天花板碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設計

林健勇，王毅鳴，李賀林，周飛平

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況

天花板水電站為三等中型工程，攔河壩及泄洪建筑物等主要建筑物為3級建筑物。攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高107.0 m，壩軸線長159.87 m，壩體混凝土澆筑總量約27.3萬m3，其中碾壓混凝土約20.2萬m3，強度等級為C18020；常態混凝土約7.1萬m3，強度等級為C2825；局部高強耐磨常態混凝土強度等級為C9040。

拱壩壩體結構較復雜，正對主河床的壩體中部相間布置有3個泄洪表孔和2個泄洪中孔，溢流前沿總寬67.5 m，表孔堰頂高程1 062.5 m，孔口靜寬10 m；中孔進口高程1 020.00 m，孔口尺寸5 m×6.5 m （寬×高）。此外，為保證電站進水口 “門前清”，在壩身還設置了沖沙孔。

壩體共設置兩條誘導縫；在979～1 027 m高程之間，距離泄洪中心線3 m處，設置了一條平行于泄洪中心線的橫縫。

大壩于2009年4月18日開始澆筑，碾壓混凝土施工于2010年6月7日完成， 2010年12月完成壩體施工，電站于2011年2月27日并網發電。

2 水文氣象資料

牛欄江流域屬暖溫帶高原季風氣候，年溫差大、日溫差小，干濕季節明顯，徑流主要由大氣降水補給為主。魯甸氣象站是與天花板水電站最臨近的氣象站，海拔約1 945 m，魯甸氣象站的多年平均相對濕度為76%，最小相對濕度為0；多年平均氣溫12.1℃，極端最高氣溫33.0℃，極端最低氣溫-11.5℃。天花板水電站壩址區海拔約1 000 m，壩址區采用的氣象資料由魯甸氣象站資料根據兩地高程差別推算得到。

壩址區各月平均氣溫及水溫見表1。壩址多年平均氣溫17.2℃，月平均氣溫以7月份最高，為25.1℃，以1月份最低，為7.8℃。

表1 壩址區各月平均氣溫及水溫

3 混凝土和基巖的設計參數

混凝土原材料為：①水泥采用昭通華新水泥股份有限公司生產的 “保壘牌”42.5普通硅酸鹽水泥。②粉煤灰采用宣威發電廠生產的Ⅱ級粉煤灰。③砂石骨料選用人工骨料，巖性為白云巖。④減水劑選用江蘇博特新材料有限公司生產的JM-II和山西桑穆斯UNF-3C緩凝減水劑，引氣劑選用江蘇博特生產的GYQ和山西桑穆斯AE引氣劑。

碾壓混凝土力學參數見表2，材料的熱學參數見表3。基巖變形模量：Ⅱ類巖體11～12 GPa；Ⅲ1類巖體 8～10 GPa； Ⅲ2類巖體 5～8 GPa。

表2 碾壓混凝土參數

表3 材料的熱學參數

4 壩體混凝土施工仿真計算

天花板拱壩溫控設計采用SAPTIS、WKFLRJB有限元仿真計算軟件，考慮外界氣溫和水溫隨時間的變化，模擬壩體混凝土分層澆筑方式、入倉溫度、澆筑厚度、施工間歇等施工參數，考慮混凝土水化熱、彈性模量、自生體積變形及徐變等性能參數隨時間的變化，對壩體溫度場及應力進行仿真計算。

4.1 施工進度

壩體墊層施工于2009年4月18日開始，5月7日施工至979 m高程后因壩基固結灌漿而暫停澆筑。2009年6月1日開始繼續澆筑并連續上升至壩頂高程。其中，碾壓混凝土施工于2010年6月7日結束，常態混凝土于2010年10月施工至壩頂高程。

