三河口高碾壓混凝土拱壩基礎墊層混凝土溫控措施研究

趙 瑋,王 棟

(陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710001)

三河口碾壓混凝土拋物線拱壩壩頂高程為646.0 m,壩底高程504.5 m,壩基開挖底部河谷跨度約105 m,設計最大壩高141.5 m,拱冠梁剖面壩頂寬9.0 m,壩底厚37.0 m。大壩體型采用雙曲拱壩,大壩厚高比0.29,壩頂寬度9 m,壩基最大寬度37 m。大壩壩體為三級配的C25碾壓混凝土,壩基設2.0 m厚C25常態混凝土墊層,墊層混凝土總方量約6 000 m3,設計分為5塊澆筑,每塊墊層順水流方向長度37 m,寬度約21 m～25 m。

三河口壩址多年平均溫度為12.8℃,其中1月多年平均溫度為1.2℃,7月多年平均溫度為24.2℃,各月平均氣溫詳見表1。根據現場混凝土試驗,三河口拱壩墊層混凝土熱力學指標詳見表2。

表1 三河口壩址各月多年平均氣溫統計表 單位:℃

表2 三河口拱壩墊層混凝土熱力學指標匯總表

1 計算分析模型設計

研究三河口高拱壩基礎墊層混凝土溫控措施,是保證墊層混凝土澆筑質量,以及確定墊層以上大壩碾壓混凝土填筑時段的重要基礎。研究基礎墊層混凝土溫控的重點是低溫和高溫季節的混凝土澆筑問題,特別是位于基礎強約束區的混凝土澆筑溫度控制。因此,如何解決好大壩墊層混凝土施工時段、施工進度與混凝土溫度控制措施之間的問題,需進行深入地仿真計算分析研究。

混凝土絕熱溫升和彈性模量計算方法:

混凝土絕熱溫升T(℃)與齡期τ擬合關系式:

(1)

混凝土彈性模量E(GPa)與齡期τ擬合關系式:

(2)

三河口拱壩溫度場與溫度應力仿真計算采用三維有限元法,地基所取范圍為沿壩體的上下游、左右岸及底部均延伸1.5倍壩高。計算坐標系:順水流方向為Y方向,向下游為正;壩高方向為Z方向,向上為正;沿左、右岸方向為X方向,指向右岸為正。大壩基礎墊層混凝土厚度2.0 m,基礎墊層單元2 000個,節點3 025個,計算模型見圖1、圖2。

圖1 三河口拱壩壩基整體計算模型圖

圖2 三河口拱壩壩基墊層計算模型圖

2 研究方案和設計控制標準

2.1 研究方案

三河口拱壩基礎墊層混凝土計劃7月20開始施工,結合大壩基礎混凝土入倉特點,墊層混凝土施工按D-3→D-1→D-5→D-2→D-4順序進行施工,基礎墊層分區見圖3。

圖3 大壩基礎墊層分區圖

三河口拱壩基礎墊層具體工期安排及施工方法見表3。

表3 三河口拱壩河床壩段墊層混凝土施工特性及計劃工期統計表

研究三河口拱壩墊層混凝土澆筑方案如下:

方案1:混凝土澆筑采取自然入倉方式,澆筑溫度為月平均氣溫。

方案2:混凝土澆筑采取自然入倉方式,澆筑溫度為月平均氣溫,并采取通水冷卻溫控措施,水管間距1.0 m×1.0 m,通水溫度為20℃。

方案3:混凝土澆筑采取控制澆筑溫度為18℃,并采取通水冷卻溫控措施,水管間距為1.0 m×1.0 m,通水溫度為20℃。

方案4:混凝土澆筑采取控制澆筑溫度為16℃,并采取通水冷卻溫控措施,水管間距為1.0 m×1.0 m,通水溫度為20℃。

方案5:混凝土澆筑采取控制澆筑溫度為14℃,并采取通水冷卻溫控措施,水管間距為1.0 m×1.0 m,通水溫度為20℃。

溫控計算分析方案匯總見表4。

表4 三河口拱壩基礎墊層溫控計算分析方案匯總表

2.2 溫度控制標準

根據《混凝土重力壩設計規范》,當基礎約束區混凝土28 d齡期的極限拉伸值不低于0.85×10-4時,對于施工質量均勻、良好,基巖與混凝土的變形模量相近,短間歇均勻上升澆筑的澆筑塊,基礎容許溫差可采用表5。

表5 常態混凝土基礎容許溫差 單位:℃

三河口拱壩底寬37 m,位于30 m～40 m之間,故本次溫控計算所取基礎容許溫差為16℃～19℃。準穩定溫度場壩體內部平均溫度為13.5℃,根據壩底寬度插值計算得出本工程容許最大溫度值為30.4℃。結合工程重要性,基礎墊層混凝土內外溫差控制為16.0℃,混凝土澆筑塊容許最高溫度為30.0℃。

