黃河龍口水利樞紐大壩混凝土溫控設計

謝 坤 朱志強 高 誠 趙小娜

龍口水利樞紐總庫容1.96億m3,電站總裝機容量420mW,屬大(Ⅱ)型工程。樞紐基本壩型為混凝土重力壩,壩頂高程900m,壩頂全長408m,最大壩高51m,壩體混凝土總方量約98萬m3。

1 基本資料

1.1 氣象、水文

龍口水利樞紐位于東經111°18′、北緯 39°25′,地處黃土高原東北部,屬溫帶季風大陸性氣候,冬季氣候干燥寒冷、雨雪稀少且多風沙,夏季炎熱。氣溫變化特點是季節變化大,晝夜溫差變化大,冰凍時間長,氣溫驟降頻繁,且驟降幅度大、延續時間長。主要氣象、水文資料見表1。

表1 主要氣象、水文資料統計表℃

1.2 混凝土指標

壩體齒槽與基礎接觸部位采用撫順低熱礦渣32.5水泥,基礎其他部位采用撫順中熱42.5水泥,壩體其他部位采用大同42.5普通硅酸鹽水泥,并摻20%～30%粉煤灰,采用人工砂石骨料。混凝土主要力學、熱學指標見表2。

表2 混凝土主要力學、熱學指標表

1.3 基巖指標

壩址區基礎巖石以中厚、厚層豹皮灰巖為主,結構面發育,石質較堅硬。巖體的濕抗壓強度為110MPa,彈性模量2×104MPa(水平),泊松系數取0.25。

2 壩體穩定溫度場及接縫灌漿溫度

2.1 壩體穩定溫度場

壩體穩定溫度場按平面問題處理,滿足拉普拉斯方程。經計算,確定龍口壩體的邊界條件如下:庫表水溫12.75℃;庫底水溫10.0℃;上、下游垂直段壩面溫度11.1℃;壩頂溫度13.27℃;下游壩坡溫度12.9℃;下游尾水溫度10.19℃;上游地表溫度10.0℃;下游地表溫度10.19℃。龍口大壩各典型壩段穩定溫度場分布見圖1。

2.2 接縫灌漿溫度

壩體混凝土采用柱狀分層分塊澆筑方法施工,為使各壩塊整體作用,在大壩正式擋水前須對縱縫和部分橫縫進行灌漿。考慮到重力壩斷面較大,壩體內部穩定溫度變化不大,故以穩定溫度作為灌漿溫度。

大壩灌漿分區面積為200～300m2,最大不超過400m2。根據壩體平面穩定溫度場計算成果,提出各典型壩段的接縫灌漿分區,將各分區內穩定溫度場的分布加權平均,所得出的平均溫度作為各分區的灌漿溫度。龍口大壩典型壩段接縫灌漿溫度:擋水壩段10.5～12.6℃;副安裝間壩段10.0～10.1℃;底孔壩段10.05～10.15℃;表孔壩段10.5～12.7℃;隔墩壩段10.8～12.8℃。

圖1 壩體穩定溫度場分布圖

3 混凝土溫度應力分析

3.1 混凝土溫度應力計算

3.1.1 基礎混凝土溫度應力計算

基礎混凝土澆筑塊的溫度應力主要指基礎溫差所引起的澆筑塊中央斷面的水平正應力,由兩部分組成:

(1)混凝土由澆筑溫度降至壩體穩定溫度時均布溫差所產生的溫度應力。

(2)混凝土由非均布的水化熱溫升所產生的溫度應力。

表3列出了多種基礎塊澆筑方案的溫度應力計算結果。

表3 基礎塊混凝土溫度場及溫度應力表(L=24m)

3.1.2 氣溫驟降混凝土表面溫度應力及保溫計算

壩址區氣溫驟降頻繁、降溫幅度大,也會使混凝土表面產生溫度應力,從而使混凝土表面產生裂縫。經計算,對于可能出現的氣溫驟降情況,混凝土表面貼最大厚度為25mm的閉孔泡沫塑料板可滿足要求。

3.2 混凝土允許溫差和允許最高澆筑溫度

3.2.1 基礎塊混凝土的允許溫差

根據基礎塊混凝土溫度和溫度應力計算,對不同分縫間距和不同澆筑分層情況,基礎混凝土的溫度應力以不超過相應標號混凝土的允許拉應力為準。經過計算,確定基礎澆筑塊的允許溫差見表4,此時混凝土澆筑塊的高寬比為 H/L=1。當 H/L≤0.5時,允許溫差應嚴加控制。

