銀盤水電站大壩混凝土溫控措施研究

徐洪祥,楊學紅

(1.昆明市石林縣水務局,云南石林,652200;2.長江勘測規劃設計研究院,武漢,430010)

水工混凝土裂縫大都屬于溫度裂縫,溫控防裂成為解決問題的關鍵。銀盤水電站大壩橫縫間距一般為 20m～25.5m,分一條縱縫,順流向尺寸較大,倉面澆筑面積達 500m2～1080m2,致使銀盤水電站溫控防裂難度較大。結合工程的條件,大壩的溫度控制設計吸收了國內外的先進技術和成功經驗,在深入研究壩區自然條件的基礎上,開展了大量的試驗及計算分析,制定了一套切合實際的大壩溫度控制技術措施。本文介紹如下。

1 工程概況和基本資料

1.1 工程概況。銀盤水電站大壩為混凝土重力壩,最大壩高 78.5m,安裝 4臺單機容量為150MW的軸流式水輪發電機組。大壩從左至右依次為:左岸非溢流壩段、安裝場段、河床式電站廠房段、左溢流壩段(左區、中區)、縱向圍堰壩段、右溢流壩段(右區)、船閘壩段、右岸非溢流壩段。共分 26個壩段,壩軸線總長 600.10m。

1.2 氣象資料。大壩區氣象資料見表 1。壩區氣溫四季較分明,風速不大,混凝土澆筑溫度控制較有規律,但氣溫驟降較頻繁,最大降溫幅度也較大,容易使混凝土表面開裂,需重視混凝土澆筑后的表面保護和養護。夏季時間較長,白天日照強烈,需加強防護和防裂,采取有效的溫控措施。

表 1 壩區氣象資料統計

1.3 混凝土配合比。大壩基礎及壩體主要采用 C9015W6F100和 C9020W8F150兩種標號混凝土,其配合比見表 2。

表 2 大壩混凝土配合比

1.4 混凝土性能。混凝土熱學性能如表 3所示,混凝土力學性能如表 4所示,混凝土絕熱溫升根據試驗資料整理(見表 5)。

表 3 混凝土熱學性能

表 4 混凝土物理力學性能

表 5 混凝土絕熱溫升 單位:℃

1.5 壩址基巖物理力學性能。基巖物理力學性能見表 6。

表 6 基巖物理力學性能

2 混凝土溫控標準

2.1 混凝土溫度控制標準

2.1.1 基礎溫差。根據壩體運用條件、結構要求和基巖特性,參照國內外有關規范規定和工程經驗,經計算分析擬定本工程混凝土溫度控制標準見表 7。填塘、陡坡部位基礎允許溫差應根據所在部位結構要求和陡坡、填塘特征尺寸等參照約束區溫差標準區別對待。混凝土澆平相鄰基巖面,應停歇冷卻至相鄰基巖溫度后,再繼續上升。

表 7 基礎允許溫差標準 單位:℃

2.1.2 混凝土內外溫差標準。為降低混凝土溫度梯度,防止產生表面裂縫,內外溫差控制在18℃～20℃,常態混凝土取上限,碾壓混凝土取下限。

2.1.3 壩體混凝土設計允許最高溫度。根據各部位穩定溫度、準穩定溫度及溫控標準和表面保護標準,確定壩體設計允許最高溫度見表 8。

表 8 壩體設計允許最高溫度 單位:℃

2.1.4 新老混凝土上、下層溫差標準。在齡期 28d以上的老混凝土上連續澆筑新混凝土,在新澆筑混凝土連續上升的條件下,新老混凝土在各自 0.2L高度范圍內的上下層溫差為 16℃ ～18℃。當新澆凝土不能連續上升時,該標準應適當加嚴。

2.2 混凝土溫度應力控制標準

根據混凝土施工規范,施工期混凝土澆筑塊水平向徐變溫度應力采用有限元法計算,其允許水平應力如表 9所示。

表 9 大壩混凝土施工期溫度應力標準

3 混凝土溫度及溫度應力

3.1 水庫水溫分析

壩址地處北緯 28°,年平均氣溫 17.4℃,年平均水溫 18℃,徑流量 436億 m3,水庫總庫容 1.83億 m3。經分析水庫 α值為 239.3,屬于典型的混合型水庫,庫水溫度近乎均勻分布。針對以上因素進行了多種分析計算,并結合上游 50km的彭水水電站泄水及已建水庫的資料進行類比分析,該水庫水溫及下游水溫年平均值均取 16℃。上游水面取水庫正常蓄水位為 215.0m,下游水面取水庫正常蓄水后,4臺機組發電時的下游水位為184.7m。

3.2 穩定溫度場

根據計算結果,泄洪壩段基礎約束區穩定溫度為 16.2℃～16.6℃,非溢流壩段基礎約束區穩定溫度約為 17.2℃左右,廠房壩段基礎約束區穩定溫度為 16.3℃～16.7℃。偏安全考慮,泄洪壩段和廠房壩段基礎約束區平均穩定溫度取為16℃,非溢流壩段基礎約束區平均穩定溫度取為17℃〔1、2〕。

3.4 施工期溫度

大壩二期工程泄洪壩段從 2008年4月15日開始澆筑,至 2009年7月～9月澆筑完成。考慮到整個壩體的均勻上升和壩段之間的高程限制和約束,最先從最低泄洪壩段開始施工。根據施工進度安排,泄洪壩段在高溫季節仍然澆筑基礎強約束區,因此選取泄洪壩段作為典型壩段進行溫度計算分析。1.5m澆筑層厚層間間歇時間為10d,2.0m澆筑層厚層間間歇時間為 13d。基礎約束區澆筑層厚為 1.5m,水管間距為 2.0m×1.5m(水平間距 ×豎直間距),脫離基礎約束區澆筑層厚為 2.0m,水管間距為 1.5m×2.0m(水平間距 ×豎直間距 )〔3〕。

