高寒高海拔高拱壩工程“倉面小環境”營造

張偉偉

(中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司 葉巴灘監理中心,四川 甘孜州 627153)

0 前 言

葉巴灘水電站地處西藏高原，工程區海拔高，由于地勢高亢，又遠離水汽源地，氣候寒冷而干燥，晝夜溫差大，且常有連續數日的寒潮，拱壩混凝土需在冬季施工，冬季連續施工及混凝土溫控難度大，對混凝土澆筑質量影響較大，易出現裂縫，影響拱壩結構安全。因此采用適宜的措施防止倉面對流散熱，在倉號內給予一定的熱補償，營造適宜的混凝土澆筑及養護的“小環境”，在保障混凝土澆筑施工質量的前提下，實現高寒高海拔高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工。

1 工程概況

1.1 工程情況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，電站擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高217.00 m，混凝土方量約251萬m3。距壩址約5 km處設蓋玉簡易氣象站，海拔高度2 937.90 m，據蓋玉氣象站2009—2016年資料統計，多年平均氣溫9.2 ℃，極端最高氣溫37.1 ℃，極端最低氣溫-23.5 ℃，壩址區高海拔地區氣候特征明顯。晝夜溫差極大，全年氣溫日變幅超過15 ℃的有236 d，日變幅超過20 ℃的有166 d，1月份氣溫最大日變幅達27 ℃。寒潮頻發，壩址區多年平均寒潮次數8～10次，寒潮最大降溫幅度10.9 ℃。同時，葉巴灘壩址區每年11月至次年3月均為低溫季節，壩址區氣候寒冷而干燥，多大風，日照時間長，具有長冬無夏短春秋、雪稀風大降水少的特點。

1.2 大壩混凝土施工特點

(1)低溫季節長，晝夜溫差大，寒潮與大風伴隨，對骨料開采、混凝土生產運輸、大壩混凝土澆筑及保養提出了嚴格的要求和挑戰。

(2)壩址區地勢高亢，又遠離水汽源地，氣候寒冷而干燥，具有“長冬無夏短春秋”的特點，將面臨施工降效。

(3)混凝土雙曲拱壩最大壩高217 m，是我國已建或在建的十大特高拱壩之一，具有規模大、施工強度高、建設周期長、技術標準高、施工技術難度大等特點。

(4)高拱壩壩體混凝土具有倉號面積大、壩段數相對較多、混凝土總方量大、混凝土強度等級高，膠凝材料用量大，因晝夜溫差大及特殊地理環境因素影響，溫控邊界條件對溫控防裂不利，冬季混凝土澆筑施工倉面需保持正溫環境。

1.3 拱壩混凝土保溫與保濕技術分析

葉巴灘拱壩混凝土設計要求當壩區環境氣溫低于5 ℃時，采用蓄熱法施工；當壩區環境氣溫低于-10 ℃時，應采用綜合蓄熱法(暖棚法)施工，并要求維持暖棚內溫度在3 ℃～5 ℃以上，以防混凝土受凍；當壩區環境氣溫低于-20 ℃時，停止施工。拱壩一般采用分壩段、分倉澆筑，澆筑到一定高度后，根據控溫情況進行二期冷卻灌漿封拱，對于低溫季節澆筑混凝土而言，倉面小環境的營造，必須解決兩方面問題，即實現熱量補償和防止熱量散失。目前可知的熱量流動方式只有3種:導熱、對流、輻射，而對于大壩倉號內的混凝土而言，除冷卻水管外，新澆筑坯層的熱量主要通過對流散熱的方式散失[1]。因此，采用適宜的措施防止倉面對流散熱，在倉號內給予一定的熱補償，才能最終營造適宜混凝土澆筑養護的小環境。

2 技術方案初步比選

2.1 半開敞漸進式施工方案

半開敞漸進式施工(見圖1、2)是在澆筑倉號內借助移動隔風設備，盡可能減小倉內空氣熱對流，達到營造倉內小環境的目的。半開敞漸進式施工技術的優點是裝置相對簡單，成本相對較低。缺點是對豎向熱對流的限制，較全封閉暖棚保溫效果相對較差，能耗高，智能化水平相對較低，施工干擾相對較大。此外，半開敞漸進式施工方案下料位置相對集中，適合單吊管集中下料。

