RCC壩后期冷卻系統的應用

[德國]杜崇江

RCC壩后期冷卻系統的應用

[德國]杜崇江

論述了應用埋設的高密度聚乙烯冷卻管系統后期冷卻 RCC壩的情況,對該技術所取得的最新進展作了重點介紹,并對所用管材、后期冷卻效果以及關鍵的施工程序等方面作了較為詳細的說明,同時還介紹了這種冷卻系統在巴基斯坦高摩贊(Gomal Zam)RCC壩中的成功應用情況。

RCC壩;大壩澆筑;冷卻管;冷卻系統;施工技術;應用

在 RCC壩澆筑期間,通過埋設的冷卻管,利用循環冷卻水后期冷卻 RCC壩,這在 RCC壩工界曾存在著異議,為此經常出現爭論和矛盾。由于意見不一致,這種冷卻方式一直未得到廣泛的認同。

許多專業人士認為,在 RCC壩施工期間埋設冷卻水管會影響 RCC的澆筑,埋設的薄壁管在 RCC混合料澆筑和碾壓期間可能會受到碾壓機或其他重型施工機械的破壞,而且后期冷卻系統可能的高費用往往成為關注的要點。因此,有些專家提出,RCC壩不適合于采用埋設管進行后期冷卻。相反,另一些專家則堅信,與常規混凝土壩一樣,這種溫控方法同樣適用于 RCC壩。

對這種溫控方法已進行過大量的研究,并在一些大型 RCC壩進行了現場試驗和應用。不過仍在繼續進行新的探索,以解決目前尚未解答的問題。這種溫控方法在 RCC壩的成功應用表明,將其應用于 RCC壩后期冷卻是可行的、有效的和實用的。

在后期冷卻系統設計和現場試驗期間取得的新進展促進了這種溫控方法在 RCC壩的應用,其冷卻管系統與常規混凝土壩使用的傳統后期冷卻系統有著明顯的差別。本文主要介紹該技術所取得的最新進展,詳述了管材、后期冷卻效果和關鍵的施工程序。

1 RCC壩后期冷卻的必要性

在初始施工期間,除去大體積混凝土的熱量對于確保混凝土質量非常重要。當混凝土表面和內部的溫差很高時,應用冷卻的方法可以防止混凝土內部的溫度應力過度升高。冷卻還可以將混凝土內的溫度維持在容許值范圍內。混凝土壩的溫控是通過采用不同的方法或者幾種方法的組合來到達的,但這些方法必須適合于采用的壩型、要求的冷卻度、當地條件和承包商的經驗。

利用埋設在混凝土內的薄壁管里的循環冷卻水,由冷卻管吸熱和消散熱來達到有效溫控的目的。在澆筑混凝土的最初幾天里,通過初始冷卻除去新澆混凝土的水化熱,可減少溫升。在初始階段,混凝土的彈性模量相當低,利用中間冷卻可以加速除熱,并使混凝土體積縮小。后期冷卻系統還有另一種作用,即利用這種系統能將大壩混凝土的溫度降低到適合灌漿的穩定溫度。在水庫蓄水之前進行橫向收縮縫灌漿時,還要進行最終冷卻。

盡管后期冷卻具有上述益處,但設置后期冷卻系統會增加工程費用,并可能會干擾 RCC澆筑。由于這些原因,致使 RCC壩都盡可能地避免埋設后期冷卻系統。

自 20世紀 90年代初以來,RCC壩的設計和施工技術取得了飛速進展。由于對 RCC壩技術有了新的認識,因而可以修建壩高超過 100m的大型 RCC重力壩,并可建 RCC拱壩(包括 RCC重力拱壩)。對于特別高的 RCC壩,特別是在炎熱氣候條件下,溫控是一項特別艱巨的任務。RCC壩必須在這些地區的日平均氣溫為 3～25℃的條件下才能澆筑,否則就應停止澆筑,或者只有采取嚴格特殊的溫控措施才能繼續澆筑。停止 RCC壩澆筑會顯著延長工期和增加工程費用,因此就需要將炎熱季節停止 RCC澆筑與使用管冷繼續澆筑 RCC進行經濟比較。

