白鶴灘大壩中熱與低熱水泥混凝土溫控對比分析

(中國電建集團 華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45 km，上接烏東德梯級電站，下鄰溪洛渡梯級電站。白鶴灘水電站的開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪，促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展和幫助移民群眾脫貧致富。

白鶴灘水電站樞紐由攔河壩、泄洪消能設施、引水發(fā)電系統(tǒng)等主要建筑物組成。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m，壩頂厚度14.0 m，最大拱端厚度83.91 m，含擴大基礎最大厚度95 m，壩體混凝土方量約803萬m3。大壩壩頂弧長約709.0 m，分30條橫縫，共31個壩段。高程750.0 m以上基礎(1～3號壩段)設混凝土墊座，4～25號壩段底部設擴大基礎。大壩不設縱縫，采用通倉澆筑。雙曲拱壩壩身設6個表孔+7個深孔+6個導流底孔，布置于拱壩中央的15～22號壩段。拱壩全年施工，施工年限長，施工條件復雜。

白鶴灘工程地處亞熱帶季風區(qū)，干熱河谷特征明顯，年平均氣溫21.95℃；多年平均蒸發(fā)量2 393.5 mm；年均風速1.7 m/s，年均大風(風速≥17 m/s)日42.8 d。多年觀測統(tǒng)計的月平均氣溫見表1。

表1 多年月平均氣溫統(tǒng)計 ℃

白鶴灘拱壩混凝土溫控主要有以下特點：①壩址區(qū)干熱河谷氣候明顯，冬季干燥、風大；②拱壩徑向尺寸與類似工程相比較大，體形復雜；③大壩需全年澆筑、全年封拱灌漿，施工條件極其復雜；④拱壩混凝土采用灰?guī)r骨料，材料綜合抗裂能力較好；⑤大壩混凝土溫控采取智能化控制，包括智能化測溫、智能化通水等，專業(yè)化要求高；⑥大壩首次全面采用低熱水泥，在國內(nèi)乃至世界上具有開創(chuàng)性意義。

2 混凝土材料試驗及計算參數(shù)

根據(jù)兩種水泥材料的混凝土性能試驗對比，7 d齡期的低熱水泥混凝土強度略低于中熱水泥混凝土；28 d 齡期的兩種水泥混凝土強度接近；90 d齡期以后的低熱水泥混凝土強度增幅較大，甚至較中熱水泥混凝土更高。

低熱水泥混凝土絕熱溫升明顯低于中熱水泥混凝土，且發(fā)熱速率更慢。C18040低熱水泥混凝土在3, 5, 28 d齡期的溫度較中熱水泥混凝土分別低約4， 3.9，2.2℃。

圖1 大壩最高溫度控制分區(qū)(下游立視)

根據(jù)混凝土材料試驗結(jié)果，擬定計算采用的中熱、低熱水泥混凝土熱力學參數(shù)見表2與表3。

表2 中熱、低熱水泥混凝土熱學性能參數(shù)

注：t為混凝土齡期，d。

3 溫控標準對比

3.1 基礎混凝土容許溫差

白鶴灘工程規(guī)模巨大，因此對大壩混凝土抗裂安全要求高。大壩混凝土超大斷面尺寸，受基巖作用強，分別采用約束系數(shù)法、有限元法對基礎溫差應力進行計算，分析其允許溫差值。

表3 中熱、低熱水泥混凝土劈拉強度

采用約束系數(shù)法計算，中熱、低熱水泥混凝土的容許溫差值分別為14.53℃與15.48℃。有限元法計算結(jié)果顯示，中熱、低熱水泥壩體混凝土基礎容許溫差分別為16.51℃與15.15℃。

分析兩種水泥混凝土的計算成果，白鶴灘拱壩中熱、低熱水泥混凝土基礎容許溫差接近，溫差控制標準基本一致。

3.2 最高溫度控制標準

根據(jù)大壩混凝土基礎容許溫差的對比計算結(jié)果，以及對白鶴灘拱壩混凝土抗裂提出的要求，拱壩混凝土采用兩種水泥材料的最高溫度控制標準相同，即不超過27℃與29℃，控制標準分區(qū)如圖1所示。

4 抗裂性能對比

混凝土材料試驗成果表明，低熱水泥混凝土總體上性能較好[1]，但也存在早期強度發(fā)展偏慢的問題。采用有限元仿真計算，分析了中熱、低熱水泥混凝土分期冷卻過程中的溫度、應力、抗裂安全系數(shù)，以及早齡期的混凝土表面抗裂能力，對比2種水泥混凝土的溫控抗裂性能。

4.1 整體降溫過程中混凝土抗裂安全性

選取河床28號壩段建立三維有限元模型，為更真實地反映邊界條件，選取左、右各一個壩段作為計算模型，即27號與29號壩段為28號壩段約束邊界條件[2]。三維計算模型見圖2。

圖2 28號壩段計算模型

計算起始澆筑月份為7月、1月的工況，分別代表高、低溫澆筑季節(jié)，中熱、低熱水泥混凝土采用相同的溫控措施方案進行模擬，溫度、應力計算結(jié)果[3]見表4。大壩冷卻分3期進行，其中1期冷卻主要控制混凝土溫度峰值，混凝土澆筑后即可開始；2期冷卻主要指拱壩封拱灌漿前的冷卻階段，2期冷卻目標溫度即為拱壩的封拱溫度；為實現(xiàn)緩慢均勻降溫，在1期冷卻與2期冷卻之間設置中期冷卻，作為兩個冷卻階段的過渡。