圖1 半開敞施工示意

圖2 施工區域劃分

2.2 全封閉充氣暖棚方案

全封閉充氣暖棚方案的特點是采用充氣膜在倉內形成封閉空間營造倉面小環境。充氣暖棚(見圖3)主要分為負氣壓(氣內)膜和正氣壓(充氣)膜兩種。從目前應用的情況調研分析，負壓充氣膜基本可以實現頂部開口下料，但現有的負壓充氣膜尺寸難以超過200 m2，此外，由于暖棚重量相對較輕，基本無法適應大風(6級以上)工況，若在拱壩澆筑過程中采用負壓充氣暖棚方案存在較大的安全隱患；若采用正氣壓充氣膜，即通過氣泵補氣形成內壓，達到與外部氣壓平衡。在暖棚頂部下料，則需要采用雙層氣膜，即先進入后關閉第一道氣膜門，再開第二道氣膜門。

圖3 負壓充氣膜

2.3 移動式暖棚方案

移動軌道伸縮暖棚方案(見圖4、5)，該暖棚的特點包括：

(1) 采用鋼架與桁架混合結構；

(2) 要求沿軌道方向暖棚跨度一致，支撐結構必須位于相鄰壩段；

(3) 有連續澆筑抬升要求時，通過軌道底部增加支撐立柱實現整體抬升；

(4) 整個暖棚由軌道、上游棚架、下游側支撐剛架、柔性保溫篷布、監測裝備、供熱/濕裝備及智能控制系統構成；

(5) 澆筑時段，通過上下游棚架沿著軌道伸縮移動提供下料口；

(6) 非澆筑時段，可以收縮棚架，防止風載破壞；

(7) 施工期支撐側墻同步伸縮移動，對結構整體靈活性和部件的耐久性要求高；

(8) 支撐軌道平整性要求高，安裝、抬升耗時較大。

圖4 移動軌道伸縮暖棚示意(一)

圖5 移動軌道伸縮暖棚示意(二)

2.4 裝配式固定鋼架暖棚方案

固定鋼架暖棚方案(見圖6～8)，該暖棚的特點如下：

(1) 采用鋼架與桁架混合結構；

(2) 采用立柱作為支撐結構；

(3) 立柱采用4.5 m特定尺寸工字鋼栓接；

(4) 有連續澆筑抬升要求時，通過延長立柱長度實現抬升；

(5) 整個暖棚支撐剛架、保溫側板、智能蓋板、監測裝備、供熱/濕裝備及智能控制系統構成；

(6) 澆筑時段，頂部傳感設備感知吊罐位置智能定位選擇合適頂蓋開啟；

(7) 非澆筑時段，可以打開頂蓋或拆卸保溫側板，防止風載破壞；

(8) 智能蓋板為整體結構一次安裝即可，若采用本壩段內支撐，則隨澆筑進行，存在立柱損耗；

(9) 頂蓋可直接采用纜機起吊后，增加立柱長度實現抬升。

圖6 支撐棚架

圖7 智能伸縮棚頂

圖8 固定鋼架暖棚方案-智能移動蓋板

2.5 性能分析及方案比選

基于所提出的4種倉面小環境營造方案，對各方案從可行性、實用性、安全性、經濟性4個方面進行比較，得出固定鋼架暖棚方案更適合于低溫季節高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工，該暖棚主要性能分析如下：

(1) 根據葉巴灘壩址區氣候寒冷而干燥，多大風，日照時間長，具有長冬無夏短春秋的特點，采用固定鋼架暖棚方案可行。

(2) 實用性方面分析：① 對混凝土澆筑塊形狀的適用性強，采用鋼架與組合桁架形成暖棚結構，頂蓋整體安裝成型，暖棚抬升過程中無需拆卸，總體重量相對較輕；② 暖棚頂蓋及側墻可采用保溫板材，也可根據設計要求采用噴涂5 cm厚聚氨酯進行保溫，保溫效果保障率較高；③ 頂棚可以分片開合，可根據澆筑倉內不同區域多臺纜機同時下料，且頂棚開合效率高，下料過程熱損失相對較小；④ 暖棚頂蓋安裝完成后，在頂升過程中無需拆卸，頂升過程中只需續接立柱即可。

(3) 安全性能分析：① 暖棚頂蓋分片智能化開合，與倉內立柱連接，安全系數較高；② 根據暖棚結構設計，暖棚整體可分段抬升，頂升重量相對較低，安全系數高；③ 暖棚整體除頂蓋分片開合外，其他部位均為栓接或焊接，無需折疊，整體穩定性較高。

