草街航電樞紐工程廠房壩段的溫控設計

王 波 龔少紅

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 工程概況

草街航電樞紐工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯級開發的第二級，是以航運為主，兼顧發電，并具有攔沙減淤、改善灌溉條件等效益的水資源綜合利用工程。樞紐工程壩址位于重慶合川市草街鎮境內。

工程所在的嘉陵江流域位于我國季風區西部，屬亞熱帶季風氣候。氣候特點是冬溫、夏熱、濕潤多雨。多年平均氣溫18.2℃，極端最高氣溫42.1℃，極端最低氣溫-3.1℃。

樞紐建筑物從左至右由船閘、廠房、沖沙閘、泄洪閘及擋水壩段組成，壩頂高程221.50 m，壩頂全長677.37 m。廠房為河床式，內裝4臺軸流轉漿式機組，單機容量125 MW。廠房采用一機一縫，機組間距34.5 m。4個機組段沿壩軸線方向長度分為41.63 m，34.48 m，34.48 m和34.48 m的壩段，順水流方向寬度為87.87 m，廠房最大高度82 m，進水口底板部位混凝土厚度達15 m。基礎置于弱風化的砂質粘土巖與砂巖上。

2 廠房壩段溫控仿真計算分析

水工大體積混凝土的溫控問題涉及設計、施工、試驗、材料、氣象等諸多因素。為確保工程質量及廠房壩段的安全，按照DL/T 5108-99混凝土重力壩設計規范，在技施階段對大體積混凝土進行了溫控設計，采用三維有限元法對廠房壩段整體的溫度場及徐變溫度應力進行仿真計算分析，提出混凝土溫度控制的綜合措施。具體的研究內容包括:

1)廠房穩定溫度場分析;

2)廠房混凝土分層、分縫及分塊方式研究;

3)通過三維有限元分析，提出約束區和非約束區底板混凝土允許基礎溫差、相應基礎應力及安全系數值;

4)澆筑溫度和降溫措施分析:根據混凝土實驗指標和水文氣象資料，仿真模擬混凝土澆筑過程;通過三維有限元分析，提出約束區和非約束區混凝土逐月澆筑入倉溫度、澆筑間隔時間、計算最高溫度和溫控措施(以加冰為主、水管冷卻為輔);給出不采取降溫措施時各部位逐月最高計算溫度;提出混凝土溫度控制的綜合措施建議。

2.1 計算模型

有限元模型如圖1所示?；鶐r模擬范圍:建基面高程以下厚度約1.0倍廠房高，壩軸線上游側順河向范圍約1.5倍廠房寬，下游側順河向范圍約2倍廠房寬。

圖1 廠房壩段計算模型（不含基礎）

離散中采用空間8節點等參實體單元，整個計算域共離散為22 738個節點和18 290個單元，其中廠房13 305個節點、9 798個單元。

2.2 計算路線

1)首先計算廠房的穩定溫度場，作為溫控計算的依據，在此基礎上根據有關規范和綜合國內外經驗，確定廠房底板及上部大體積混凝土的允許溫差和允許最高溫度以及施工期溫度應力控制標準;

2)根據水文氣象資料、大壩混凝土熱學力學性能以及設計施工進度，參考國內外類似工程經驗，初步擬定廠房混凝土的溫控方案，包括入倉溫度、澆筑層厚、間歇時間、通水冷卻措施、表面保溫措施、表面降溫措施等，采用三維瞬態有限元法對廠房的溫度場進行仿真計算分析，得出施工期的變化溫度場結果，校核廠房的最高溫度是否滿足溫控要求;

3)采用三維瞬態有限元法對廠房的溫度徐變應力場進行仿真計算分析，得出施工期的溫度應力結果，了解廠房的溫度應力分布情況，校核廠房的最大拉應力是否滿足溫控要求;

