青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設計

周曉信（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設計

周曉信
（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

通過計算，對青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫度及溫度應力進行分析，并根據大壩的施工條件、壩體結構特點、實際施工進度，及大壩所在區域的氣候特點，設置誘導縫，選用合適溫控標準并制定較為適宜的溫控措施。通過工程實際證明，溫控效果良好。

青龍 碾壓混凝土 雙曲拱壩 溫度控制 設計 措施

1 工程概述

青龍水電站位于湖北省恩施市，清江一級支流馬尾溝。工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、發電引水系統、調壓井、岸邊地面式廠房等建筑物組成。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，水平拱圈采用拋物線，壩頂高程737.7 m，河床建基面高程598.0 m，最大壩高139.7 m，頂拱最大中心角82.940°，頂拱弧長116 m，拱冠梁頂厚6 m，底厚23 m，厚高比為0.150 3，最大倒懸度0.125。大壩混凝土放量24萬m3，其中常態混凝土4萬m3，大壩40 m以下采用通倉澆筑，40 m以上設置2條誘導縫，壩體最大寬度58 m。

2 混凝土原材料及主要設計指標

2.1 主要原材料

水泥：采用強度等級為42.5的中熱硅酸鹽水泥，混凝土試驗該水泥7 d水化熱278（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標準高值（293 kJ/kg），3 d水化熱238（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標準值（251 kJ/kg）。摻用0.5抗裂劑在同等條件下水化熱峰值提早4 h，水化熱7 d少10（J/g）。

粉煤灰：采用二級灰，碾壓混凝土中粉煤灰摻量為55%。

骨料：采用灰巖加工的人工骨料，三級配碾壓混凝土砂率為30%，二級配為34%，砂細度模數FM= 2.6，人工砂中石粉含量為20%。

外加劑：采用引氣、減水、緩凝等復合型外加劑。

2.2 主要設計指標

大壩混凝土主要設計指標見表1。

表1 混凝土主要設計指標

3 溫度控制標準

3.1 基礎允許溫差

青龍水電站大壩混凝土基礎允許溫差標準見表2和表3。

表2 基礎允許溫差標準 ℃

表3 青龍水電站碾壓混凝土拱壩基礎允許溫差標準 ℃

我國碾壓混凝土壩設計導則中按照碾壓混凝土極限拉伸值0.7×10-4折算，考慮到工程碾壓混凝土極限拉伸值設計要求取值≥0.9×10-4，試驗極限拉伸值達到1.19×10-4（見表1），其設計值和試驗值分別高于折算標準的28.6%和70%，碾壓混凝土抗裂性能較好，本工程基礎允許溫差標準應適當提高。

3.2 上下層允許溫差

當下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土時，應控制新老混凝土之間的溫差。當連續上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時，允許老混凝土面上下各L/4范圍內上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時下層實際平均溫度之差為（15～20）℃。

3.3 內外溫差標準

當下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土時，應控制新老混凝土之間的溫差。當連續上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時，允許老混凝土面上下各L/4范圍內上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時下層實際平均溫度之差為20℃。

3.4 設計允許最高溫度

壩體基礎約束區的允許最高溫度為壩體的允許基礎溫差與穩定溫度之和，壩體脫離約束區的允許最高溫度可取為上下層溫差、內外溫差與壩體的穩定溫度之和的小值。青龍水電站壩體設計允許最高溫度見表4。

表4 壩體設計允許最高溫度 ℃

對于老混凝土約束區和陡坡、填塘部位，可參照上述基礎約束區混凝土的標準或適當加嚴執行。

3.5 施工期混凝土溫度應力控制標準

根據青龍拱壩的施工進度計劃，大壩混凝土全部澆筑和灌漿工程完成以后，在第4年4月開始蓄水，采用了誘導縫的結構分縫形式，壩體通倉碾壓澆筑，因此在施工期大壩蓄水以前，大壩同時承受自重和溫度荷載的作用。目前 《混凝土拱壩設計規范》（SD 145-85以及SL 282-2003）以及碾壓混凝土壩設計規范（SL 314-2004）只規定了施工期采用柱狀法澆筑的混凝土澆筑塊的水平向徐變溫度應力。其應力控制標準：

式中 σ——各種溫差所產生的溫度應力之和（MPa）；

εp——混凝土極限拉伸值；

EC——混凝土彈性模量（MPa）；

Kf——安全系數，一般采用1.3～1.8。

在溫度荷載的基礎上疊加自重的作用后，其順河向正應力與單獨考慮溫度荷載作用的順河向正應力差別很小。因此，在大壩蓄水以前，擬定青龍拱壩在自重和溫度荷載共同作用下的混凝土拉應力控制標準仍然按照式（1）確定，安全系數采用1.5，列出常態混凝土28 d、碾壓混凝土極限拉伸90 d以內齡期的彈性模量以及相應的極限拉伸值，可計算出大壩混凝土的允許拉應力（表5）。

表5 施工期壩體混凝土應力控制標準

4 溫度控制措施

在制定青龍拱壩溫控措施前，對施工期最高溫度和溫度應力進行了仿真分析，以拱冠梁剖面為例，壩體施工期的最高溫度30℃左右，壩體有兩個高溫區，壩體高溫區發生在（625～640）m和（720～737）m附近；施工期溫度應力：上下游壩面的最大拉應力均控制在1.58 MPa左右，該值小于規范允許的拉應力值1.8 MPa，見附圖。