(4) 經濟性分析：① 根據暖棚結構設計，固定桁架及自動開合頂蓋為循環多次使用構件。根據拱壩特殊結構，隨澆筑高度增加，倉面面積逐漸減小；② 隨壩體澆筑上升，只需損耗暖棚立柱材料，經濟性整體較好。

經比較可知，固定鋼架暖棚方案安裝簡易，且在支撐立柱布置在相鄰壩段時，能夠大幅度節省鋼架安裝及抬升時間，且單次下料過程中，頂部開口小，能夠有效減少倉內的熱損失，降低能耗，更適合作為優選方案開展細化設計及計算分析。

3 裝配式固定鋼架智能化暖棚方案分析

如前所述，采用固定鋼架暖棚是目前解決葉巴灘低溫季節連續施工問題的最有效、且對施工干擾最小的技術措施。基于此，根據葉巴灘拱壩結構及施工的特點，對拱壩暖棚方案進行需求分析，為拱壩暖棚方案設計提供支撐。

3.1 暖棚形狀分析

(1) 平面形狀

考慮到相同壩段不同高程范圍的澆筑倉號在形狀上具有一定的相似性(見圖9)，各壩段宜單獨進行暖棚設計，不僅能夠減小暖棚結構連接部位數量，增加結構的穩定性和安全性，還可以減少暖棚搭接安裝次數，縮短備倉時間。

圖9 典型倉號沿高程方向公共區域

(2) 暖棚高度

拱壩在澆筑過程中倉號內將布置一定數量的大型機械設備，暖棚的設計高度(見圖10)應滿足各類機械設備對運行空間的要求，且應避免暖棚內部設置豎向立柱。

圖10 暖棚設計高度

3.2 保溫/濕功能分析

結合本工程設計溫度指標，冬季混凝土入倉溫度為10 ℃～15 ℃，澆筑溫度常年為5 ℃～10 ℃，為確保暖棚內新澆筑混凝土坯層具有良好的水化硬化環境，暖棚內溫度應該始終保持在10℃±5℃的溫度范圍內。此外，考慮到壩址區域空氣干燥，除了保溫功能外，需要棚內設置增濕設備，確保棚內空氣濕潤，避免混凝土下料、攤鋪、振搗過程中水分散失，影響混凝土澆筑質量。

3.3 施工需求分析

由于拱壩施工的特殊性，為滿足施工需求，暖棚必須實現如下幾個方面的功能：

(1) 均勻下料：由于拱壩采用纜機吊罐下料，以往暖棚施工中，在頂部下料時，一般采用固定下料口，內部采用活動溜管來調整下料位置，這種下料方式能夠避免頂部過多開口，確保暖棚保溫效果。為確保下料均勻性，提高澆筑施工效率和澆筑質量，葉巴灘拱壩暖棚宜采用頂部具有局部自動開合功能的智能化暖棚。

(2) 暖棚支撐方式：根據拱壩分段跳倉澆筑的特點，結合葉巴灘拱壩相鄰壩段高差不超過12 m，全壩最大高差不超過30 m的控制性要求。施工期新澆筑塊的位置可能處于：凸起壩段、凹坑壩段、臺階壩段或岸坡異形壩段。

從上述分析可知，暖棚兩側支撐可能安裝的位置包括：相鄰倉號老混凝土上、本倉號模板外側、倉號下部老混凝土上。現對3種安裝位置的優缺點進行分析：

1) 支撐安裝在相鄰壩段老混凝土上,若在凹坑壩段,支撐相對較短,有利于提升暖棚的整體穩定性,且成本相對較低(無支撐材料損耗)。若在凸起壩段,則支撐結構長度會增加,影響暖棚整體穩定性,增加暖棚制作成本。若在臺階壩段,兩側支撐長度不一致,其穩定性需要逐情況論證。

圖11 澆筑層與相鄰壩段位置示意圖

兩側安裝在相鄰壩段，則暖棚形狀具有一定的靈活性，單個或少量暖棚能夠適應絕大多數壩段平面形狀的要求，可以減少暖棚數量和制作成本，但單側支撐高度將達到15.5 m，需要論證暖棚的整體穩定性(見圖12)。另外,由于暖棚跨度和尺寸的增加,單個暖棚的重量將會進一步增大，且某壩段施工過程中，相鄰壩段無法同時施工。