4)根據溫度及應力仿真成果，按照安全經濟的原則，推薦一種可行的廠房溫控方案。

2.3 推薦溫控措施下的溫度及應力場成果及分析

根據仿真計算成果，擬定推薦的溫控方案為:高溫季節澆筑混凝土時，只采用加冰混凝土澆筑。高溫季節6月～8月的混凝土澆筑溫度不超過22℃，其余季節的混凝土澆筑溫度均采取自然入倉澆筑(考慮太陽輻射+2℃)。夏季避免高溫時段10:00～16:00澆筑。該方案溫度及應力成果見表1。

表1 推薦溫控方案各工況仿真計算成果表

由表1可知，混凝土最高溫度為45.43℃ ～34.04℃，內部最大應力為1.29 MPa～1.01 MPa，表面最大應力為1.83 MPa～1.17 MPa，應力值均小于其相應齡期的允許應力，滿足要求。

2.4 主要的溫控技術要求

1)澆筑分塊。

廠房采用垂直施工縫錯縫布置，錯縫搭接長度為1 m，所有的垂直施工縫均設置鍵槽。混凝土分塊長度13 m～26 m。

主機間壩段混凝土分塊長度沿寬度方向分為左右2塊，兩塊寬度分別為18 m，16.48 m;順水流方向分為4個區(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各區長度分別為23.25 m，25.5 m，19.3 m，19.82 m。

安裝間1號壩段混凝土分塊長度沿寬度方向分為左右2塊，兩塊寬度分別為20 m，14.48 m;順水流方向分為4個區(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各區長度分別為 21.8 m，19 m，16 m，21.83 m。安裝間2號壩段混凝土分塊長度沿寬度方向分為左右2塊，兩塊寬度分別為16.8 m，17.3 m～20.9 m;順水流方向分為4個區(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各區長度分別為21.8 m，19 m，24.33 m，13.5 m。

2)混凝土分層原則。

電站廠房混凝土根據受基礎約束作用的強弱分為基礎強約束區、基礎弱約束區、基礎非約束區。混凝土分層原則:強約束區為1.5 m，弱約束區為2 m，非約束區為2.5 m。

3)混凝土入倉溫度。

混凝土入倉溫度:6月～8月為19℃，9月為18℃，10月為15℃，其他季節自然入倉澆筑。

4)混凝土層間澆筑間歇時間。

混凝土應連續澆筑，控制層間間歇時間。層間澆筑間歇時間為3 d～10 d，根據不同澆筑部位和時間綜合選定，詳見表2。

表2 混凝土層間澆筑間歇時間

3 裂縫的成因分析及處理

1)裂縫的成因分析。

根據廠房壩段溫控仿真計算分析可知，在采取一定的措施后，混凝土裂縫是可以控制的。但是在實際實施過程中，主機間二期機窩混凝土部位陸續出現了多條裂縫，其中部分為貫穿性裂縫。其中2號機二期機窩混凝土裂縫分布圖如圖2所示。經過綜合分析，認為導致裂縫產生的原因有以下幾點:

a.本工程采用水泥為普通硅酸鹽水泥，而非一般壩體采用的中低熱水泥，造成水化熱大，絕熱溫升高，溫度應力大，極易產生裂縫。

圖2 2號機二期機窩混凝土裂縫分布圖

b.現場施工機窩時局部采用了泵送商品混凝土，泵送混凝土為一級配且摻加了天然特細砂，且泵送混凝土的入倉溫度不能達到溫控要求，而降低混凝土入倉溫度是較有利的溫控措施;泵送混凝土水泥含量高，水化熱與干縮變形均比常態混凝土高，不利于混凝土的抗裂。

c.廠房混凝土的骨料采用人工骨料。由于棒磨系統的管理運行不完善，導致人工砂的細度模數為3.3，較規范相比偏高。而且骨料的堆放不規范，基本上屬于露天堆放，導致雨季時骨料的含水率及含泥量都嚴重超標。

d.根據現場實際情況，很多倉面由于存在模板堆放等現象或其他各種原因，導致沒有覆蓋保溫被進行混凝土養護。如養護不及時或不到位，混凝土出現表面裂縫的幾率較大。

e.混凝土層間間歇期為3 d～10 d，而實際施工層間間歇期過長，基本為15 d左右。下部已澆筑混凝土彈模已發展較大，處于老混凝土約束范圍內的表面裂縫在內部混凝土降溫過程中就可能發展為貫穿裂縫。

