印尼巴丹托魯水電站大壩混凝土溫控研究

陳 勇, 楊 尹

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

巴丹托魯水電站位于印度尼西亞北蘇門答臘省南塔帕努里縣的巴丹托魯河上，樞紐由攔河壩、泄洪、引水、發電等建筑物構成。攔河壩為拱形混凝土重力壩，壩高74 m；引水隧洞長12.23 km，電站額定水頭273.4 m，設計流量207.6 m3/s，裝機4臺，總裝機容量510 MW。水電十局作為項目的EPC總承包商承擔該項目的全部工程。

巴丹托魯水電站大壩的主要混凝土工程量包括C14碾壓混凝土約12萬m3，C21常態混凝土約5萬m3，大壩壩址位于北緯1.63°，東經99.19°，工程區屬于熱帶雨林氣候，其混凝土溫控環境與國內有很大的不同，混凝土主要采用美國材料協會和混凝土協會標準，亦與國內采用的標準有一定差異。在混凝土材料方面，由于印度尼西亞基礎工業薄弱，低水化熱水泥很難獲得，粉煤灰質量差且作為危險廢棄物進行管理，加之蘇門答臘地區的公路運輸條件極差，粉煤灰的運輸和使用非常困難。筆者通過對當地材料進行調查研究以及現場試驗和仿真，探討了低緯度熱帶雨林地區大體積混凝土溫控的控制標準和措施，并將其用于指導現場施工。

2 工程所處的環境和混凝土材料

2.1 壩址氣溫

工程區的年氣溫變化幅度小，壩址附近氣象資料顯示，月均最低氣溫出現在1月，為24.7 ℃，月均最高氣溫出現在7月，為25.7 ℃，年均氣溫25.2 ℃。

2.2 大壩庫水溫度和穩定溫度

水庫的類型可以通過多年平均徑流W(m3)和庫容V(m3)的比值進行判斷。當比值大于20時判定為混合型水庫[1]。巴丹托魯水庫徑流與庫容的比值為20 167，據此可以判定其為混合型水庫，水溫和底層水溫的差別較小，因此可以認為庫底溫度近似等于建庫前河道來水的最低月平均水溫。

實測7月天然河道水溫接近24 ℃。考慮到7月平均氣溫為25.7 ℃，水溫比平均氣溫低1 ℃左右，因此，可以近似地認為天然河水水溫最低為23 ℃左右，庫底溫度可以取為23 ℃。考慮到壩址氣溫年變幅很小，因此，水溫年變幅亦很小，可以假定庫底水溫年內無變化，為定值(23 ℃)。

2.3 水 泥

印度尼西亞工業基礎薄弱，距壩址最近的水泥廠位于西蘇門答臘巴東市，距離壩址處約450 km，僅提供OPC(ASTM C 150- I型水泥)水泥和PCC水泥(普通硅酸鹽水泥)。由于巴丹托魯項目的技術規范明確要求只能使用ASTM C 150- I型水泥，故筆者對該階段的研究亦基于ASTM C 150- I型水泥，其7 d的水化熱為330 kJ/kg，對混凝土的溫度控制非常不利。

2.4 粉煤灰

當地電廠主要使用加里曼丹島產的褐煤，粉煤灰質量較差，篩余量普遍超過20%，只能達到Ⅲ級粉煤灰標準，使用時需要自建選礦廠進行加工。同時，由于粉煤灰在印度尼西亞按危險廢棄物進行管理，在其使用前需提前向該國環境部申請許可。

3 控制標準

3.1 內外溫差

美國混凝土協會標準ACI對混凝土內部溫度的建議為： 30 d內，從混凝土最高溫度起算的溫度回落不超過15℉到30℉ (8℃到 17 ℃)[2]，相對于中國標準的內外溫差不超過20 ℃[3]更為嚴格。按照ACI標準控制的混凝土最高溫度為42 ℃，按照中國標準控制的混凝土最高溫度為45 ℃。筆者通過仿真結果對內外溫差的控制標準進行了探討。

3.2 基礎溫差

巴丹托魯水電站大壩碾壓混凝土的長邊范圍取30～70 m，常態混凝土的長邊范圍取21～30 m，按照混凝土壩溫度控制設計規范規定[4]，混凝土的基礎容許溫差見表1。

巴丹托魯水電站大壩的基礎強約束區和弱約

表1 混凝土基礎容許溫差表 /℃

束區主要是碾壓混凝土，按基礎容許溫差控制的混凝土最高溫度更低，強約束區碾壓混凝土的最高控制溫度不超過37.5 ℃，弱約束區混凝土的最高控制溫度不超過39.5 ℃。常態混凝土主要集中在溢洪道以上的部位，距基礎面高差為38 m左右，在基礎約束區之外，內外溫差要求控制的最高溫度比基礎溫差的要求更嚴格，常態混凝土應按內外溫差17 ℃的控制標準執行，混凝土最高控制溫度為42 ℃。

3.3 溫度應力

混凝土溫控的最終目標是防止拉應力超過容許應力造成混凝土裂縫，按照混凝土重力壩設計規范中的規定，基礎混凝土的溫度應力按混凝土極限拉伸值控制：

γ0σ≤εpEc/γd[5]

式中σ為各種溫差所產生的溫度應力之和，MPa；εp為混凝土極限拉伸值的標準值；Ec為混凝土彈性模量標準值，MPa；γd為溫度應力控制正常使用極限狀態短期組合結構系數，取1.5。

考慮到ASTM試驗標準中圓模對國標中方模的強度折算后，碾壓混凝土C14的最大容許抗裂應力取0.97 MPa，C21常態混凝土的最大容許抗裂應力取1.31 MPa。