典型壩段根據施工進度溫度仿真結果(如表10)所示。從表10可以看出,對于基礎強約束區,初期通 8℃～10℃制冷水進行冷卻,C9020在 6月份混凝土早期最高溫度略超過設計允許的最高溫度 32℃(加密冷卻水管即可滿足要求)。4～5月和 9～10月,初期通 8℃ ～10℃制冷水進行冷卻,C9020和 C9015均滿足設計允許的最高溫度標準;11～3月混凝土自然冷卻也滿足設計允許的最高溫度標準。典型壩段混凝土早期最高溫度包絡線如圖 1所示。

3.5 施工期溫度應力

從溫度應力仿真結果可知,最大值出現在0.25L～0.5L(L為澆筑塊長度)范圍內、后期通水冷卻結束之時,溫度應力最大值約 1.3MPa,C9015混凝土 90d齡期抗拉應力為 1.57MPa,C9020混凝土 90d齡期抗拉應力為 1.89MPa,后期通水時混凝土已有 5個月齡期,均大于混凝土最大溫度應力。典型壩段基礎約束區水平溫度應力包絡圖見圖 2。

4 溫控措施

4.1 提高混凝土抗裂能力。混凝土配合比設計和混凝土施工,應保證混凝土設計所必須的極限拉伸值(或抗拉強度)、施工勻質性指標和強度保證率。施工中應加強施工管理,改進施工工藝,改善混凝土性能,提高混凝土抗裂能力。

4.2 合理安排混凝土施工程序和施工進度。合理安排混凝土施工程序和施工進度是防止基礎貫穿裂縫、減少表面裂縫的主要措施之一。施工程序和施工進度安排應滿足:基礎約束區混凝土在設計規定間歇時間內連續均勻上升,不得出現薄層長間歇;其余部位基本作到短間歇均勻上升;相鄰壩段高差應符合設計允許高差要求;應盡量縮短固結灌漿時間,并在規定的間歇期內澆筑上層混凝土;基礎約束區混凝土宜安排在 10月～次年4月氣溫較低季節澆筑,盡量避開 6月～8月高溫季節。高溫季節澆筑混凝土,應利用晚間澆筑,以避開正午高溫時段。

4.3 降低澆筑溫度、減少水化熱溫升。采取必要溫控措施,使壩體實際出現的最高溫度不超過壩體設計允許最高溫度。控制壩體實際最高溫度的有效措施是降低混凝土澆筑溫度、減少膠凝材料、合理的層厚及間歇期、初期通水等。高溫季節或較高溫季節澆筑混凝土時,應采用預冷混凝土澆筑。主體建筑物基礎約束區混凝土澆筑溫度冬季 12月～2月自然入倉外,3月和 11月澆筑溫度不超過 14℃,4月和 10月澆筑溫度不超過 16℃,5月和 9月不超過 17℃,6月～8月不超過 18℃;脫離基礎約束區混凝土 11月～3月自然入倉,其余季節混凝土澆筑溫度不得超過 16℃～18℃。應注意夏季澆筑能力要適應入倉強度要求,盡量避天正午 10～16時澆筑混凝土。

4.4 合理控制層厚及間歇期。對于大壩基礎約束區澆筑層厚采用 1.5m左右,脫離基礎約束區澆筑層厚采用 1.5m～2.0m。層間間歇期應從散熱、防裂及施工作業各方面綜合考慮,分析論證合理的層間間歇,不能過短或過長。對于有嚴格溫控防裂要求的基礎約束區和重要結構部位,應控制層間間歇期 5～7d左右。

4.5 通水冷卻。初期通水主要用在高溫季節削減澆筑層水化熱溫升,高溫季節或氣溫較高季節(4月～10月)澆筑的溫控要求較嚴的部位,通8℃～10℃制冷水。對于基礎約束區和底孔部位混凝土,高溫季節采用預冷混凝土澆筑壩體,混凝土最高溫度未超過設計允許最高溫度者,也宜進行初期通水冷卻,確保壩體最高溫度在允許范圍內。通水時間 15d左右,單根水管通水流量不小于 18L/min～20L/min。中期通水用于削減壩體內外溫差,每年9月初開始對當年5月～8月澆筑的大體積混凝土塊體、10月初開始對當年4月及 9月澆筑的大體積混凝土塊體、11月初開始對當年10月澆筑的大體積混凝土塊體進行中期通水,削減壩體混凝土內外溫差。中期通水采用江水進行,通水時間 1.5～2.5個月,以混凝土塊體溫度達 20℃～22℃為準,單根水管通水流量應達20L/min～25L/min。后期通水是使壩體冷卻至接縫灌漿溫度(或寬槽回填)進行接縫灌漿(或寬槽回填)的必要措施。根據計算,本工程采用通河水和通制冷水相結合的措施,通制冷水水溫為8℃～10℃,以滿足壩體(或船閘)通水冷卻達到設計灌漿(或寬槽回填)溫度。

4.6 表面保護。混凝土表面保護是防止表面裂縫的重要措施之一,應根據設計表面保護標準確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。尤其應重視基礎約束區,上游壩面及其它重要結構部位的表面保護。應重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前,還必須加以維護及保護,以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應加強保護〔4〕。

〔1〕朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制.北京:中國電力出版社.1999.

〔2〕丁寶瑛等.混凝土壩溫度控制設計的優化[J].水利學報,1982,(1).

〔3〕朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的溫降計算[J].水利水電技術,1997,(6).

〔4〕李榮湘等.混凝土壩整體溫度控制措施優化設計[J].清華大學學報,1989,(2).