周曉信（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫控設(shè)計

周曉信
（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

通過計算，對青龍碾壓混凝土雙曲拱壩溫度及溫度應(yīng)力進行分析，并根據(jù)大壩的施工條件、壩體結(jié)構(gòu)特點、實際施工進度，及大壩所在區(qū)域的氣候特點，設(shè)置誘導(dǎo)縫，選用合適溫控標準并制定較為適宜的溫控措施。通過工程實際證明，溫控效果良好。

青龍 碾壓混凝土 雙曲拱壩 溫度控制 設(shè)計 措施

1 工程概述

青龍水電站位于湖北省恩施市，清江一級支流馬尾溝。工程樞紐由碾壓混凝土雙曲拱壩、發(fā)電引水系統(tǒng)、調(diào)壓井、岸邊地面式廠房等建筑物組成。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，水平拱圈采用拋物線，壩頂高程737.7 m，河床建基面高程598.0 m，最大壩高139.7 m，頂拱最大中心角82.940°，頂拱弧長116 m，拱冠梁頂厚6 m，底厚23 m，厚高比為0.150 3，最大倒懸度0.125。大壩混凝土放量24萬m3，其中常態(tài)混凝土4萬m3，大壩40 m以下采用通倉澆筑，40 m以上設(shè)置2條誘導(dǎo)縫，壩體最大寬度58 m。

2 混凝土原材料及主要設(shè)計指標

2.1 主要原材料

水泥：采用強度等級為42.5的中熱硅酸鹽水泥，混凝土試驗該水泥7 d水化熱278（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標準高值（293 kJ/kg），3 d水化熱238（J/g）低于中熱硅酸鹽水泥標準值（251 kJ/kg）。摻用0.5抗裂劑在同等條件下水化熱峰值提早4 h，水化熱7 d少10（J/g）。

粉煤灰：采用二級灰，碾壓混凝土中粉煤灰摻量為55%。

骨料：采用灰?guī)r加工的人工骨料，三級配碾壓混凝土砂率為30%，二級配為34%，砂細度模數(shù)FM= 2.6，人工砂中石粉含量為20%。

外加劑：采用引氣、減水、緩凝等復(fù)合型外加劑。

2.2 主要設(shè)計指標

大壩混凝土主要設(shè)計指標見表1。

表1 混凝土主要設(shè)計指標

3 溫度控制標準

3.1 基礎(chǔ)允許溫差

青龍水電站大壩混凝土基礎(chǔ)允許溫差標準見表2和表3。

表2 基礎(chǔ)允許溫差標準 ℃

表3 青龍水電站碾壓混凝土拱壩基礎(chǔ)允許溫差標準 ℃

我國碾壓混凝土壩設(shè)計導(dǎo)則中按照碾壓混凝土極限拉伸值0.7×10-4折算，考慮到工程碾壓混凝土極限拉伸值設(shè)計要求取值≥0.9×10-4，試驗極限拉伸值達到1.19×10-4（見表1），其設(shè)計值和試驗值分別高于折算標準的28.6%和70%，碾壓混凝土抗裂性能較好，本工程基礎(chǔ)允許溫差標準應(yīng)適當提高。

3.2 上下層允許溫差

當下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土時，應(yīng)控制新老混凝土之間的溫差。當連續(xù)上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時，允許老混凝土面上下各L/4范圍內(nèi)上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時下層實際平均溫度之差為（15～20）℃。

3.3 內(nèi)外溫差標準

當下層混凝土齡期超過28 d成為老混凝土時，應(yīng)控制新老混凝土之間的溫差。當連續(xù)上升且澆筑高度大于0.5 L（L為澆筑塊長邊尺寸）時，允許老混凝土面上下各L/4范圍內(nèi)上層混凝土最高平均溫度與新混凝土開始澆筑時下層實際平均溫度之差為20℃。

3.4 設(shè)計允許最高溫度

壩體基礎(chǔ)約束區(qū)的允許最高溫度為壩體的允許基礎(chǔ)溫差與穩(wěn)定溫度之和，壩體脫離約束區(qū)的允許最高溫度可取為上下層溫差、內(nèi)外溫差與壩體的穩(wěn)定溫度之和的小值。青龍水電站壩體設(shè)計允許最高溫度見表4。

表4 壩體設(shè)計允許最高溫度 ℃

對于老混凝土約束區(qū)和陡坡、填塘部位，可參照上述基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土的標準或適當加嚴執(zhí)行。

