張懷芝 吳朝月 段大琪 文勝良

1 工程概況

亞碧羅水電站位于怒江中游河段,是怒江中下游梯級規(guī)劃的第7個(gè)梯級,壩址距離昆明市約616 km,工程是以發(fā)電為主的水電樞紐工程,電站裝機(jī)容量為2 100 MW,水庫正常蓄水位1 079 m。攔河壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程1 082.00 m,最大壩高165.00 m,為高碾壓混凝土壩；壩頂寬度18 m,壩頂軸線長度374 m,混凝土壩共18個(gè)壩段,最大橫縫間距為25 m,最小橫縫間距18 m。壩體混凝土工程量約240.5×104m3,其中碾壓混凝土約200.7×104m3。

2 基本資料及計(jì)算參數(shù)

2.1 氣象、水溫資料

根據(jù)福貢站、瀘水氣象站資料統(tǒng)計(jì),亞碧羅壩址多年平均氣溫16.9℃,極端最高氣溫37.5℃,極端最低氣溫-2.8℃,多年平均水溫14.2℃,多年平均地溫18.8℃,多年平均風(fēng)速1.9 m/s。年平均降雨量1 199 mm,年平均相對濕度為71%,多年平均風(fēng)速為1.9 m/s。

各月氣溫、水溫具體見表1。

表1 亞碧羅水電站壩址處氣溫及水溫資料℃

2.2 混凝土材料及分區(qū)

壩體上游面及下游水面以部位采用二級配富膠凝碾壓混凝土作為主要防滲體,中部及下游水面以上部位采用三級配碾壓混凝土?；A(chǔ)墊層采用1.5 m厚的常態(tài)混凝土?？紤]到大壩碾壓混凝土施工期比較長,承受荷載晚的特點(diǎn),混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)齡期采用180 d。

2.3 混凝土及基巖物理參數(shù)

根據(jù)亞碧羅工程試驗(yàn)資料,溫度場仿真計(jì)算采用的物理參數(shù)試驗(yàn)值見表2。

表2 亞碧羅溫度場仿真計(jì)算參數(shù)

2.4 壩體施工進(jìn)度安排

按第3年7～10月份順序開始各壩段基礎(chǔ)部位混凝土澆筑,除結(jié)構(gòu)需要或特殊情況外,碾壓層厚度采用每層30 cm的通倉薄層連續(xù)鋪碾,一般強(qiáng)約束區(qū)連續(xù)升程為1.5 m,弱約束區(qū)和非約束區(qū)連續(xù)升程為3.0 m,層間間歇為5～7 d。第5年11月中旬導(dǎo)流隧洞下閘封堵。第6年1月第1臺機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電。

3 穩(wěn)定溫度場

3.1 邊界條件

裸露在大氣中的壩體面受日照影響,取19℃；庫前水溫見表3；下游水墊搪底部水溫14.6℃,表面水溫17.1℃,中間取直線變化；壩體建基面溫度按上游壩踵和下游壩趾處水溫,中間取直線變化(見表3)。

表3 年平均庫前水溫

3.2 穩(wěn)定溫度場

壩體穩(wěn)定溫度場計(jì)算成果如圖1。

圖1 壩體穩(wěn)定溫度場

4 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

4.1 基礎(chǔ)溫差控制標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)碾壓混凝土28 d齡期極限拉伸值不低于0.70×10-4時(shí),其碾壓混凝土壩基礎(chǔ)允許溫差見表4。當(dāng)基礎(chǔ)約束區(qū)常態(tài)混凝土28 d齡期的極限拉伸值不低于0.85×10-4時(shí),對于施工質(zhì)量均勻、良好、基巖與混凝土的變形模量相近,短期間歇均勻澆筑上升的澆筑塊、基礎(chǔ)允許溫差見表4規(guī)定的數(shù)值。