3.4 絕熱溫升試驗

混凝土絕熱溫升直接關系到混凝土的水化熱溫升，進而影響到混凝土結構最高溫度。通過現場絕熱溫升試驗，對大壩工程量最大的幾種混凝土的絕熱溫升進行了研究，所獲得的試驗所用的參考配合比見表2。

表2 混凝土試驗配合比表

注：①混凝土標號采用美國材料協會規范ASTM-C39圓柱型混凝土試件抗壓強度標準試驗方法測試的強度;②水泥采用ASTM C150-I性水泥。

絕熱溫升試驗采用HJW-4混凝土絕熱溫升測定儀進行，試驗成果見圖1。

圖1 混凝土絕熱溫升圖

C14碾壓混凝土的7 d絕熱溫升為16 ℃，C21混凝土的7 d絕熱溫升為34 ℃。通過溫控措施可以使混凝土最高溫度滿足溫控要求。C24.5常態混凝土的7 d絕熱溫升高達50 ℃，因此，即使采取溫控措施，混凝土的最高溫度也很難滿足要求。故在施工中應避免使用這種不摻加粉煤灰的二級配混凝土用于澆筑大體積混凝土。

3.5 溫度場和溫度應力場仿真

溫度場和溫度應力場仿真是通過建立大壩上下游及底部1.5倍壩高范圍內的三維有限元模型，通過熱傳導微分方程求解，在空間域上運用有限單元離散，在時間域上運用差分法離散，所有單元疊加后得到穩定溫度場。在溫度場的基礎上，通過求解混凝土彈性應力和徐變應力等建立溫度應力場。基于三維有限元的施工仿真已經被廣泛應用，筆者在此不再詳述。

混凝土溫控的主要目標是防止拉應力造成混凝土裂縫，溫度場和溫度應力場的仿真具有較強的指導意義，以現場試驗數據為基礎進行溫度場和應力場仿真，其仿真結果可以用于驗證溫控標準并指導施工措施的制定。

(1)無溫控措施的溫度和應力場仿真結果。不考慮溫控措施，澆筑溫度為氣溫加3 ℃，約束區澆筑層高為1.5 m，非約束區澆筑層高為2～3 m，施工期溫度及溫度應力變化較大，采用一天一步計算進行有限元法計算機仿真。其溫度場和應力場結果見圖2、3。

碾壓混凝土的最高溫度為47 ℃，超過最高控制溫度，上游表層混凝土靠近壩端的部位最大溫度應力為1.13 MPa，超過允許抗裂拉應力。常態混凝土最高溫度超過60 ℃，超過最高控制溫度，最大溫度應力為1.75 MPa，超過允許抗裂拉應力。因此，無論是碾壓混凝土，還是常態混凝土都需要采取溫控措施。

圖2 無溫控的溫度場分布圖

圖3 無溫控的應力場分布圖

(2)控制澆筑溫度措施下的溫度場和溫度應力場仿真結果。將澆筑溫度控制為20 ℃、其它條件相同下進行仿真，碾壓混凝土最高溫度為42.5 ℃，超過最高控制溫度，最大溫度應力為0.93 MPa，未超過最大容許抗裂應力；常態混凝土的最高溫度為55 ℃，超過最大控制溫度，最大溫度應力為1.61 MPa，超過允許抗裂拉應力。仿真結果顯示：碾壓混凝土的溫度應力滿足控制標準，但最高溫度仍不滿足溫度控制要求；常態混凝土的溫度和應力均超過控制指標，需要進一步加強溫控。

(3)采用控制澆筑溫度和一期通水冷卻下的溫度和應力場仿真結果。在控制澆筑溫度為25 ℃并對壩體混凝土進行一期通水冷卻，水管按照1.5 m(層厚方向)×1.5 m(水管間距)布置，通水水溫為20℃～30℃，一期通水15～20 d，通水的前7 d其通水流量為2 m3/h，后8 d通水流量不超過1.2 m3/h的條件下進行仿真，碾壓混凝土在基礎強約束區內的最高溫度為36 ℃，弱約束區內的最高溫度為39.5 ℃，滿足最高控制溫度的要求，碾壓混凝土最大溫度應力為0.7 MPa，滿足允許抗裂拉應力控制要求。常態混凝土的最高溫度為48.8 ℃，仍不能滿足最大控制溫度的要求，最大溫度應力為0.93 MPa，滿足允許抗裂拉應力控制要求。

4 結論及措施

對試驗和仿真結果分析可知：

(1)ASTM C-150-I型水泥的水化熱過大，在采取綜合溫控措施下，常態混凝土的最高溫度仍達48.8 ℃，其根本原因為水泥水化熱過大，如果采用Ⅱ型水泥， 其7 d水化熱可以降低約40 kJ/kg，有利于混凝土溫控和防裂。

(2)通過對比C21和C24.5常態混凝土的絕熱溫升可以看出:水泥是混凝土水化熱的源頭，大體積混凝土應優先采用三級配混凝土并摻加粉煤灰以降低水泥的用量。

(3)在使用Ⅱ型水泥和調整混凝土最高溫度的情況下，碾壓混凝土通過控制澆筑溫度即可滿足溫度控制要求。如果不能調整，則需要同時使用控制澆筑問題和壩體一期通水冷卻的綜合溫控措施。

(4)在采取控制澆筑溫度和壩體一期通水冷卻的措施下，常態混凝土的溫度應力滿足控制標準，但其內外溫差仍然不能滿足ACI規范所建議的17 ℃。根據溫度應力的仿真結果，混凝土的最高溫度可以放寬到48 ℃，在該條件下，溫度應力不會超過允許抗裂拉應力。在此情況下，通過控制澆筑溫度和壩體一期通水冷卻的綜合措施可以滿足溫控要求。