對于 RCC重力壩,為了釋放沿壩軸線的溫度應力,通常要設置橫向收縮縫,但這些收縮縫不需要灌漿。RCC可分塊澆筑,無需設縱向收縮縫。對于壩高超過 100m的 RCC重力壩,壩底寬度通常超過70m。而 RCC變形是由于受到基巖和壩肩的約束所造成的,如果出現過大的溫度拉應力,就可能使混凝土開裂(盡管 RCC對開裂不如常規混凝土敏感)。因此,這種大型 RCC重力壩的溫控比起小型RCC壩更具有挑戰性。在這種情況下,除采用其他溫控措施外,還往往需要進行后期冷卻,以消除過高的熱量,減小 RCC的最大溫升。

拱壩與其他壩型的最顯著的區別在于:這種大壩依靠其整體式結構重力和拱作用的連續性來維持穩定。任何未灌漿的橫向收縮縫或裂縫都會破壞大壩結構的整體性,而由混凝土溫降引起的收縮則會降低拱的作用,因而會危及拱壩的穩定性。因此有關拱壩施工的規定應包括冷卻混凝土的措施,以保護水庫蓄水之前常常通過灌漿來達到永久地密封橫向和縱向收縮縫的目的。拱壩通常是利用埋設的冷卻管系統來進行施工,以便為進行接縫灌漿減小和加快大體積混凝土的體積變化。

對于 RCC拱壩,大壩混凝土澆筑時會設置常規的橫向收縮縫或誘導橫向收縮縫。其橫向收縮縫的形成和灌漿比 RCC重力壩和常規混凝土拱壩要困難得多。對于常規的橫向收縮縫,拱壩必須充分地進行冷卻和灌漿,以確保水庫蓄水前大壩結構的連續性和功能。為了能夠進行相關接縫灌漿,必須對大壩 RCC加以冷卻,將溫度降至規定的灌漿溫度,因此,后期冷卻管系統是必不可少的。

認識到了上述問題,有人建議,在炎熱的氣候條件下,當不能經濟地采用其他冷卻措施控制 RCC的溫度時,應將后期冷卻作為 RCC拱壩和大型 RCC重力壩溫控的最后手段。此外,只有當 RCC拱壩必須進行橫向收縮縫灌漿時才有必要進行后期冷卻。

2 RCC壩冷卻管的適用性

為了降低峰值溫度,對大體積混凝土實施后期冷卻可追溯到 20世紀 30年代修建的大壩。為了修建美國的胡佛(Hoover)壩,美國墾務局對人工冷卻系統進行了大量研究。自此之后,為控制采用常規方法澆筑的大體積混凝土壩的溫度裂縫,利用埋設的冷卻管進行混凝土后期冷卻,已為全世界大壩建設者所廣泛接受。盡管存在著某些爭議,但 RCC拱壩和高 RCC重力壩的新近施工則對后期冷卻系統給予了新的關注。

在大體積混凝土后期冷卻系統中,通常是采用外徑為25.4mm、壁厚為1.5～1.8mm的鋼管。使用鋁管或其他金屬管的也不少見。自 20世紀 70年代以來,在后期冷卻系統中已采用各種類型的聚乙烯管替代金屬管。雷維爾斯托克(Revelstoke)壩是在大壩混凝土冷卻中采用此類聚乙烯管的首例。聚乙烯管通常按網格盤管形式埋設于已硬化的常規混凝土或已碾實的 RCC澆筑層頂部表面,其水平和垂直間距為1.5～3.0 m。目前,聚乙烯管和聚氯乙烯管這兩種管子都已廣泛應用于混凝土壩和其他大體積混凝土建筑。

RCC壩后期冷卻系統成功應用的關鍵就是選擇了合適的管材和相應的施工程序。

金屬管具有很高的導熱性(60～165kJ/m-h-℃)和很高的強度。后期冷卻用的金屬管必須安放于壩塊的表面,以形成冷卻系統。因此所有部件(管材、配件、彎管和接頭等)分別運輸到壩面,必須一起進行安裝。金屬冷卻管的安裝是一件既費時又花費人力的工作,致使施工時間延長和費用明顯增加。此外,金屬管本身的成本也比較高。

反之,高密度聚乙烯管(HDPE),特別是復合聚乙烯管適于作 RCC壩施工的冷卻管。復合聚乙烯管用 HDPE樹脂、低密度聚乙烯(LDPE)樹脂和各種添加劑生產。通常我們所說的聚乙烯(PE)管不是HDPE管,就是復合聚乙烯管。