表4 混凝土基礎(chǔ)允許溫差 ℃

4.2 新老混凝土溫差

考慮到本工程的重要性,控制標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)約束區(qū)混凝土原則上不允許長間歇,但是,一旦出現(xiàn)間歇大于28 d時(shí),控制碾壓混凝土新老溫差不大于13℃；墊層常態(tài)混凝土新老溫差不大于16℃。

(2)非約束區(qū)新老混凝土溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為15℃。

4.3 內(nèi)外混凝土溫差

碾壓混凝土的內(nèi)外溫差控制不超過17℃,常態(tài)混凝土的內(nèi)外溫差控制不超過21℃。

4.4 最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

壩體混凝土允許最高溫度取決于穩(wěn)定溫度、基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外混凝土溫差和新老混凝土溫差等。目前,在設(shè)計(jì)及施工中為了便于控制,一般均以壩體最高溫度作為控制參數(shù)。亞碧羅大壩不同部位混凝土允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 壩體混凝土允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn) ℃

5 不穩(wěn)定溫度場仿真計(jì)算與溫控方案設(shè)計(jì)

5.1 三維仿真計(jì)算

建基面高程以下基巖厚度取1.5倍壩高,上下游方向取1.5倍壩高。離散壩體及壩基巖體采用空間8節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元,壩段鉛直向單元層厚0.5 m,上下游方向分為10層單元,上下游面附近較密,中心較稀。整個(gè)壩段模型共剖分單元11 600個(gè),節(jié)點(diǎn)9 018個(gè),其中大壩壩體剖分單元10 940個(gè),基巖結(jié)構(gòu)剖分單元660個(gè)。

施工期從下往上逐層澆筑混凝土?xí)r,上下游邊界暴露于大氣中,為第三類邊界條件；蓄水后上游面按庫前不同高程水溫取值,下游面與尾水接觸部分按尾水溫取值,與水接觸部分為第一類邊界條件,否則仍為第三類邊界條件。左右兩側(cè)的散熱可按絕熱條件處理,屬于第二類熱學(xué)邊界條件。壩頂暴露面隨澆筑高度上升,間歇期間屬第三類邊界條件。

5.2 溫控方案及計(jì)算成果分析

一般而言,大壩的溫控方案應(yīng)盡可能滿足簡單易行、經(jīng)濟(jì)合理以及安全可靠等要求。對于碾壓混凝土重力壩而言,溫控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于控制基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和新老溫差,控制混凝土最高溫度,以此達(dá)到防裂的目的。在該思想的指導(dǎo)下,展開了以下多種方案(見表6)的仿真計(jì)算研究。

表6 溫控仿真計(jì)算方案

參考同類工程,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初擬溫控方案1、2,經(jīng)仿真計(jì)算,其最大溫度包絡(luò)圖見圖2和圖3,各部位最大溫度值見表6,具體分析如下。

方案1:7月初開始澆筑,則墊層混凝土澆筑時(shí)氣溫高,計(jì)算表明最高溫升達(dá)到33.1℃,超過了最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。強(qiáng)約束區(qū)澆筑時(shí)為8～10月,最高溫升為32.5℃,遠(yuǎn)超過該部位27℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。弱約束區(qū)最高溫升達(dá)到30.2℃,超過該部位允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。非約束區(qū)混凝土最高溫度達(dá)34.9℃,仍高于最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案2:10月初開始澆筑,則墊層混凝土澆筑時(shí)氣溫仍比較高,計(jì)算表明最高溫升達(dá)到31.3℃,超過最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)要求。強(qiáng)約束區(qū)混凝土澆筑時(shí)則遇到低溫季節(jié),最高溫溫升為27.6℃,稍高于最高溫度控標(biāo)準(zhǔn)。弱約束區(qū)澆筑時(shí)間為2～5月份,最高溫升達(dá)到32.0℃,超過該部位29.0℃允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。非約束區(qū)壩體混凝土澆筑則遇高溫季節(jié),如圖3計(jì)算結(jié)果顯示,壩體中上部大面積的區(qū)域最高溫升均超過34℃允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