表4 28號壩段基礎約束區(qū)各期冷卻溫度、應力計算

注：表中σx為順河向應力；k為安全系數(shù)，即混凝土劈拉強度除以拉應力值。

經(jīng)分析計算得出如下結(jié)果。

(1)中低熱水泥混凝土最高溫度均能滿足最高溫度控制標準，同等條件下，低熱水泥較中熱水泥混凝土最高溫度低約1.6℃，且整個壩段的高溫區(qū)范圍明顯縮小。

(2)在1期降溫階段，低熱水泥混凝土因溫度峰值低，降溫幅度也較小，1期冷卻末拉應力水平相對較低，各工況下的低熱水泥混凝土最大拉應力較中熱水泥混凝土低 0.21～0.29 MPa，對應的混凝土抗裂安全系數(shù)高約 0.3。

(3)中期冷卻階段，中、低熱水泥混凝土的降溫幅度在相同條件下，控溫階段拉應力水平緩慢下降，中熱水泥混凝土的應力降幅更明顯，在中期冷卻末拉應力達到最大值。各工況下的低熱水泥混凝土最大拉應力較中熱水泥混凝土低 0.23～0.40 MPa，隨著混凝土強度的提高，低熱水泥混凝土的抗裂安全系數(shù)增大至 2.4以上，中熱水泥混凝土抗裂安全系數(shù)則在 1.9左右。

(4)2期冷卻末，混凝土溫度降至封拱溫度，混凝土拉應力達到峰值，抗裂安全系數(shù)也降到最低。低熱水泥混凝土各工況下的最大拉應力達到1.63～1.66 MPa，相應的抗裂安全系數(shù)為 2.2左右。中熱水泥混凝土拉應力增大，在1.78～1.90 MPa左右，安全系數(shù)降低為1.8左右。

4.2 早齡期混凝土表面抗裂安全性

因低熱水泥混凝土具有早期強度偏低的特點，遭遇晝夜溫差大、氣溫驟降、寒潮等天氣時可能面臨表面拉應力超標的問題。采用平面有限元精細模型，計算早齡期混凝土氣溫驟降時的表面應力，分析中熱、低熱水泥混凝土的抗裂能力。計算模型見圖3，模擬的氣溫驟降模式見圖4。

圖3 氣溫驟降溫度應力分析精細模型

圖4 氣溫驟降曲線

混凝土表面溫度應力計算結(jié)果見表5，各齡期混凝土的允許拉應力見表6。在2 d氣溫驟降10℃的條件下：

(1)混凝土齡期為3～90 d時，中熱、低熱水泥混凝土的溫度應力均較大；在不采取保溫措施的條件下，均超過允許拉應力，不滿足設計要求。

表5 氣溫驟降引起的混凝土表面最大拉應力計算

表6 各齡期混凝土允許拉應力 MPa

(2)混凝土齡期為3 d和7 d時，低熱水泥混凝土的表面應力值較中熱水泥混凝土分別低0.39，0.3 MPa，但由于低熱水泥混凝土的抗拉強度更低，其應力超標比例更大；在不采取保溫措施條件下，低熱水泥混凝土的拉應力明顯低于中熱水泥混凝土。

(3)采取保溫措施后，當?shù)刃嵯禂?shù)達到5 kJ/(m2·h·℃)時，中熱、低熱水泥混凝土各齡期的應力大幅減小，且明顯低于混凝土允許拉應力值，可見保溫對于減小混凝土表面拉應力的作用顯著。

由以上對比分析可見，保溫對于早齡期混凝土尤為重要，相同齡期下尤其是7 d以前，低熱水泥混凝土拉應力值較低，但其混凝土強度值也更低，因此拉應力更容易超標。保溫措施需比中熱水泥混凝土的要求更高，才可滿足表面抗裂安全要求。針對白鶴灘工程特點，混凝土拆模后，應立即進行保溫，表面需采用厚度不低于3 cm的保溫苯板(或其他等效材料)進行系統(tǒng)保溫；在氣溫驟降期間，應推遲拆模，或在模板外側(cè)覆蓋保溫材料。

5 結(jié) 論

(1)低熱水泥混凝土在1期冷卻、中期冷卻產(chǎn)生的拉應力均低于中熱水泥混凝土，抗裂安全系數(shù)相對更大。雖然低熱水泥混凝土早期強度低于中熱水泥混凝土，但低熱水泥混凝土因溫度峰值低、降溫幅度相對較小，在通水冷卻降溫階段抗裂安全系數(shù)仍大于中熱水泥混凝土。對于長周期應力而言，2期冷卻末仍然是拉應力水平最高、安全系數(shù)最低的時刻，是溫控防裂的重點。

(2)低熱水泥混凝土因其絕熱溫升低、發(fā)熱較慢，混凝土最高溫度得到有效控制，采用基本相同的溫控方案，低熱水泥混凝土內(nèi)部拉應力水平更低，抗裂安全裕度更大。

(3)與中熱水泥混凝土相比較，早齡期低熱水泥混凝土在氣溫驟降等短周期溫度作用下表面抗裂安全系數(shù)更低，表面拉應力更容易超標，所需的保溫措施要求更強。