這兩種典型的 PE管用于大壩混凝土后期冷卻,即外徑 32.0 mm、壁厚2.0～2.3mm的管子用作配水管;而外徑為 40.0mm、壁厚為 4.0mm的管子則用作供水管和回水管。與金屬管相比,PE管具有以下優點:

(1)輕便。PE管的比重只有 860～1 000 kg/m3,而長 200m的 PE管質量只有 35～40 kg,只需要一人就能將其搬運。

(2)可彎曲和能夠盤卷。PE管最小撓曲半徑為 20～25 cm,因此只需一段就能充分滿足冷卻管的柔性要求。

(3)長度長。一卷 PE管的長度約有 200～250 m。因此可明顯減少管子的接頭數量,可以省去金屬管所必需的彎管、配件和接頭。這樣使 PE冷卻管的施工時間和費用可降低到一個可接受的水平。

(4)強度高。PE冷卻管具有 20～25 MPa以上非常高的抗拉破壞強度,而且還具有 3～10 MPa以上的爆裂強度。

(5)很高的延性。其具有的最低斷裂伸長度為200%。

沖擊試驗表明,PE管能經受住從 3～4m高處掉下來的最大骨料粒徑為 76.0mm的混凝土拌和物的沖擊,除了管的表面有膚淺的刮痕以外,不會遭受損傷、破壞或斷裂。與鋼管相比,PE冷卻管的主要不足之處是導熱性要低很多(1.66～1.8 kJ/m-h-℃),僅為鋼管的 1%～3%。但是,由于 PE管壁極薄,對冷卻效果影響不大。低導熱性可通過縮小間距和加快冷卻水的流速來抵消。

在 RCC的膠凝材料中通常會采用粉煤灰和其他火山灰,這樣可以明顯縮短膠凝材料的水化過程和推遲這個過程。因此,與常規混凝土壩相比,在兩層冷卻水管層之間所需要的 RCC澆筑的時間間隔縮短了,這應歸功于 RCC通倉澆筑法。將后期冷卻系統使用 PE管的 RCC壩列于表 1中。

表1 后期冷卻系統使用 PE管的 RCC壩

3 使用冷卻管施工的關鍵問題

除了選擇合適的冷卻管材料外,施工程序對于在 RCC壩中成功使用冷卻管也非常重要。現場試驗和實驗表明,在常規混凝土壩上采用的常規后期冷卻系統施工方法不適于 RCC壩。為了在 RCC壩上使用冷卻管,就必須采用特殊的施工技術。RCC后期冷卻 PE管在大朝山拱圍堰上進行了首次試驗,第 2次試驗是在高 63 m的水東 RCC重力壩上進行的。通過大量試驗、研究和實際應用,使 RCC壩后期冷卻 PE管的應用取得了重大進展。

在全面的研究工作和成功試驗的基礎上,PE冷卻管已在許多 RCC拱壩和大型 RCC重力壩上使用,如表 1所示。

由于這些成功的應用,已經取得了較為豐富的經驗。對于采用冷卻管的 RCC施工,認為以下問題是最重要的。

3.1 將施工區劃分為幾個冷卻管安裝單元

為了能在 RCC澆筑施工的同時安裝冷卻管,在平面上,應將整個施工區至少分成 2個單元。應在比第 1單元高 2～3個澆筑層的 RCC表面安裝第 2單元的冷卻管,這樣就可以在第 1單元鋪設冷卻管,而同時在另一個單元澆筑 RCC。如此安裝冷卻管,就不會干撓 RCC的澆筑施工了。

3.2 分隔倉的布置

分開的隔倉應這樣布置:使冷卻管的總長度不超過一卷管的總長度(一般為 200～250m),因此不需要連接,可以減少安裝冷卻管的時間。

3.3 冷卻管的連接

在冷卻管確實需要連接的情況下,可在 PE管的兩端嵌入一節 20 cm長的金屬管,并用鐵絲綁牢。此外,這些冷卻管還應該用聚四氟乙烯螺紋止水帶纏繞幾層。為了將冷卻管與供水管和回水管連接起來,應該用一個鋼三通與 3根管的端部嵌接,并按上述方法固定。