附圖 下游壩面施工期溫度應力包絡圖（拉應力為+）

4.1 設置誘導縫

通過計算，首先研究大壩整體不分縫的情況，了解最大拉應力產生的部位和時間，初步判斷提出縫的類型以及位置的合理性；研究大壩從施工期到運行期的溫度徐變應力，在應力不能滿足抗裂要求的部位，通過調整誘導縫的設置形式，進一步削弱縫位上混凝土的強度，使得壩體混凝土的應力得以重新分布；如果調整縫的削弱程度和縫的位置還不能滿足混凝土的防裂要求，則增加誘導縫的條數，根據實際的澆筑施工進度，（630～650）m為高溫季節澆筑的混凝土，在擬定的溫控措施方案下，冬季低溫氣候時該部位會產生較其它高程部位更大的拉應力，綜合施工和結構兩個方面考慮，從640m高程開始設置誘導縫，誘導縫為不完全切斷壩體的雙向間斷縫，在壩體中形成軟弱結構面以誘導溫度縫在預計部位產生。

4.2 控制澆筑溫度、優化配合比、骨料預冷

5～10月混凝土澆筑溫度控制在24℃以下，其它月份按自然入倉控制澆筑溫度。優化混凝土配合比，采用具有高摻粉煤灰的碾壓混凝土，降低水化熱的絕熱溫升。進行混凝土施工配合比設計和優化，改善混凝土的和易性及其他特性。在滿足設計各項技術指標的前提下，盡可能減少水泥用量；降低混凝土原材料入機溫度，水泥、粉煤灰等摻合料提前組織進場；人工砂堆場搭設避雨、遮陽棚，高溫季節對粗骨料采取可行的遮陽措施，頂部噴冷水霧降溫；增加骨料堆高，5～10月澆筑的碾壓混凝土要求骨料堆高不低于6 m，砂子和粗骨料均采取地壟取料，降低骨料入機溫度。在入拌料斗的皮帶機上搭建遮陽棚；加強施工組織設計，混凝土水平和垂直運輸達到一體化；降低混凝土溫度的回灌，縮短混凝土出機到碾壓的時間。混凝土盡量利用早晚和夜間澆筑，避免中午高溫時段澆筑。

4.3 合理的澆筑分層、層間間歇及流水養護

合理的澆筑分層既能保證混凝土建筑施工進度，又可以充分利用層面散發水化熱。青龍拱壩碾壓混凝土每間歇層澆筑高度3 m，每一碾壓層厚30 cm，層間作業時間不易大于（6～8）h，且碾壓混凝土從拌和至碾壓完畢，一般在2 h之內完成，每間歇層間歇時間控制7～10 d內。實施倉內噴霧，營造倉內小氣候，5～10月澆筑的碾壓混凝土（或者澆筑時平均氣溫高于25℃時），倉面需噴霧形成小氣候，降低倉面溫度，防止混凝土澆筑過程中的表面干裂和溫度回升，要求噴面噴霧雨量強度每6 min小于0.3 mm。大壩碾壓混凝土采用“斜層澆筑”工藝進行施工。采用斜層施工工藝，相對通倉澆筑的施工工藝，具有倉面面積小、每層混凝土的覆蓋時間短的特點，大大減少了混凝土在倉面的溫度回升。若是平行壩軸線向前推進，對斜層坡腳的處理必須十分慎重，要求在碾壓過程中防止大骨料分離，并且每個條帶的底部必須錯開，防止形成一條自上而下的通道。

在混凝土澆筑完畢后應及時養護，使混凝土表面及側面經常保持濕潤狀態，混凝土終凝后實行流水養護?；炷吝B續養護時間不少于28 d。

4.4 預埋冷卻水管、通水冷卻

青龍拱壩▽624 m高程以上均埋設冷卻水管，▽624 m～▽660 m高層冷卻水管間排距取1.5 m×1 m（豎向×水平），▽660 m高層以上冷卻水管間排距取1.5 m×1.5m，材料特性如下：管外徑=32 mm，管內徑=28 mm，導熱系數≥0.45 W/m·℃，拉伸屈服應力≥20 MPa，縱向尺寸收縮率≤3%。通水冷卻分三期：初期通水在混凝土澆筑收倉后即開始通水，強約束區4～10月、弱約束區5～9月通10℃制冷水，控制水溫與混凝土溫差≤20℃，通水時間20 d。二期通水安排在初期通水之后，入冬之前，初擬通河水40 d，具體通水時間根據壩體溫度情況調整；三期通水在封拱接縫灌漿前，初擬通河水30 d，具體通水時間根據溫度觀測情況調整。冷卻水管通水流量應不小于20 L/min。

4.5 混凝土表面保護

青龍拱壩上、下游面及側面等長期暴露面，10月～次年4月澆筑的混凝土拆模后即設永久保溫層，當遇氣溫驟降時，應推遲拆模時間；5～9月澆筑的混凝土在10月初設永久保溫層，保溫后混凝土表面等效放熱系數β≤2.0 W/m2·℃；每年入秋前，應將孔洞進出口進行封堵。保溫材料建議采用泡沫卷材或聚丙板，混凝土側面和平面覆蓋厚度要求不小于1.5 cm，孔口封堵厚度要求不小于2.3 cm。

5 結 語

青龍拱壩溫度控制設計經過嚴謹的計算分析，確定了混凝土允許最高溫度、上下層溫差及內外溫差等溫度控制標準，同時采用控制澆筑溫度、合理的分縫、層間間歇及通水冷卻等有效的溫控措施，對控制和抑制混凝土裂縫的產生起到了至關重要的作用。實際證明，設計選用的溫控標準及采用的溫控措施是切實有效的，在整個青龍拱壩施工期，未發生危害性裂縫。

2016-05-24）

周曉信（1969-），男，岳陽臨湘人，大學本科，高級工程師，目前從事水利施工管理工作。