通過對方案1、2的仿真計(jì)算及分析,可知:高溫及次高溫季節(jié)澆筑時(shí)混凝土溫升超標(biāo)嚴(yán)重,需針對性地加強(qiáng)該時(shí)段的溫控措施；另外,墊層也需進(jìn)一步嚴(yán)格溫控措施。因此,針對性地設(shè)計(jì)了溫控方案3、4(見表6中所示)。其仿真計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5,各部位最大溫度值見表6。

方案3:如圖4最大溫度包絡(luò)圖所示,強(qiáng)約束區(qū)大部分區(qū)域?yàn)?7.7℃,最大值達(dá)28.1℃,超過了允許最高溫度27℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。由于該部位混凝土澆筑時(shí)間為8～10月份,因此需進(jìn)一步加強(qiáng)高溫季節(jié)約束區(qū)溫控措施。其余部位基本滿足最高允許溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案4:如圖5最大溫度包絡(luò)圖所示,弱約束區(qū)大部分區(qū)域?yàn)?8.5～31℃,最大值達(dá)32.1℃,超過了允許最高溫度29℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。由于該部位混凝土澆筑時(shí)間為12～翌年3月份,因此需進(jìn)一步加強(qiáng)低溫季節(jié)約束區(qū)溫控措施。其余部位基本滿足最高允許溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

通過對方案3、4的仿真分析,可知:對于高溫及低溫季節(jié)施工的約束區(qū)混凝土需進(jìn)一步嚴(yán)格溫控措施,因此針對性地設(shè)計(jì)了溫控方案5、6(見表6中所示)。其仿真計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7,各部位最大溫度值見表6。

方案5:如圖6最大溫度包絡(luò)圖所示,墊層最大溫度為27.1℃,強(qiáng)約束區(qū)最大為27.1℃,弱約束區(qū)為24.0～25.9℃,非約束區(qū)為25.9～33.8℃,均滿足表5中的各部位允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

方案6:如圖7最大溫度包絡(luò)圖所示,墊層最大溫度為26.3℃,強(qiáng)約束區(qū)最大為23.5℃,弱約束區(qū)為23.5～28.0℃,非約束區(qū)為28.0～33.1℃,均滿足表5中的各部位允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 合理的溫控方案

通過以上對亞碧羅碾壓混凝土重力壩各溫控方案的設(shè)計(jì)及其仿真分析可知,方案5、6為合理的溫控方案,因此,確定出了亞碧羅大壩混凝土溫控合理的方案,詳見表7。

6 結(jié) 語

碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于控制基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差和新老溫差,但在設(shè)計(jì)及施工中為了便于把握,一般將其化為壩體最高溫度作為控制參數(shù),以達(dá)到溫控防裂的目的。本文利用三維有限元法,對亞碧羅碾壓混凝土重力壩溫度場進(jìn)行了多種溫控方案的仿真計(jì)算分析,以壩體混凝土允許最高溫度為控制標(biāo)準(zhǔn),最終確定了合理的溫控方案。

表7 亞碧羅大壩混凝土工程合理的溫控方案

1 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

2 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用(第2版)[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

3 王立成,馬妹英.戈蘭灘碾壓混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(3):1-3.

4 王志國,包日新.玄廟觀碾壓混凝土拱壩溫度控制設(shè)計(jì)[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(1):20-22.

5 張懷芝,何蘊(yùn)龍,彭云楓.桑郎碾壓混凝土拱壩溫度場仿真分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2007(12):43-48.

6 孫恭堯,王三一,馮樹榮.高碾壓混凝土重力[M].北京:中國電力出版社,2004.

7 張宗明,王衛(wèi)華.玄廟觀碾壓混凝土拱壩施工溫度控制措施[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2008,27(1):55-58.