3.4 PE管的安裝

在安裝 PE管之前和用 RCC拌和料覆蓋(厚 30 cm)之后,應檢測 PE管在通過0.1 MPa的壓力水和壓力空氣時是否受到了破壞。冷卻管由人工搬運和安放到最近進行過碾壓但還未硬化的 RCC澆筑層的表面,用直徑為 4.0～6.0 mm的 U形鋼筋,按直線段間距 2～4m,彎管段則用 3件 U形鋼筋,將冷卻管固定在 RCC表面。

3.5 已安裝管子的覆蓋

在安裝好之后,PE管應采用層厚不小于 25～30 cm的 RCC拌和料覆蓋層覆蓋。RCC拌和料的卸料和攤鋪應從冷卻管單元的一側開始。只有當上述工序完成之后,重型施工機械,如推土機、自卸卡車和碾壓機才能在其上施工,因此,重型施工機械永遠不會直接在裸露的冷卻管上施工。這是將冷卻管系統成功應用于 RCC壩的一個關鍵步驟,也經常是專業人員之間爭論的焦點。除非冷卻管已用 RCC拌和料覆蓋,否則,大型施工機械會使冷卻管產生嚴重的塑性變形,并致使冷卻水通過冷卻管時產生滲漏或障礙。但是,試驗確實表明,未承載的后端卸料卡車可以在未覆蓋的管道上駛過,而且沒有造成破壞(雖然承載的自卸卡車可能會造成破壞)。

通過相關的試驗研究,結果表明,在澆筑 RCC期間,當水管充滿水時,冷卻管完全能夠承受住重型施工機械的沖擊和壓力。

必須指出的是,當大壩埋設了冷卻管時,要從RCC壩鉆取芯樣則會更加困難,因為鉆孔可能會破壞冷卻管。如果需要取芯樣鉆孔時,必須將孔位布置在肯定未埋設冷卻管的地方 。為了防止管子受到破壞,在施工區施工期間,應該將一些區域作上標記,以便于確定可以從中鉆取芯樣的區域。

4 冷卻管在高摩贊壩的應用

高摩贊壩是一座正在施工的 RCC拱形重力壩,高程630m基礎以上的最大壩高為133m,壩頂(高程963m)軸線長度 231m。工程位于巴基斯坦西北邊境省的高摩(Gomal)河上。流域面積 29 000 km2,水庫死庫容 3億 m3,有效庫容 8億 m3。工程的主要目的是灌溉、防洪和發電。

RCC總澆筑量為 395 400 m3,此外還澆筑常規混凝土 100 700m3。大壩上游坡面是垂直的,下游坡面是傾斜的,其坡比為 1(垂直)∶0.6(水平)。最大壩寬為 78 m。壩上布置有一座17.5 m長的 4跨溢洪道,宣泄洪水 2 270 m3/s,并布置有一個泄水底孔,用以沖走壩前淤積的泥沙。為了能夠進行帷幕灌漿和排走壩基與壩體的滲水,在大壩上游設置了1條灌漿廊道和 3條監測廊道。在大壩下游的壩基高程處設置了 2條排水廊道。

為防止施工期間產生溫度裂縫,在壩體上設置了 2條橫向收縮縫,這 2條收縮縫從高程 680 m一直貫通到堰頂高程750.4m。在水庫蓄水前,將對這2條收縮縫進行灌漿施工,以便使壩塊結合成一個整體結構,依靠整個壩體的重力作用和拱作用的連續性,將荷載傳遞到壩基和壩肩。

該壩位于亞熱帶氣候地區,多年平均氣溫為25.5℃,記錄的最高氣溫為49.4℃。1 a中有 6個月的月平均氣溫都超過了 25℃,而且 6月和 7月可以達到 35℃。河水多年平均溫度為19.1℃(比多年平均氣溫低6.4℃)。

該工程使用了以下兩種 RCC:

(1)齡期為 180 d的 C16等級 RCC,膠凝材料(水泥和粉煤灰)用量為 91+91 kg/m3,額定最大骨料粒徑 (NMSA)為 76.0mm,用于壩內。

(2)C20等級 RCC,膠凝材料用量為 98+98 kg/m3,NMSA為 38.0mm,用作 10 m厚的上游壩面。C16 RCC的齡期為 28 d時,絕熱溫升為21.8℃。

根據承包商進行的熱分析,對于距壩基面0.2 L的強約束區來講,大壩RCC的容許最高溫度為 36℃,而對于距壩基面0.2～0.4 L的弱約束區來講,則為41℃,其中,L為壩底長。