表4 基礎混凝土允許溫差 ℃

3.2.2 基礎塊混凝土允許最高澆筑溫度

由壩體不穩定溫度場計算成果可求得強、弱約束區內最高溫升和允許溫差,部分澆筑塊分層方案的允許最高澆筑溫度計算結果見表5。

表5 允許最高澆筑溫度℃

3.3 澆筑塊內部各月允許溫差和允許最高溫度

混凝土內外溫差應小于20～25℃,對于脫離了基礎約束的混凝土也應適當控制內部最高溫度。混凝土各月的允許溫差和允許最高溫度見表6。

表6 混凝土各月的允許溫差和允許最高溫度℃

3.4 新老混凝土上、下層允許溫差

在老混凝土(齡期超過28 d)面上澆筑新混凝土時,新混凝土受老混凝土的約束,上、下層溫差越大,新老混凝土中產生的溫度應力也越大。上、下層溫差控制標準為:新澆混凝土的溫度應力應小于混凝土允許拉應力。經計算,在老混凝土面上澆新混凝土,薄層短間歇均勻上升時,上、下層允許溫差為18℃,澆筑塊側面長期暴露時應小于15℃;薄層長間歇時,上、下層允許溫差為14℃。

3.5 相鄰壩塊允許高差

由于壩址區氣候惡劣,為減少壩塊側面暴露時間,各壩塊應盡量均勻上升,避免高差過大,相鄰壩塊允許高差為6～9m,寒冷季節尤應嚴格控制。

4 壩內混凝土冷卻系統設計

接縫灌漿前要將壩體溫度降至穩定溫度,若靠自然冷卻時間太長,由于工期的限制,壩體冷卻不能僅靠自然冷卻,必須采取人工強迫冷卻措施,使壩體溫度在較短的時間內降至穩定溫度。采用在壩內分層埋設冷卻水管,在后期通低溫水加速壩體降溫,同時利用冷卻水管進行混凝土澆筑初期的通水冷卻,以削減水泥水化熱溫升。

采用有限單元法對混凝土溫度場及應力場進行仿真計算,選取22種計算工況,分別對電站壩段、隔墩壩段、底孔壩段等典型壩段冷卻水管的間距、埋設方式、通水溫度和時間、氣溫和澆筑溫度、混凝土間歇期、混凝土表面保溫等方面進行計算。通過對各方案的計算結果進行分析,確定壩體冷卻水管的布置和要求。

4.1 壩體冷卻水管布置

冷卻水管均采用非鍍鋅普通焊接鋼管(黑鐵管),總管和干管的規格分別為325mm×8mm(外徑×壁厚)和219.1mm×6mm,鋪設在各澆筑層中的蛇形支管規格為DN25mm。

冷卻支管的布置一般為1.0m×1.5m和1.5m×1.5m(水管層距×水管水平間距)。當澆筑層厚度為1.0～1.5m時,在層中間鋪設1層冷卻支管;當澆筑層厚度為2.0～3.0m時,在層中間鋪設2層冷卻支管。

4.2 一期冷卻和二期冷卻

4.2.1 一期冷卻

一期冷卻主要有以下幾點要求:

(1)通水水溫:一期冷卻通入的冷卻水與混凝土溫度之差不得超過25℃,在6～8月份采用天然河水通水降溫,其余季節采用深井水(水溫約為13℃)通水降溫。

(2)通水時間:為了削減水化熱溫升,需及時進行一期通水冷卻。當澆筑溫度為5～9℃時,在澆筑后1～2 d開始通水;當澆筑溫度為10～12℃時,在澆筑后0.5 d開始通水;當澆筑溫度超過13℃時,通水時間應盡可能早。一期冷卻通水時間持續15～20 d。

(3)混凝土降溫速度不宜過快,日降溫幅度不應超過1℃。

4.2.2 二期冷卻

二期冷卻主要有以下幾點要求:

(1)通水水溫:二期冷卻通入的冷卻水與混凝土溫度之差不得超過25℃。①當混凝土初溫Tc＞30℃時,先通不低于17℃的冷卻水;待混凝土溫度降至30℃時,改通10～8℃的冷卻水;待混凝土溫度降至24℃時,再改通4～2℃的冷卻水直至混凝土達到穩定溫度;②當混凝土初溫24℃＜Tc≤30℃時,先通10～8℃的冷卻水;待混凝土溫度降至24℃時,改通4～2℃的冷卻水直至混凝土達到穩定溫度;③當混凝土初溫Tc≤24℃時,直接通4～2℃的冷卻水直至混凝土達到穩定溫度。

(2)通水時間:采用分層通水,由低到高,逐層進行。二期冷卻一般在混凝土齡期超過半年以后才進行。

不同壩段各區的穩定溫度值即為二期冷卻結束通水時要求壩體達到的溫度,二期冷卻即按此標準來控制通水結束時間。壩段停止通水后的實際溫度與規定的穩定溫度之差不得超過±0.5℃。