圖12 相鄰壩段支撐安裝示意

2) 支撐安裝在本壩段模板外側,暖棚形狀需要逐個壩段進行單獨設計,且考慮到側模承載能力有限，暖棚重量要進行嚴格限制。對于凹坑壩段，無側向模板，暖棚需要單獨設計，綜合考慮不建議將暖棚支撐安裝在模板外側。

3) 支撐安裝在本倉老混凝土內,若將暖棚支撐安裝在本壩段老混凝土上,暖棚跨度相對較小，且暖棚支撐高度為固定值9～10 m，暖棚整體穩定性相對較高(見圖13)。缺點在于,各倉號的暖棚形狀需要單獨設計，各壩段各自獨立設計暖棚。此外,隨著混凝土澆筑層的上升，暖棚支撐將永久埋入下層混凝土,隨著澆筑的進行將會耗費支撐鋼材,成本相對較高。

圖13 模板外側支撐安裝

(3) 安裝及抬升要求：暖棚一般采用鋼架結構或桁架結構,為安裝及抬升方便,拱壩保溫暖棚宜采用便于安裝且整體性較好的單跨門式剛架結構或剛架桁架組合式結構。為便于抬升,確保暖棚頂棚運行安全,宜采用拼裝式支撐結構,倉號澆筑完成后,頂蓋直接抬升,抬升后在下部支撐結構搭接升高,實現暖棚整體抬升。抬升過程盡量避免頂棚拆裝，優先選擇整體式或分段抬升方式；優先選擇內部頂升方式,避免占用纜機；抬升過程要易于操作,確保暖棚整體安全；避免逐步抬升,減少支撐立柱栓接次數。

(4) 夜間示廓、防撞、防雨、雪、雷：要避免頂蓋積水積雪，影響混凝土施工質量；設置避雷裝置，避免雷擊破壞；頂蓋下料口安裝示廓燈及編號等裝置，便于夜間施工；安裝下料防撞預警雷達裝置。

3.4 安全需求分析

(1) 結構整體穩定及承載力要求

根據拱壩壩段劃分及形狀要求,不同暖棚左右跨度20～25 m,高度在4.5～15 m,不同暖棚高度必須滿足結構整體穩定性要求。此外,若支撐結構安裝在本壩段老混凝土上時,需要論證下部老混凝土承載能力(具體參數)。

(2) 抗風能力要求

葉巴灘河谷大風天氣頻繁,除穩定性要求外,暖棚結構具有一定的抗風能力及抗風設計要求,封閉狀態(澆筑狀態)下抗風能力9級,開敞狀態下(非澆筑狀態)抗風能力12級。

(3) 防撞破壞要求

混凝土澆筑作業過程中，下料吊罐在校核風載作用下晃動時，暖棚頂部具有防止吊罐撞擊設置。

3.5 智能自動化需求分析

(1) 棚頂自動化開閉功能：下料過程中頂蓋頻繁開啟時開口空間區域為棚內熱量的主要散失渠道,為盡量較少熱量通過頂蓋開啟時散失,暖棚需要自動感知吊罐位置,并根據頂蓋開啟速度、吊罐下降速度,智能化控制頂蓋開啟時間、關閉時間。

(2) 棚內小環境智能重構及控制：澆筑期間及澆筑完成初期,基于監測資料,動態重構棚內溫/濕度場,根據棚內溫/濕度場分布情況,結合小環境控制指標要求,動態控制棚內供熱、供濕設備的開啟與關閉,實現棚內小環境的動態控制。

(3) 暖棚結構安全預警功能：澆筑期間及澆筑完成初期,感知暖棚關鍵部位變形、變位情況、風載震動情況。動態判斷暖棚結構安全,并具備風險預警功能。

4 結 語

結合葉巴灘高寒高海拔高拱壩施工特點，經對裝配式固定鋼架智能化暖棚方案初步分析及參建各方討論研究，認為滿足防止倉面對流散熱，在倉號內給予一定的熱補償，最終營造適宜混凝土澆筑及養護的小環境，能夠保障混凝土澆筑施工質量的前提下，實現高寒高海拔高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工。通過技術分析研究，明確在葉巴灘采用暖棚實現澆筑塊熱損失“節流”，在暖棚內采用外加熱源實現棚內環境熱“開源”，確保低溫季節施工的技術方向。