黃花寨氧化鎂混凝土拱壩設計

熊 杰，徐 江，楊衛中

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

黃花寨氧化鎂混凝土拱壩設計

熊 杰，徐 江，楊衛中

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州貴陽550002）

黃花寨水電站混凝土拱壩是我國第一座壩高超過100m的外摻碾壓氧化鎂混凝土拱壩。該拱壩的設計從筑壩材料研究、體型優化、溫度場和應力場的仿真分析等方面進行較全面的研究計算工作。在大壩混凝土澆筑過程中，由于混凝土級配、膠材用量、施工進度的變化，通過仿真分析對壩體分縫和溫控增設進行調整。經施工期及初期蓄水運行埋設儀器的監測資料，反映拱壩工作狀態正常，基本達到氧化鎂混凝土拱壩的設計要求。

黃花寨水電站；拱壩設計；碾壓氧化鎂混凝土；仿真分析；溫控

1 概述

黃花寨水電站位于貴州省長順縣境內，是蒙江流域格凸河干流上第三級電站，裝機2×30MW。水庫正常蓄水位795.5m，總庫容1.748億m3，工程等別為Ⅱ等大（2）型。壩址區多年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫34.1℃，極端最低氣溫-8.5℃。壩址處河床高程703m，寬45m，兩岸850m高程以上地形較陡，以下漸緩，呈基本對稱的“U”形橫向河谷，寬高比2.2，大部分地段基巖裸露，出露地層為石炭系下統擺佐組和中統黃龍群，巖層產狀平緩，傾角約15°。

攔河壩最大壩高108m，為碾壓混凝土雙曲拱壩。為簡化壩體混凝土的溫控措施，在初步設計階段提出全壩外摻氧化鎂的意見，施工圖設計時對此展開了設計研究工作，并委托某單位進行壩體溫度場和應力場的仿真分析計算。大壩于2007年2月初澆筑墊層混凝土，4月初開始壩體碾壓混凝土施工，由于某些原因的干擾，施工斷斷續續，2009年4月碾壓到759.8m高程，工程停工。至2010年1月復工，9月底開始下閘蓄水，2011年初澆筑至壩頂高程。

2 樞紐布置及拱壩設計

2.1 樞紐布置

樞紐建筑物的布置盡量使壩體結構單一，以減小對大壩施工的干擾，有利于壩體的快速施工。樞紐布置采取廠壩分開、短隧洞引水的布置方案。溢流表孔布置在河床壩段，凈寬3m×10m，水力學霧化實驗成果表明，表孔泄洪時，霧化雨強小于10m m/h，不影響發電廠區建筑物及設備的安全。樞紐布置見圖1。

圖1 樞紐平面布置圖

2.2 拱壩設計

拱壩分析計算采用A D A SO多拱梁程序，以拱壩體積為目標函數進行優化，幾何約束及應力約束為約束函數，根據應力計算的拱端力系成果，進行壩肩抗滑穩定驗算，綜合比較后確定了橢圓線型拱壩。

在壩體應力要求均勻合理的前提下，為了使拱端形成較大的推力角，橢圓曲線長軸順河向布置，拱圈曲率半徑由拱冠向兩岸逐漸減小，使曲線逐漸扁平。拱圈中心角遵循頂部及底部取小值，中下部取大值，適應壩體中下部較大的應力，而中上部曲線扁平化有利于壩肩穩定的特點。由于兩壩肩基巖變形模量在不同部位相差較大，為適應其變化情況，水平拱圈由拱冠向兩岸沿弧長逐漸加厚，使拱圈應力趨于均勻。最終用于施工的拱壩主要體型參數特征值見表1。

優化后壩體混凝土減少17.7%，約6.3萬m3，石方開挖減少17.9%，約5.2萬m3。

3 氧化鎂混凝土應用設計

3.1 材料優選

氧化鎂混凝土拱壩的設計，首先需要優選壩體混凝土的拌和料，諸如水泥、摻合料、骨料、外加劑。在選定拌和料后進行氧化鎂混凝土的自生體積變形試驗，根據實驗獲得的變形曲線，對拱壩溫度場和應力場進行仿真分析。