(3)為了防止壩體混凝土出現裂縫,混凝土降溫速度不應過快,開始通水后的混凝土日降溫幅度不應超過1℃。

(4)為了使接縫能充分張開,保證已灌接縫不至因灌漿層以上的混凝土降溫產生的溫度應力而拉開,要求灌漿層頂面以上有一定附加高度的混凝土與灌漿層同時冷卻至相應的灌漿溫度。其附加冷卻層高度至少為1個灌漿層。

(5)同一接縫兩側壩段、同一灌漿層的上下游兩個灌區均應同時冷卻,以避免壩段內出現過大的溫差。

5 主要溫控措施

混凝土壩溫度控制設計的目的是防止或者減少混凝土裂縫的發生,溫度控制是保證大壩質量的關鍵因素之一。主要采取以下溫控措施:

(1)合理選擇材料。采用中、低熱水泥,選用合理的混凝土級配,并摻入粉煤灰(摻量控制在30%以內)、加氣劑和塑化劑等外加劑。

表7 混凝土澆筑溫度 ℃

(2)嚴格控制混凝土澆筑溫度。大體積混凝土結構澆筑溫度應滿足表7的要求,并采取有效措施控制后期的溫度上升,混凝土內外溫差應滿足表8中規定的允許值,以 防止產生溫度裂縫。

表8 混凝土溫差允許最高溫度℃

(3)合理分層、控制間歇期。在壩體齒槽和強約束區,采用層厚1.0m先澆筑3層,然后澆筑若干層厚1.5m的方式,層間間歇時間為5 d左右;在壩體弱約束區,澆筑層厚度為1.5～2.0m,間歇時間5～7 d;在壩體非約束區,澆筑層厚度為3.0～4.0m,間歇時間7～10 d。

電站壩段橫縫間距30m,上、下游方向85.8m,由于其孔洞多、結構尺寸差別大、薄壁結構多,同時受尾水管等結構的影響,基礎高差起伏大,因此不宜采用分縱縫的澆筑施工方法。為了保持廠房結構的整體性,改善結構的受力條件,減小廠房基礎應力,防止裂縫,方便施工,電站壩段采用以錯縫為主、鋪以寬槽的綜合澆筑方案。在低溫季節當相鄰塊體的溫度降到穩定溫度時回填寬槽,使之成為整體。

(4)埋設冷卻水管,進行通水冷卻。

(5)高溫天氣混凝土溫控措施。①降低混凝土澆筑溫度,如對骨料進行預冷、冷卻拌和水、用冰片或碎冰代替不超過90%的拌和水、在模板或硬化混凝土表面連續均勻地噴灑水等措施;②將混凝土澆筑盡量安排在早晚和夜間氣溫較低的時間段;③運輸混凝土的工具應有隔熱遮陽措施,縮短混凝土的暴曬時間;④有條件的部位采用表面流水冷卻的方法進行散熱;⑤養護期內混凝土的表面溫度在任何24 h內的變化不應超過8℃,如溫度變幅較大,應采用覆蓋保溫措施;⑥采用地攏從料堆底部取料,降低骨料溫度;⑦在暴露于太陽和干風吹的新混凝土表面應采用濕麻袋覆蓋保護,并加蓋1層防雨布。

(6)低溫天氣混凝土溫控措施。每年11月～次年3月,或日平均氣溫低于5℃,或最低氣溫穩定在-3℃以下時,按低溫季節混凝土施工進行控制。主要采取的措施如下:①混凝土澆筑溫度不得低于5℃;②新澆混凝土表面至少在澆筑后15 d里保持溫度不低于5℃,并在規定養護期內不受冰凍影響;③不應在溫度低于1℃的前1層混凝土面或地面上澆筑混凝土;④采用保溫模板或加保溫材料;⑤在澆筑完成底孔流道的第1個寒冷期,應臨時封堵流道及孔洞,防止對流冷空氣對流道混凝土產生不利影響;⑥寒冷季節來臨之前,盡量減小相鄰壩塊高差及側面暴露時間,嚴格控制拆模時間,防止表面混凝土產生過大的溫度梯度。

6 結 語

龍口大壩通過合理選擇材料、嚴格控制混凝土澆筑溫度、合理分層及控制間歇期、壩內埋設冷卻水管、采取高溫及低溫天氣特殊溫控措施等對大壩混凝土溫度進行控制,大壩混凝土澆筑完成2年以來未見深層裂縫,表面裂縫也不多,可見本工程的溫控設計是合理的。尤其是在壩內埋設冷卻水管,在現場一期冷卻供水條件不足、高溫天氣制冷設備不完善等實際存在的不利情況下,通過水管二期冷卻,在較短的時間內使壩體溫度降至穩定溫度,從而保證了壩體接縫灌漿的順利進行,效果顯著。