金沙水電站尾礦骨料混凝土溫控防裂研究

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，為干熱河谷氣候，多年平均氣溫20.9℃，月平均最高、最低氣溫分別為26.1℃、13.0℃。金沙水電站擋水建筑物為混凝土重力壩，最大壩高66.00 m。各壩段均不設縱縫，采用通倉澆筑，其中溢流壩段順水流方向長59.43 m，最大堰高36.5 m。根據工程土石方平衡調配成果，金沙水電站主體工程混凝土骨料優先采用開挖有用料，尚缺骨料33.91萬m3。攀鋼尾礦石料為攀鋼礦石采場的剝離圍巖，經巖相礦物鑒定為以輝長巖、大理巖等構成為主。該尾礦料作為棄料在攀枝花市露天堆積量大、運輸條件好，用作金沙水電站混凝土骨料補充料有較大經濟優勢。

近年來，尾礦料用作混凝土骨料經眾多學者研究驗證已成為可行，并取得不少研究成果[1-2]，目前已有將尾礦骨料用作市政及交通工程的應用實例[3-4]，但用于水利水電工程永久工程混凝土的實例極少，在投入到本工程應用之前有必要充分掌握攀鋼尾礦骨料混凝土熱力學性能，并制定合適的溫控防裂措施。

本文根據尾礦骨料混凝土性能研究成果，開展多條件、多種敏感性因素的大壩混凝土溫控仿真計算，提出適用于尾礦骨料混凝土溫控防裂方案。研究成果將有力推動尾礦骨料在水電工程領域的應用。

1 攀鋼尾礦骨料混凝土性能試驗

對攀鋼尾礦骨料化學成分組成，加工工藝和與原材料適應性以及尾礦骨料混凝土拌和物性能、熱力學、變形及耐久性能等進行了試驗，主要結論如下。

(1) 攀鋼尾礦的毒性浸出、放射性等均滿足標準要求，骨料不具有堿活性。

(2) 經破碎篩分加工的粗細骨料品質均滿足規范要求。

(3) 攀鋼尾礦骨料和水泥、粉煤灰、外加劑配制的混凝土拌和物和易性良好，無離析分層等現象。尾礦骨料在振搗和硬化過程中分布基本均勻，未發現尾礦骨料下沉或尾礦與水泥砂漿離析現象。

(4) 按推薦配合比配置的大壩尾礦骨料混凝土強度、抗凍、抗滲、極限拉伸值等性能均滿足設計要求。主要熱力學性能試驗成果如表1～3所示。

另外，采用攀鋼尾礦料配制的相同性能的混凝土，其膠凝材料用量較開挖料混凝土多10～20 kg/m3，混凝土的絕熱溫升高1.0℃～2.0℃。因此還需對大壩混凝土溫控方案和抗裂安全做進一步研究和復核。

表1 尾礦料混凝土主要熱學性能試驗成果Tab.1 Main thermal properties test resultsof tailings aggregate concrete

表2 尾礦料混凝土主要力學性能試驗結果Tab.2 Main mechanical properties test resultsof tailings aggregate concrete

表3 尾礦料混凝土彈模、極拉值試驗結果Tab.3 Elastic modulus and extreme tensiontest results of tailings aggregate concrete

2 溫度及溫度應力計算原理

由熱量平衡原理，導出固體熱傳導基本方程[5-11]：

(1)

式中,ax,ay,az為x,y,z方向的導溫系數，λx,λy,λz為相應方向的導熱系數，c為材料比熱，ρ為材料容重，τ，T分別描述任意時刻和溫度。

根據變分原理,可導出滿足熱傳導基本方程和邊界條件的有限元支配方程：

[H]{T}+{F}=0

(2)

式中,[H]為熱傳導矩陣；{T}為溫度向量；{F}表示溫度場及溫度梯度的函數。

混凝土應變增量由彈性應變增量、溫度應變增量、自生體積變形增量以及徐變應變增量4部分組成[5,12-15]。推導可得復雜應力狀態下的應力-應變增量關系式如下：

(3)

由于混凝土澆筑后，彈模和徐變度等參數都隨混凝土齡期的增加而增大，可以采用增量法進行計算。根據虛功原理，不難推導出混凝土結構在熱、力作用下的平衡方程如下：

[K]{Δδ}={ΔPn}L+{ΔPn}C+{ΔPn}T+{ΔPn}o+{ΔPn}S

(4)

式中,{Δδ}為位移增量，[K]為剛度矩陣,{ΔPn}L為外荷載引起的節點荷載增量,{ΔPn}C為徐變引起的節點荷載增量,{ΔPn}T為變溫引起的節點荷載增量,{ΔPn}o為混凝土自生體積變形引起節點荷載增量，{ΔPn}S為干縮引起的節點荷載增量。

由方程(4)求得位移增量后再由方程(3)求出應力增量，進而結構應力也易于求出。

3 尾礦料混凝土溫控措施研究

3.1 最高溫度控制標準

采用有限元法計算了金沙水電站典型溢流壩段穩定溫度場，結果表明溢流壩段基礎約束區穩定溫度為16.0℃。根據各部位穩定溫度、準穩定溫度及基礎溫差、內外溫差標準和表面保護標準，確定金沙水電站大壩各部位設計允許最高溫度見表4。