由于上述原因,致使 RCC壩施工的溫控極其困難,因此,必須采取嚴格的溫控措施,以避免混凝土開裂。經分析研究,決定采取前期冷卻和后期冷卻的綜合性的冷卻措施,包括:

(1)所有骨料都要通過 2個階段的風冷,使其溫度預先冷卻到 10～13℃。

(2)用 6℃的冷水作拌和用水。

(3)在大壩 RCC內埋設后期冷卻系統,以降低大壩蓄水前的最大溫升和將大壩冷卻到穩定的溫度。因此規定,當使用后期冷卻系統時,對于0.2L的強約束區,澆筑溫度為 18℃,對于距壩基面0.2～0.4 L的弱約束區,則為 23℃。

在 RCC澆筑期間,可將管徑為 32.0 mm的HDPE管作為埋設在 RCC壩內的冷卻管。冷卻管按間距1.5m埋設。約 10℃的水用作后期冷卻。在完成 RCC澆筑24 h后,開始利用埋設冷卻管內的循環冷水進行初始冷卻,視 RCC的溫度情況連續冷卻 10～14 d。RCC與通過冷卻管中的冷卻水之間的溫差不得超過 25℃,單管系統流量約為0.8 m3/h。每根管子都安裝有控制閥,以調節水流速度,這樣混凝土的溫降就可控制在規定的范圍內。可接受的溫降速率為 24 h應不得超過1℃。水流方向每隔 12 h或 24 h應反轉過來,以減少每層澆筑層冷卻時的溫度梯度。

必須指出的是,大壩施工采用了平層法和斜層法(SLM)。RCC澆筑層層厚為 30 cm,而采用 SLM的澆筑層層厚為1.5～4m。首次在斜層上安設冷卻管就獲得了成功。應該指出,在斜層上安裝冷卻管與在平層上安裝是一樣的,不會增加工作量。為了安裝冷卻管,應將整個施工區分成左右 2個單元,以避免施工受安裝冷卻管的干擾。圖 1示出了水平層冷卻管的典型布置。圖 2是斜層冷卻管典型布置的橫斷面。

圖1 高摩贊 RCC壩平層冷卻管布置

圖2 高摩贊 RCC壩斜層冷卻管布置

冷卻管的安裝施工沒有干擾 RCC的澆筑,高摩贊 RCC壩使用冷卻管的實踐證明取得了較好的效果,將最高溫度降低了 4～8℃。最終冷卻作業會將大壩溫度降到最佳穩定溫度,以便在水庫初次充水前 3個月進行橫向收縮縫灌漿。

5 結 語

與用于常規混凝土壩的情況一樣,將后期冷卻用于 RCC壩溫控是可行和有效的。RCC壩應用后期冷卻系統成功的關鍵是選擇了適當的管材和實施了有效的施工程序。同時,在施工過程中應特別關注以下幾點:

(1)與傳統金屬管一樣,PE管用作 RCC壩后期冷卻系統是合適的。

(2)由于其管壁極薄,有助于抵消較低的導熱量,因此 PE管在 RCC中冷卻與金屬管一樣有效。

(3)應將施工區分成 2個或更多的單元,這些單元的冷卻管應在不同的澆筑層安裝,以便安裝冷卻管和澆筑 RCC能同時進行。

(4)使用 PE管的后期冷卻系統應盡量少留管接頭。為了達到此目的,應將冷卻隔倉設計成使冷卻管的總長度不超過單根管件的長度(約 200 m)。

(5)只有當 PE管被不小于 25～30 cm厚的RCC拌和物層覆蓋后,重型施工機械才能在其上行駛。否則,PE管可能會受到破壞。

冷卻管系統在全世界不同的 RCC壩都得到了成功應用,加上本文介紹的高摩贊 RCC拱形重力壩的應用經驗,足以證明該冷卻系統對 RCC壩的溫控效果,安裝冷卻管不會干擾 RCC的快速施工進度。因此,當 RCC澆筑采用斜層法時,冷卻管可安裝在斜層上,也不會增加額外的工作量。

劉洪亮 譯自英刊《水電與大壩》2010年第 2期

趙樹湘 校

TV 642.2

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1006-0081(2010)12-0001-04

2010-09-28

(編輯:趙秋云)