3.5 施工期混凝土溫度應(yīng)力控制標準

根據(jù)青龍拱壩的施工進度計劃，大壩混凝土全部澆筑和灌漿工程完成以后，在第4年4月開始蓄水，采用了誘導(dǎo)縫的結(jié)構(gòu)分縫形式，壩體通倉碾壓澆筑，因此在施工期大壩蓄水以前，大壩同時承受自重和溫度荷載的作用。目前 《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》（SD 145-85以及SL 282-2003）以及碾壓混凝土壩設(shè)計規(guī)范（SL 314-2004）只規(guī)定了施工期采用柱狀法澆筑的混凝土澆筑塊的水平向徐變溫度應(yīng)力。其應(yīng)力控制標準：

式中 σ——各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和（MPa）；

εp——混凝土極限拉伸值；

EC——混凝土彈性模量（MPa）；

Kf——安全系數(shù)，一般采用1.3～1.8。

在溫度荷載的基礎(chǔ)上疊加自重的作用后，其順河向正應(yīng)力與單獨考慮溫度荷載作用的順河向正應(yīng)力差別很小。因此，在大壩蓄水以前，擬定青龍拱壩在自重和溫度荷載共同作用下的混凝土拉應(yīng)力控制標準仍然按照式（1）確定，安全系數(shù)采用1.5，列出常態(tài)混凝土28 d、碾壓混凝土極限拉伸90 d以內(nèi)齡期的彈性模量以及相應(yīng)的極限拉伸值，可計算出大壩混凝土的允許拉應(yīng)力（表5）。

表5 施工期壩體混凝土應(yīng)力控制標準

4 溫度控制措施

在制定青龍拱壩溫控措施前，對施工期最高溫度和溫度應(yīng)力進行了仿真分析，以拱冠梁剖面為例，壩體施工期的最高溫度30℃左右，壩體有兩個高溫區(qū)，壩體高溫區(qū)發(fā)生在（625～640）m和（720～737）m附近；施工期溫度應(yīng)力：上下游壩面的最大拉應(yīng)力均控制在1.58 MPa左右，該值小于規(guī)范允許的拉應(yīng)力值1.8 MPa，見附圖。

附圖 下游壩面施工期溫度應(yīng)力包絡(luò)圖（拉應(yīng)力為+）

4.1 設(shè)置誘導(dǎo)縫

通過計算，首先研究大壩整體不分縫的情況，了解最大拉應(yīng)力產(chǎn)生的部位和時間，初步判斷提出縫的類型以及位置的合理性；研究大壩從施工期到運行期的溫度徐變應(yīng)力，在應(yīng)力不能滿足抗裂要求的部位，通過調(diào)整誘導(dǎo)縫的設(shè)置形式，進一步削弱縫位上混凝土的強度，使得壩體混凝土的應(yīng)力得以重新分布；如果調(diào)整縫的削弱程度和縫的位置還不能滿足混凝土的防裂要求，則增加誘導(dǎo)縫的條數(shù)，根據(jù)實際的澆筑施工進度，（630～650）m為高溫季節(jié)澆筑的混凝土，在擬定的溫控措施方案下，冬季低溫氣候時該部位會產(chǎn)生較其它高程部位更大的拉應(yīng)力，綜合施工和結(jié)構(gòu)兩個方面考慮，從640m高程開始設(shè)置誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫為不完全切斷壩體的雙向間斷縫，在壩體中形成軟弱結(jié)構(gòu)面以誘導(dǎo)溫度縫在預(yù)計部位產(chǎn)生。

4.2 控制澆筑溫度、優(yōu)化配合比、骨料預(yù)冷

5～10月混凝土澆筑溫度控制在24℃以下，其它月份按自然入倉控制澆筑溫度。優(yōu)化混凝土配合比，采用具有高摻粉煤灰的碾壓混凝土，降低水化熱的絕熱溫升。進行混凝土施工配合比設(shè)計和優(yōu)化，改善混凝土的和易性及其他特性。在滿足設(shè)計各項技術(shù)指標的前提下，盡可能減少水泥用量；降低混凝土原材料入機溫度，水泥、粉煤灰等摻合料提前組織進場；人工砂堆場搭設(shè)避雨、遮陽棚，高溫季節(jié)對粗骨料采取可行的遮陽措施，頂部噴冷水霧降溫；增加骨料堆高，5～10月澆筑的碾壓混凝土要求骨料堆高不低于6 m，砂子和粗骨料均采取地壟取料，降低骨料入機溫度。在入拌料斗的皮帶機上搭建遮陽棚；加強施工組織設(shè)計，混凝土水平和垂直運輸達到一體化；降低混凝土溫度的回灌，縮短混凝土出機到碾壓的時間?；炷帘M量利用早晚和夜間澆筑，避免中午高溫時段澆筑。