2)裂縫的處理。

危害性較大的裂縫尤其是貫穿性的裂縫，將會破壞建筑物的整體性，改變建筑物的受力狀態，造成滲水、漏水、鋼筋銹蝕，降低建筑物的耐久性，危害建筑物安全運行。因此，研究認為，若裂縫繼續發展將對工程結構安全造成較大危害，必須進行處理，不留隱患。

a.裂縫類型的劃分。

一類裂縫:表層裂縫，指深度在0.1 cm～20.0 cm之間的裂縫。二類裂縫:淺層裂縫，指深度在20.0 cm～40.0 cm之間的裂縫。三類裂縫:深層裂縫，指深度在40.0 cm～150.0 cm之間的裂縫。四類裂縫:貫穿裂縫，指深度大于150 cm的裂縫，以及混凝土結構被裂縫水平方向或豎直方向貫通的裂縫。

b.裂縫處理原則。

屬于一類、二類裂縫，均騎裂縫鑿10 cm×10 cm槽，將槽清洗干凈后采用微膨脹混凝土封閉填槽，然后順裂縫鋪設限裂鋼筋網，鋼筋網采用Ⅱ級鋼筋，主筋直徑為32 mm，長256 cm，分布筋直徑為22 mm，長度需根據裂縫的長度而定，鋼筋間排距均為20 cm。

屬于三類、四類裂縫，則需對裂縫進行化學灌漿，待灌漿質量檢查合格后，仍需順裂縫鋪設限裂鋼筋網，方式同一類、二類裂縫。

有抗沖耐磨要求的部位出現裂縫均進行化學灌漿處理。

c.化學灌漿材料。

灌漿材料主要選用潮濕型改性環氧樹脂HK-G-2。該材料具有粘度低、滲透力強、固化產物收縮小、粘結強度高、放熱低、使用期長等特點，適合在潮濕、有水環境的灌漿施工，既有堵水功能，又有補強效果。灌漿用材料主要指標:抗壓強度:大于50 MPa(20 d);抗折強度:大于6 MPa(水中28 d);剪切強度:大于7 MPa。

d.化學灌漿施工。

化學灌漿工藝流程為:鑿槽→探測裂縫深度、判別裂縫類型→布孔、鉆孔→清孔→安裝灌漿塞、填槽→連接灌漿泵→灌漿→灌漿效果檢查→驗收。

e.灌漿效果檢查及驗收。

灌漿結束后在孔距中間點進行灌漿效果檢查。打1個～2個檢查孔，觀察取出的芯樣被漿液充填情況，或進行壓水試驗，壓水壓力宜小于化學漿液的粘結強度。

從現場的處理效果看，對于表層裂縫，鋪設限裂鋼筋后，裂縫得到了有效的遏制。對于采用的化學灌漿處理的裂縫，取芯檢驗時，漿液較飽滿。取兩點做簡易壓水，滿足要求。處理效果良好，保證了混凝土的整體受力。在大壩正常蓄水后，廠房滿足了設計的各種工況運行正常。

4 結語

在水電工程中，混凝土產生裂縫是不可避免的，但通過合理設計、精心施工把裂縫控制在可以接受的范圍內是完全可行的。對此談談個人的心得體會。

1)水泥品種的選擇應相當慎重，對河床式廠房應該選用中低熱水泥，能大大降低裂縫產生的幾率，以減少因裂縫而影響結構安全、施工進度、增加工程投資等。

2)由于實際和計算分析的邊界條件有較大的出入，建議河床式廠房溫控措施中采用通水冷卻的方式，以有效的降低混凝土的最高溫度。

［1］ 中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.重慶市嘉陵江航運開發草街航電樞紐樞紐工程設計自查報告［R］.2010.

［2］ 重慶市嘉陵江草街航電樞紐樞紐工程主廠房壩段溫控研究［D］.武漢:武漢大學，2005.