牛路水庫碾壓混凝土重力壩溫控措施研究

何秋紅

(廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510640)

1 工程概況

牛路水庫位于廣州市從化區良口鎮，總庫容6663萬m3，是以城市供水為主兼顧防洪、發電的中型水利樞紐工程，推薦壩型碾壓混凝土重力壩，全長390.70m，分17個壩段，如圖1所示。

圖1 平面布置圖

2 基礎資料

2.1 氣溫

工程區屬華南亞熱帶濕潤氣候區，氣溫統計見表1。

2.2 混凝土分區設計

選7#壩段(最大壩高79.8m)作為典型段進行研究，混凝土分區如圖2所示，性能見表2。

表2 混凝土分區性能表

表1 氣溫統計表 單位：℃

圖2 典型壩段分區圖

部 位擬合絕熱溫升指數公式對應材料備 注壩體Ⅲ區(內部)C9010W2Tr17.8=(1-e-0.172t)R1壩體Ⅳ區(壩頂)C9015W4Tr18.3=(1-e-0.154t)C1、C2、C3防滲層Ⅱ區(外部)C9020W6Tr22.8=(1-e-0.1583t)C4、C5、C6Tr—絕熱溫升值,℃;TO—混凝土的最終溫升值,℃;t—齡期,d;a、b—試驗參數。

表4 混凝土熱學性能參數表

表5 混凝土力學性能參數表

2.3 混凝土力學及熱學參數

根據《廣州市牛路水庫工程大壩混凝土研究報告》(廣東省水利水電科學研究院)試驗成果及《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》推薦指數公式確定溫控計算參數。

(1)混凝土絕熱溫升值采用公式擬合試驗數據，見表3。

(2)混凝土熱學性能參數見表4。

表6 混凝土自生體積變形表

表7 混凝土允許拉應力表 單位：MPa

(3)混凝土力學性能參數見表5。

(4)混凝土徐變性能采用公式C(t，τ)=164.06τ-0.356(1-e(11.722-12.135τ-0.005)(t-τ)(0.602-0.053lnτ))擬合試驗數據，式中，C(t，τ)—混凝土的徐變度、t—加荷齡期，d；t—τ指持荷時間，d。

(5)混凝土自生體積變形采用公式擬合試驗數據，見表6。

(6)基巖彈性模量10.0GPa、容重2600kg/m3、泊松比0.30、導熱系數、比熱960J/(kg·℃)。

2.4 施工工期

大壩施工經歷2個汛期，第1個汛期大壩澆至度汛高程137.5m，第2個汛期大壩澆至147.0m，第2個汛期之后大壩澆筑至壩頂高程179.8m。

3 溫控措施研究

3.1 研究方法

外摻氧化鎂措施是在混凝土中摻入適量特制MgO，利用其延遲性不可逆的微膨脹性能補償混凝土溫降收縮變形達到防裂目的。參考《牛路水庫碾壓混凝土重力壩溫控仿真分析研究》(武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室)計算成果對提出的溫控措施進行對比分析并提出推薦方案。

3.2 溫控標準制定

根據混凝土各齡期彈性模量、極限拉伸值、抗拉強度值計算允許應力，見表7。

根據穩定溫度場、溫差控制標準，計算容許溫度控制標準，見表8。

3.3 無溫控措施溫度場及溫度應力場研究

仿真計算結果見表9～10。

表8 混凝土容許溫度表 單位：℃

表9 溫度場計算表 單位：℃

表10 應力場計算表 單位：MPa

表11 外摻MgO(摻量2%～10%)應力場計算表 單位：MPa

若不采取措施，低溫季節澆筑混凝土最高溫度基本達標，高溫季節澆筑混凝土最高溫度明顯超標，壩體中應力較大部位不達標，主要出現在強約束區、非約束區、墊層混凝土壩趾應力集中區等部位，因此需要采取溫控措施減小溫度應力。

3.4 外摻氧化鎂措施研究

3.4.1 最優摻量初選

擬定5種摻量(2%～10%)進行仿真計算并尋找最優摻量范圍，結果見表11。

對于碾壓混凝土，隨著摻量提高強約束區拉應力顯著減小，弱約束區拉應力也能較好降低，但非約束區拉應力有增大趨勢，因為此區壩體較為單薄，拉應力主要受控于內外溫差，氧化鎂對此類溫度應力無補償作用；對于常態混凝土，出現第一主應力最大部位主要在約束區靠近墊層混凝土附近，隨著摻量提高拉應力顯著減小，但對于非約束區，應力并無明顯改善，經分析最優摻量初選為6%。

3.4.2 摻區范圍與摻量精細化研究

根據初選摻量對不同的摻量及摻區組合方案進行仿真計算，結果見表12。

當全壩外摻時，隨著MgO摻量增加，強約束區應力明顯減小，弱約束區變化不大，非約束區應力增大；當強、弱約束區外摻時，隨著MgO摻量增加，下游面防滲區混凝土第一主拉應力明顯增大，因該區位于外摻與不摻MgO混凝土交界面處，有明顯材料自生體積變形差異性，且該區混凝土在高溫季節澆筑，易受溫降影響使應力超標；當在強約束區外摻時，除非約束區外各摻量應力基本滿足要求，當摻量從5.5%增加至6.0%時，墊層混凝土壩趾附近應力集中區應力明顯改善，經研究推薦外摻6.0%氧化鎂方案、摻區為基礎強約束區。

3.5 常規補充措施研究

為解決非約束區應力不達標問題，考慮采用常規措施進行補充。根據工程經驗在高溫季節用冷卻水管方案效果較好，但本工程非約束區倉面太小，不便于機械施工，故不考慮。

3.5.1 高溫季節澆筑倉面噴霧方案

擬對高溫季節(5～9月)澆筑倉面采用天然河水噴霧，仿真計算結果見表13～14。

表12 外摻MgO(摻量5.5%、6.0%、6.5%)應力場計算表 單位：MPa

表14 噴霧方案應力場計算表 單位：MPa

表13 噴霧方案溫度場計算表 單位：℃

采取倉面噴霧對降低混凝土最高溫度效果較好，但對于降低應力效果欠佳。

3.5.2 高溫季節倉面噴霧與表面保溫結合方案

擬對高溫季節澆筑倉面噴霧的同時對內外溫差較大區域表面采用全年保溫措施(施工時內貼保溫板)，保溫等效混凝土表面放熱系數2.0W/(m2·℃)，仿真計算結果見表15～16。

表15 噴霧與表面保溫結合方案溫度場計算表 單位：℃

表16 噴霧與表面保溫結合方案應力場計算表 單位：MPa

表面保溫措施能較好改善應力，結合方案可使混凝土溫控達標。

4 結語

經研究重力壩溫控措施推薦外摻6.0%氧化鎂方案、摻區為基礎強約束區，對高溫季節澆筑混凝土采用倉面噴霧與表面保溫結合的常規措施作為補充。推薦的溫控措施可為設計提供借鑒，為施工提供參考，但在施工運行階段，由于原材料、施工進度安排、施工環境等條件均可能會發生變化，因此須建立現場溫控實時監測與預警體系，根據監測數據進行重力壩混凝土溫控參數反演分析，進一步研究并實時調整溫控措施，保證溫控防裂效果。