)縫部位混凝土是2010年4月開始澆筑，還未經(jīng)過一個低溫季節(jié)，經(jīng)測縫計觀測，除兩條橫縫740m高程以下有0.2m m的張開度外，其余部位尚未發(fā)現(xiàn)有張開的跡象，因此，大壩在未進行橫縫灌漿的情況下蓄水運行。目前，大壩溫度已接近封拱溫度，計劃在入冬以后，進行橫縫及誘導(dǎo)縫灌漿。

黃花寨大壩是第一座壩高超100m采用全壩外摻氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)設(shè)計建成的拱壩，設(shè)計根據(jù)施工進度的變化，利用仿真分析手段，進行多次方案調(diào)整，將不利因素影響盡可能降低，使工程順利建設(shè)完成。黃花寨氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計對類似工程具有一定的借鑒意義。

圖5 壩體設(shè)四條縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

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1672-2469（2015）05-0098-07

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.031

熊 杰（1974年—），男，高級工程師。