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能及水化熱等基本技術參數如表2。

混凝土摻合料選用粉煤灰，經檢測，其品質滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》（D L/T 5055-1996）中國家Ⅱ級粉煤灰標準。人工骨料采用壩址附近厚層石灰巖扎制，砂的細度要求為中砂，石粉含量按16%～20%控制。

氧化鎂采用輕燒氧化鎂，要求大于90%。其主要指標等檢測試驗結果見表3。

表1 拱壩體型參數特征值

表2 水泥物理、力學性能及水化熱檢測表

表3 氧化鎂性能檢測表

3.2 混凝土試驗

3.2.1 氧化鎂壓蒸試驗

為了了解不同氧化鎂摻量對水泥、混凝土的影響，分別進行凈漿、砂漿、一級配混凝土壓蒸試驗。壓蒸試驗結果見表4～表6。

表4 凈漿壓蒸試驗表

表5 砂漿壓蒸試驗表

表6 一級配混凝土壓蒸試驗表

試驗結果表明，粉煤灰摻量為60%時，凈漿、砂漿、一級配混凝土中氧化鎂的極限摻量分別為3.01%、7.65%、8.77%。配合比試驗以一級配試驗成果為準，對所選摻量乘以安全系數0.85，即粉煤灰摻量為60%時，氧化鎂最高摻量為7.53%?；炷僚浜媳仍囼炑趸V摻量采用6%。

3.2.2 混凝土配合比試驗

壩體三級配混凝土大石、中石和小石的比例分別為30%、40%和30%，二級配混凝土中石和小石的比例分別是60%和40%?；炷僚浜媳纫姳?，材料特性見表8。

根據混凝土配合比，開展氧化鎂混凝土自身體積變形試驗，按不同氧化鎂摻量（即0%、5.0%、6.0%、7.0%）、粉煤灰摻量（65%、60%、40%）及不同溫度（20℃、30℃、40℃）條件下進行，試驗結果見表9、表10、表11。

表7 拱壩混凝土設計配合比

表8 拱壩混凝土材料特性

表9 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（20℃）

表10 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（30℃）

表11 混凝土自身體積變形性能試驗（10-6）（40℃）

從現場氣象條件出發，考慮其他因素，結合已建氧化鎂混凝土拱壩的原型觀測資料，研究后采用80μ ε用于仿真計算。

3.3 仿真分析與溫控

3.3.1 仿真分析

采用溫控仿真分析程序Sa pT i s進行了溫度場、應力場仿真計算、計算參數除前述的基本參數外，彈性模量、水化熱溫升均根據實驗數據擬和求得，模型均采用雙曲線型，碾壓混凝土的絕熱溫升實驗值和擬合值見圖2。由于缺乏實驗資料，混凝土的徐變參照類似工程的實驗數據予以擬合。

圖2 混凝土絕熱溫升曲線

計算單位按照施工組織計劃提供的壩體混凝土澆筑計劃進行仿真分析，考慮壩址氣象條件，冬季較溫和，夏季氣溫高，而壩體一部分混凝土可能在夏季進行澆筑。首先提出全壩不設縫（誘導縫或橫縫），在夏季高溫季節適當增加通水冷卻的方案。其壩體拉應力在允許范圍。見圖3。

當設計方案提出后，現場進行的混凝土配合比生產性試驗出現了問題，由于施工單位混凝土生產系統配備的是連續性混凝土拌和機，其攪拌時間偏短而經廠家現場試驗也不能延長，即氧化鎂不能在混凝土拌和時摻加。通過在拌和樓外摻氧化鎂試驗，發現氧化鎂摻加不均勻，不能滿足要求。故改在水泥廠內摻，即采購氧化鎂半成品在水泥廠與水泥熟料共磨，從而使其在水泥中均勻分布，解決了混凝土內氧化鎂的均勻性的問題。在與水泥廠家談判時，廠家囿于行業規定不愿出廠水泥的氧化鎂含量過高，最終結果將水泥中的氧化鎂含量按水泥的6.5± 0.5%出廠。由此，使得原壩體混凝土設計配合比中氧化鎂的摻量達不到設計預期的6%，僅達到2.4～2.9%。根據前期混凝土試驗成果、混凝土現場配合比試驗及以往氧化鎂混凝土拱壩的應用經驗，在綜合平衡混凝土水化熱及混凝土自身體積變形的影響后，將拱壩混凝土設計配合比作相應調整，見表12。通過對壩體氧化鎂混凝土配合比的調整，在水化熱略微上升的基礎上，使氧化鎂的摻量達到3.1～3.6%，同時減弱粉煤灰對微膨脹的抑制，盡量彌補由于氧化鎂的摻量達不到設計預期而導致的微膨脹量減少。