表4 大壩各部位設計允許最高溫度Tab.4 Allowable maximum temperature of the dam ℃

3.2 不同方案最高溫度計算對比

實際施工過程中，為控制壩體內部溫度滿足設計允許最高溫度控制要求，需制定并采取合適的澆筑溫度、澆筑層厚以及通水冷卻等溫控措施。表5給出各月澆筑的C9025混凝土在不同溫控措施條件下最高溫度計算成果。其中，計算通水冷卻時，每個澆筑層內按埋設1層冷卻水管考慮，水管水平間距取1.5 m，通水水溫取12.0℃，通水流量取1.2m3/h。

(1) 澆筑層越厚，混凝土內部溫度相對越高，且外界溫度越低時，澆筑層厚度變化對最高溫度影響越大。2.0 m厚混凝土與1.5 m厚混凝土相比，低溫及次低溫季節相同澆筑條件下混凝土早期最高溫度約增大1.7℃～2.5℃，而在高溫及次高溫季節，最高溫度約增大1.4℃～2.2℃。

(2) 澆筑溫度直接影響混凝土早期最高溫度。對于1.5 m厚混凝土，澆筑溫度每升高2.0℃，混凝土早期最高溫度增加1.0℃～1.2℃；對于2.0 m厚混凝土，澆筑溫度每升高2.0℃，混凝土早期最高溫度增加1.2℃～1.4℃。

(3) 1.5～2.0 m厚混凝土內部埋設一層冷卻水管進行通水冷卻后，內部最高溫度較不通水方案約降低1.6℃～2.2℃，且外界氣溫越高，通水降溫效果越明顯。

表5 C9025混凝土早期最高溫度Tab.5 The maximum temperature of concreteC9025 at early ages ℃

3.3 溫控方案擬定

根據不同方案最高溫度計算成果與設計允許最高溫度對比，初擬大壩主要溫控方案如下。

(1) 基礎強、弱約束區及脫離基礎約束區澆筑溫度分別控制不超過16.0℃,18.0℃,20.0℃～24.0℃。

(2) 基礎約束區高溫及次高溫季節澆筑的混凝土層厚應控制不超過1.5 m，其它部位澆筑層厚可取1.5～2.0 m。

(3) 大體積混凝土內部埋設冷卻水管進行通水冷卻。冷卻水管采用PVC水管，外徑32 mm，內徑28 mm；水管水平間距采用1.5 m，豎直間距根據澆筑層厚度選用1.5～2.0 m。通水冷卻分初、中兩期進行，其中初期通水主要以降低壩體內部最高溫度為主，中期通水目的是在入冬前減小大壩內外溫差。

初期通水水溫采用10.0℃～12.0℃制冷水或低溫河水，單根水管通水流量按1.2～1.5 m3/h計，通水時間一般15 d左右，基礎約束區及脫離基礎約束區初期通水目標溫度分別為26.0℃～28.0℃,28.0℃～30.0℃。

中期通水于每年10月初開始，通河水冷卻，單根水管通水流量按1.0～1.2 m3/h計，通水時間一般25～35 d。基礎約束區及脫離基礎約束區中期通水目標溫度分別為20℃～22℃,22℃～24℃。

4 典型壩段溫度應力仿真

本節選取9號溢流壩段作為研究對象，建立有限元計算模型如圖1所示。溫度場仿真中，定義大壩上下游面、澆筑倉面為散熱面，其他面為絕熱面。應力場仿真中，定義地基底部全約束，地基四個側面為法向約束。

該壩段建基面高程975 m，壩頂高程1 027 m，開澆計算時間根據進度安排取為2017年10月。

圖1 典型壩段有限元計算模型Fig.1 Finite element model of typical fam block

圖2～3給出了壩體內部最高溫度及最大拉應力包絡圖，圖4給出了大壩基礎強約束區內部特征點溫度及溫度應力曲線。

圖2 最高溫度包絡圖(單位：℃)Fig.2 Maximum temperature envelope

圖3 最大拉應力包絡圖(單位：MPa)Fig.3 Maximum tensile stress envelope

(1) 基礎約束區混凝土在10月開始澆筑，采取設計擬定溫控措施，混凝土最高溫度為29.8℃～30.6℃，混凝土內部最大拉應力約1.51 MPa，對應安全系數為1.80。

(2) 溢流面最大拉應力出現在反弧段表面，最大應力值約為2.07 MPa，抗裂安全系數為1.95。

(3) 脫離基礎約束區混凝土最高溫度26.0℃～37.8℃，混凝土內部最大拉應力1.62 MPa，抗裂安全系數達2.0以上。

(4) 綜上，各部位最高溫度均滿足設計允許最高溫度，抗裂安全系數可達到1.8以上，滿足混凝土壩溫度控制設計規范中抗裂安全系數需達到1.5～1.8的要求。

5 結 論

本研究針對尾礦骨料混凝土特性，開展多條件、多種敏感性因素的大壩混凝土溫控計算和仿真分析，提出尾礦骨料混凝土溫控防裂方案。在10月份開始澆筑混凝土，按推薦的溫控措施和層間間歇進行施工，各部位最高溫度及最大溫度應力抗裂安全系數在1.8及以上，滿足混凝土壩溫度控制設計規范抗裂安全系數需達到1.5～1.8的要求，表明尾礦料用作大壩混凝土骨料在施工和溫控上是可行的。

研究成果為攀鋼尾礦料在水電工程中的推廣應用提供了技術支撐，同時還豐富了尾礦料的利用途徑，既改善了環境又創造了經濟價值，具有巨大的社會效益和經濟效益。