2.3 應力控制標準

根據三河口拱壩壩體混凝土彈性模量和極限拉伸值計算的允許拉應力見表6。

表6 常態混凝土28 d和90 d齡期允許拉應力

3 大壩準穩定溫度場計算成果分析

根據三河口拱壩基礎墊層施工進度安排及混凝土熱力學參數和外界氣溫等基礎資料,對大壩的準穩定溫度場采用有限元進行了仿真計算,1月份的準穩定溫度場見圖4,7月份的準穩定溫度場見圖5,準穩定溫度場計算結果符合一般規律。從圖可以看出,大壩壩體內部穩定溫度為13.5℃左右。

圖4 大壩1月份準穩定溫度場云圖(單位:℃)

4 非穩定溫度場計算成果分析

根據混凝土熱力學參數和大壩施工進度安排,對三河口碾壓混凝土拱壩基礎墊層進行了全過程溫度場有限元仿真計算。計算結果得到了不同方案在基礎墊層不同壩段的最高溫度值,5種計算方案最高溫度、穩定溫度、最大溫差、基礎容許溫差值詳見表7。

表7 5種計算方案最高溫度、穩定溫度、最大溫差、基礎容許溫差值 單位:℃

從計算成果可以看出:

(1) 方案1、方案2和方案3在D-3、 D-1、 D-5、 D-2 、D-4的最大溫差均大于基礎容許溫差(16.0℃～19.0℃),不滿足溫控設計要求。

(2) 方案4控制澆筑溫度為16℃,并采取通水冷卻措施,在D-5、 D-2 、D-4最大溫差為18.4℃,接近于基礎容許溫差的最大值。

(3) 方案5控制澆筑溫度為14℃,并采取通水冷卻措施,最高溫度30.5℃,基本滿足溫控設計要求,故方案5為溫控設計推薦方案。

5 應力場計算成果分析

根據三河口水庫工程碾壓混凝土拱壩溫度場仿真計算結果,分別對5種方案進行了溫度徐變應力仿真計算。溫度應力是溫度變化引起的應力,主要包括溫差、徐變和自生體積變形產生的應力。由于計算成果數據量很大,整理成果時進行了必要的簡化。基礎墊層于9月1日、9月15日、10月1日、10月15日、11月1日不同壩段最大應力值見表8—表12。

表8 9月1日基礎墊層最大應力值 單位:MPa

表9 9月15日基礎墊層最大應力值 單位:MPa

表10 10月1日基礎墊層最大應力值 單位:MPa

表11 10月15日基礎墊層不同壩段最大應力值 單位:MPa

表12 11月1日基礎墊層不同壩段最大應力值 單位:MPa

從計算成果可以看出,各方案基礎墊層最大拉應力出現在混凝土澆筑后7 d～14 d天左右,且最大拉應力值差異較大,方案5拉應力值最小。由于11月份外界氣溫相對較低,內外溫差大,因此,11月1日5個方案的溫度應力最大值均比其他時間的大。在9月1日、9月15日、10月1日,方案5的溫度應力均小于0.9 MPa。10月15日方案5最大溫度應力為1.17 MPa,小于墊層混凝土28 d齡期的允許應力1.60 MPa,混凝土墊層不會產生裂縫。11月1日方案5最大溫度應力值為1.87 MPa,大于墊層混凝土28 d齡期的允許應力1.60 MPa(本工程混凝土安全系數為1.65),混凝土墊層產生裂縫風險很大。因此,經計算分析,認為在10月15日之前澆筑墊層上部碾壓混凝土為宜。

6 結論及建議

根據5個方案的計算研究分析結果,方案5最高溫度和最大應力滿足要求,因此,方案5為推薦方案,所采取的溫控措施為推薦溫控措施。根據溫控計算分析和實際,10月15日之前填筑碾壓混凝土為佳。

根據工程實際,結合計算分析,在7月、8月份澆筑墊層常態混凝土時,宜采用倉面噴霧,流水養護和搭遮陽棚等措施,以降低外界氣溫的影響。另外,在低溫季節來臨之前,對已澆混凝土上、下游面采用砂卵石進行回填,以提高混凝土表面溫度值。

三河口拱壩為國內第二高碾壓混凝土雙曲拱壩,大壩混凝土方量超過100萬m3,為國內同類大壩混凝土體積第一,工程建設難度大。為確保大壩安全可靠、施工方便,大壩基礎墊層混凝土的施工控制極為關鍵,通過研究分析,確定了墊層混凝土澆筑采取控制澆筑溫度為14℃,并采取通水冷卻溫控措施,水管間距為1.0 m×1.0 m,通水溫度為20℃,確定了墊層混凝土上部碾壓混凝土在10月15日之前填筑為宜,可以為其他工程拱壩設計提供有價值的參考。