由于氧化鎂摻量的降低，混凝土的微膨脹達不到設計預期，通過充分論證，采用60μ ε重新進行仿真分析。首先對施工方案進行復核，由于氧化鎂的補償不足，較多部位拉應力超標，需要進行調整。第二次計算結果，確定設兩條橫縫，見圖4。采用該方案施工，取消了壩體通水冷卻措施。設計按二次仿真分析提供的方案，對施工圖進行修改。

圖3 壩體無縫、中面最大拉應力等值線圖（單位：MP a）

表12 拱壩混凝土施工配合比

圖4 壩體設兩條縫、中面最大拉應力等值線圖（單位：MP a）

由于各種原因，壩體混凝土澆筑過程不夠順利，當上升到760m高程時，全面停工。一年以后開始復工繼續進行工程建設，對此又再次進行仿真分析。計算單位結合設計意見，提出在770m高程增加兩條誘導縫的方案，見圖5。

大壩按第三次仿真分析后的方案施工完成。

3.3.2 溫控措施

氧化鎂混凝土拱壩通過氧化鎂自生體積變形產生的補償作用，作為混凝土的主要溫控措施。但是在高溫季節澆筑混凝土時，輔以其他的一些常用的簡易溫控手段也是必要的，設計要求黃花寨拱壩在高溫季節施工中采用如下一些溫控措施：

（1）盡可能降低混凝土出機口溫度。對拌和系統的水泥罐和煤灰罐設管路噴水，在拌和系統的骨料倉上空安裝防曬網，減少太陽光對骨料的直射，降低出機口混凝土的溫度。

（2）防止混凝土運輸過程中溫度回升。對運輸混凝土的自卸汽車安裝帆布棚，將車上混凝土全部覆蓋，減少太陽光直射引起的溫度回升。

（3）倉面施工控制。高溫天氣時，在太陽光的照射和大風條件下，采用倉面噴霧降溫，并用麻袋和彩條布覆蓋，保持倉面混凝土一直處于濕潤狀態。

4 結語

黃花寨碾壓氧化鎂混凝土拱壩施工過程中，在700m高程時停工9個月，在759.8m高程時停工13個月。雖然設計方案也隨著進行調整，但實際壩體的溫度場和應力場總是難以完全模擬，不利的因素還是存在的。

由于業主提前投產的生產目標需要，2010年9月大壩澆筑至795.5m高程（正常蓄水位）時，水庫下閘蓄水。此時上部壩體混凝土溫度未降到封拱溫度，同時由于誘導縫部位混凝土是2010年4月開始澆筑，還未經過一個低溫季節，經測縫計觀測，除兩條橫縫740m高程以下有0.2m m的張開度外，其余部位尚未發現有張開的跡象，因此，大壩在未進行橫縫灌漿的情況下蓄水運行。目前，大壩溫度已接近封拱溫度，計劃在入冬以后，進行橫縫及誘導縫灌漿。

黃花寨大壩是第一座壩高超100m采用全壩外摻氧化鎂混凝土筑壩技術設計建成的拱壩，設計根據施工進度的變化，利用仿真分析手段，進行多次方案調整，將不利因素影響盡可能降低，使工程順利建設完成。黃花寨氧化鎂混凝土拱壩的設計對類似工程具有一定的借鑒意義。

圖5 壩體設四條縫、中面最大拉應力等值線圖（單位：MP a）

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1672-2469（2015）05-0098-07

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.031

熊 杰（1974年—），男，高級工程師。