楊房溝水電站拱壩應用4.5m升層溫控防裂研究

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

拱壩混凝土澆筑升層厚度是影響拱壩混凝土施工質量和進度的關鍵因素之一[1]，自4.5m升層在錦屏一級拱壩得到成功應用之后，因其節約工期、施工質量可控的優勢，在后續高拱壩建設中得到越來越多的應用和推廣。

建設中的楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內，是雅礱江中游河段“一庫七級”開發的第六級，電站裝機容量1500MW。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2102m，壩高155m，拱冠梁頂厚9m，拱冠梁底厚32m，壩頂中心線弧長362.17m，厚高比0.206，弧高比2.34，壩體共17個壩段，壩體混凝土方量約75.81萬m3。楊房溝拱壩于2018年10月30日開始首倉混凝土澆筑，計劃2020年10月底澆筑完成，計劃工期24個月，拱壩澆筑上升速度約6.5m/月，超過了二灘拱壩6.0m/月、錦屏一級拱壩6.1m/月的上升速度，屬于國內先進水平，因此，使用4.5m升層對楊房溝拱壩建設具有重要意義。

高拱壩應用4.5m升層的優勢是節約工期，同時也從混凝土溫控防裂、“三大高差”控制、拱壩體型控制等方面產生了新的難題。本文在現場試驗的基礎上，結合三維溫控仿真計算成果，研究分析楊房溝拱壩應用4.5m升層在混凝土溫控防裂方面的可行性。

2 4.5m升層現場試驗

2.1 現場試驗開展情況

經比較分析后，選取8#-10(指8#壩段第10個澆筑層，下同)、9#-12、9#-13、10#-16、10#-17共5個澆筑層開展試驗。5個澆筑層升層均為4.5m，分為9個薄層澆筑，冷卻水管分別埋設在澆筑層底、層厚1.5m及3.0m位置，冷卻水管采用HDPE管，主管外徑40mm、壁厚3.0mm～3.3mm，支管外徑32mm、壁厚2.0mm～3.3mm。混凝土表面進行保溫，模板一般在齡期48h時拆除，模板拆除后在上、下游面粘貼厚度為4cm的聚苯乙烯板，澆筑層面、坯層覆蓋用4cm厚聚乙烯卷材保溫被。混凝土澆筑及一期通水冷卻信息見表1。

表1 現場試驗特征溫度統計 (單位：溫度：℃，流量：m3/h)

表1表明，通過采取在高溫時段噴霧改善倉面小氣候、調整冷卻水管間距至1.0m、降低通水溫度、加大通水流量等措施，各試驗澆筑層最高溫度均能控制在設計范圍內，且較允許最高溫度具有4.0℃～9.0℃的安全裕度，試驗表明應用4.5m升層在混凝土溫控方面技術可行。

2.2 升層4.5m與3.0m對比

升層為3.0m時，水管布置型式采用1.5m×1.5m(層距×間距)，與4.5m升層相比，水管布置型式、通水水溫、通水流量基本相同，兩者溫度特性對比見表2。

表2 升層4.5m與3.0m時溫度特性對比

注：表中(1.17*)表示消除澆筑溫度差異后最高溫度的差值。

從表2分析可知，升層4.5m與3.0m相比，在溫控措施基本相同的情況下，澆筑層內部最高溫度平均高出1.5℃～2.0℃，混凝土溫降速率基本都控制在設計范圍(平均值≤0.5℃/d)內。試驗統計數據表明，單根水管不超過300m時，出口水溫比進口水溫平均上升了4.5℃，驗證了朱伯芳院士提出的“對于大型工程，預冷和水管冷卻是主要降溫手段，層面散熱在溫度控制中的地位已下降，當有足夠澆筑能力時，可采用較厚的澆筑層”[2]；另一方面，在進行類似混凝土壩溫控經濟分析時，該數據可供參考。

3 三維溫控仿真分析研究

除了開展現場試驗研究外，還對基礎約束區升層3.0m、自由區升層4.5m進行了三維溫控仿真計算及對比。仿真分析采用實際澆筑計劃，邊界條件采用設計澆筑溫度、通水方案及表面保護措施。

3.1 約束區應用3.0m升層

以8#壩段為例，基礎約束區應用3.0m升層后，強約束區最高溫度為26.1℃，弱約束區、自由區分別為27.0℃、27.4℃，三個區域在二期冷卻結束時順河向應力達到最大，分別為0.71MPa、0.72MPa和0.68MPa，抗裂安全系數分別為3.76、3.71和3.93，橫河向應力主要產生在首次跨越冬季的強約束區混凝土，應力值達到0.58MPa，相應安全系數為2.83，表明約束區應用3.0m升層時溫度和應力均能滿足設計要求。

(a)溫度包絡圖 (b)順河向應力包絡圖

圖18#壩段溫度及溫度應力包絡圖(單位：0.01MPa)

3.2 自由區應用4.5m升層

3.2.1 4.5m升層時溫度及應力

以9#壩段為例，自由區應用4.5m升層冬季澆筑時混凝土最高溫度為22.7℃，夏季澆筑時為27.4℃；內部溫度應力小于0.5MPa，安全系數大于2.0；表面溫度應力受氣溫及蓄水后水溫影響，一般均小于0.9MPa，安全系數大于2.0；溫度及溫度應力均滿足設計要求。

3.2.2 升層4.5m與3.0m對比

選取13#壩段和10#壩段進行對比分析，計算工況將設計澆筑溫度15℃在弱約束區提高至17℃、

(a)溫度歷時曲線

(b)順河向應力歷時曲線

在自由區提高至19℃，使混凝土最高溫度與設計溫控標準接近。表3為13#壩段對比情況。

表3 13#壩段升層4.5m與3.0m對比

(a)溫度歷時曲線對比

(b)順河向應力歷時曲線對比

計算表明，升層4.5m較3.0m混凝土最高溫度升高了0.1℃～0.3℃，順河向應力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系數均大于2.0，滿足設計要求。可見在自由區應用4.5m升層在混凝土溫控方面是可行的。

4 結語

楊房溝水電站作為國內首個采用EPC模式進行建設的百萬千瓦級大型水電工程，應用4.5m升層對其拱壩建設具有重要意義。現場試驗及三維溫控仿真計算均表明，與3.0m升層相比，應用4.5m升層后，試驗澆筑層最高溫度升高1.5℃～2.0℃，較允許最高溫度仍具有4.0℃～9.0℃的安全裕度；試驗統計數據表明，單根水管出口水溫比進口水溫平均上升了4.5℃，驗證了朱伯芳院士提出的“預冷和水管冷卻是大中型工程的主要降溫手段”的理論；全壩段最高溫度升高0.1℃～0.3℃，溫度應力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系數大于2.0，滿足設計要求。楊房溝拱壩應用4.5m升層在混凝土溫控防裂方面技術可行，相關試驗數據及仿真分析可供類似工程借鑒。