4.3 合理的澆筑分層、層間間歇及流水養(yǎng)護

合理的澆筑分層既能保證混凝土建筑施工進度，又可以充分利用層面散發(fā)水化熱。青龍拱壩碾壓混凝土每間歇層澆筑高度3 m，每一碾壓層厚30 cm，層間作業(yè)時間不易大于（6～8）h，且碾壓混凝土從拌和至碾壓完畢，一般在2 h之內(nèi)完成，每間歇層間歇時間控制7～10 d內(nèi)。實施倉內(nèi)噴霧，營造倉內(nèi)小氣候，5～10月澆筑的碾壓混凝土（或者澆筑時平均氣溫高于25℃時），倉面需噴霧形成小氣候，降低倉面溫度，防止混凝土澆筑過程中的表面干裂和溫度回升，要求噴面噴霧雨量強度每6 min小于0.3 mm。大壩碾壓混凝土采用“斜層澆筑”工藝進行施工。采用斜層施工工藝，相對通倉澆筑的施工工藝，具有倉面面積小、每層混凝土的覆蓋時間短的特點，大大減少了混凝土在倉面的溫度回升。若是平行壩軸線向前推進，對斜層坡腳的處理必須十分慎重，要求在碾壓過程中防止大骨料分離，并且每個條帶的底部必須錯開，防止形成一條自上而下的通道。

在混凝土澆筑完畢后應(yīng)及時養(yǎng)護，使混凝土表面及側(cè)面經(jīng)常保持濕潤狀態(tài)，混凝土終凝后實行流水養(yǎng)護?；炷吝B續(xù)養(yǎng)護時間不少于28 d。

4.4 預(yù)埋冷卻水管、通水冷卻

青龍拱壩▽624 m高程以上均埋設(shè)冷卻水管，▽624 m～▽660 m高層冷卻水管間排距取1.5 m×1 m（豎向×水平），▽660 m高層以上冷卻水管間排距取1.5 m×1.5m，材料特性如下：管外徑=32 mm，管內(nèi)徑=28 mm，導(dǎo)熱系數(shù)≥0.45 W/m·℃，拉伸屈服應(yīng)力≥20 MPa，縱向尺寸收縮率≤3%。通水冷卻分三期：初期通水在混凝土澆筑收倉后即開始通水，強約束區(qū)4～10月、弱約束區(qū)5～9月通10℃制冷水，控制水溫與混凝土溫差≤20℃，通水時間20 d。二期通水安排在初期通水之后，入冬之前，初擬通河水40 d，具體通水時間根據(jù)壩體溫度情況調(diào)整；三期通水在封拱接縫灌漿前，初擬通河水30 d，具體通水時間根據(jù)溫度觀測情況調(diào)整。冷卻水管通水流量應(yīng)不小于20 L/min。

4.5 混凝土表面保護

青龍拱壩上、下游面及側(cè)面等長期暴露面，10月～次年4月澆筑的混凝土拆模后即設(shè)永久保溫層，當遇氣溫驟降時，應(yīng)推遲拆模時間；5～9月澆筑的混凝土在10月初設(shè)永久保溫層，保溫后混凝土表面等效放熱系數(shù)β≤2.0 W/m2·℃；每年入秋前，應(yīng)將孔洞進出口進行封堵。保溫材料建議采用泡沫卷材或聚丙板，混凝土側(cè)面和平面覆蓋厚度要求不小于1.5 cm，孔口封堵厚度要求不小于2.3 cm。

5 結(jié) 語

青龍拱壩溫度控制設(shè)計經(jīng)過嚴謹?shù)挠嬎惴治?，確定了混凝土允許最高溫度、上下層溫差及內(nèi)外溫差等溫度控制標準，同時采用控制澆筑溫度、合理的分縫、層間間歇及通水冷卻等有效的溫控措施，對控制和抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生起到了至關(guān)重要的作用。實際證明，設(shè)計選用的溫控標準及采用的溫控措施是切實有效的，在整個青龍拱壩施工期，未發(fā)生危害性裂縫。

2016-05-24）

周曉信（1969-），男，岳陽臨湘人，大學本科，高級工程師，目前從事水利施工管理工作。