4.2 仿真計算成果及分析

（1）對于天花板碾壓混凝土拱壩而言，由于壩體體形結構復雜，河道底部較寬，河道相對較狹窄，壩體受基礎巖體和兩側壩肩約束作用較強，中間設3個表孔和2個中孔，施工期溫度應力非常突出。采取簡單的溫控措施難以滿足大壩混凝土施工期和運行期溫控防裂要求。

（2）從仿真計算結果來看，該工程開裂風險較大的區域主要位于基礎約束區，以及夏季澆筑的大壩上下游表面區域。基礎約束區表面應力主要是內外溫差、年變化溫差以及基礎的強約束作用所致；而上下游表面應力則主要是內外溫差和年變化溫差所致，施工期防裂應著重關注這些區域。

（3）由于基礎約束區在高溫季節澆筑，無論是溫度還是應力都明顯較大。如施工過程中不采取任何措施，則壩體應力水平較高，超過混凝土抗拉強度。故在結構布置方面，除在壩體兩側靠壩肩處設置兩條誘導縫外，對高溫季節澆筑的979～1 027 m高程局部應設置橫縫；溫控措施方面，除一期冷卻外，對高溫季節澆筑的混凝土還應采用制冷水或低溫河水進行中期冷卻及二期冷卻；應盡可能地降低澆筑溫度，進行流水養護及冬季保溫。

（4）在采用有效溫控措施的前提下，大壩基礎區內、外表面，非約束區內外表面溫度和應力均可控制在一定的范圍內。

4.3 溫控標準

溫控標準為：混凝土內外溫差應小于20℃；上下層容許溫差應不大于15℃；基礎允許溫差標準見表4；容許最高溫度見表5。

壩體碾壓混凝土除12月～2月考慮自然澆筑外，其他各月應采取可能的手段，盡可能地降低澆筑溫度。在高溫季節施工時，盡可能將澆筑溫度控制在24℃以下。

表4 碾壓混凝土基礎容許溫差 ℃

表5 壩體混凝土容許最高溫度 ℃

5 主要溫控措施

（1）優化混凝土施工配合比，盡可能地降低混凝土中水泥用量，以降低水化熱溫升。

（2）避免高溫時段施工或混凝土直接暴曬于陽光下，以減少混凝土溫度回升。宜利用春秋冬季適宜溫度安排高強度混凝土澆筑施工。

（3）應增加骨料堆料高度 （不應低于6 m），用地壟取料，并且應搭設涼棚以降低骨料溫度。

（4）控制混凝土細骨料的含水率。

（5）混凝土降溫措施以壩體內預埋冷卻水管通水冷卻為主。一期、中期、二期冷卻通水技術方案宜貫徹早通水、調整水溫、加大流量，二期降溫要慢等要點。

（6）979～1 000 m高程范圍為高溫季節澆筑的強約束區混凝土，此范圍內混凝土應采用制冷水進行冷卻，盡可能削減溫度峰值，溫度峰值過后即可采用河水冷卻，入冬前逐步冷卻至20℃以下。

（7）除冬季外，施工期均應做好倉面噴霧、流水或灑水養護，降低環境溫度，使倉面始終保持濕潤。這是確保大壩安全入冬非常關鍵的溫控措施。此外，采用表面保溫等措施，作為冬季的輔助溫控手段。

（8）冬季澆筑壩體時，可在混凝土中加早強劑；混凝土澆筑完畢以后，對外露表面應及時保溫，易受凍的棱角和突出部位應加強保溫。

（9）入冬前考慮用渣土填滿壩前基坑。

6 結語

天花板拱壩壩體體形結構較復雜，河道底部較寬，壩體受基礎巖體和兩側壩肩約束作用較強，強約束區混凝土為高溫季節澆筑，施工期溫度應力非常突出。結合施工現場可行的溫控手段，確定了以壩體內預埋冷卻水管、通水冷卻為重點，其余措施為輔的壩體溫控原則，通過仿真分析計算提出了溫控的重點部位及其對應的溫控措施，有針對性地指導了施工。