李 揚， 趙群章， 王樹平， 侯 攀

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

溪洛渡水電站巖錨梁混凝土澆筑溫控研究

李 揚， 趙群章， 王樹平， 侯 攀

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

我國已經(jīng)完工的巖錨梁，絕大多數(shù)的梁體均出現(xiàn)不同程度的垂直于梁長方面的橫向裂縫。巖錨梁裂縫產(chǎn)生的原因有多種，溫度裂縫是梁體混凝土熱量散失引起的冷縮變形和內(nèi)外約束條件共同作用的結(jié)果，這種裂縫的特征是有序分段開裂，呈“八”字形，遠離巖臺面一側(cè)較寬，另外洞室開挖后地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生不均勻變形也是產(chǎn)生梁體裂縫的一個十分重要的原因，爆破震動對梁體裂縫的形成也是不可忽視的因素。由于裂縫對梁體的耐久性是有影響的，溪洛渡水電站地下廠房巖錨梁澆筑效果好，未產(chǎn)生明顯裂縫，本文主要介紹巖錨梁混凝土澆筑溫控方面所做的研究工作以及采取的相應(yīng)溫控措施，為同類工程提供參考借鑒。

巖錨梁；通水冷卻；澆注溫度；溫升；溫降

1 工程概況

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江溪洛渡峽谷，距下游宜賓市河道里程184 km，是金沙江下游河段梯級開發(fā)規(guī)劃的第三個梯級，是一座以發(fā)電為主，兼有攔沙、防洪和改善下游航運等綜合利用效益的巨型水電工程，發(fā)電廠房為地下式，兩岸各9臺機組基本對稱布置，單機容量770 MW，總裝機容量13 860 MW。溪洛渡左右岸地下廠房埋深均超過340 m以上，開挖尺寸分別為439.74 m(左岸)×31.9 m×75.6 m(長×寬×高)、443.34 m(右岸)×31.9 m×75.6 m(長×寬×高)，廠房內(nèi)安裝2臺10 000 kN單小車橋式起重機，最大輪壓1 100 kN。地下廠房圍巖為玄武巖，巖性堅硬，圍巖分類以Ⅱ類、Ⅲ1類為主，部分Ⅲ2類。主廠房吊車梁采用巖錨梁結(jié)構(gòu)型式， 巖錨梁的典型斷面見圖1。

2 巖錨梁混凝土澆筑溫控研究

2.1 邊界條件

(1)洞室內(nèi)的環(huán)境溫度、水溫、地溫等；

(2)混凝土澆筑溫度、水管冷卻措施及通水參數(shù)、施工養(yǎng)護措施、表面保護措施等；

(3)混凝土熱學性能，包括導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、線膨脹系數(shù)、絕熱溫升等；

(4)混凝土彈性模量、水膠比、極限拉伸等參數(shù)；

圖1 巖錨梁典型斷面示意

(5)周邊圍巖的比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)等；

(6)通水冷卻參數(shù)包括水管的材料、導(dǎo)熱系數(shù)、壁厚、長度、間距等；

(7)冷卻水參數(shù)包括初溫、流量、通水時長等。

2.2 典型工況

(1)夏季施工基本工況。工況條件：7月1日開始澆筑，混凝土澆筑溫度為27 ℃，采用分段跳倉、分層澆筑，人工平倉振搗，巖錨梁混凝土為28天二級配C30混凝土，澆筑方式采用以布料機為主要入倉手段，泵送混凝土作為備用，兩種混凝土入倉方式塌落度分別按7～9 cm和14～16 cm控制，開澆后14天拆模，澆筑混凝土表面灑水養(yǎng)護28天。

(2)夏季施工通水冷卻工況。工況條件：通17 ℃水，采用一期通水冷卻，即是在混凝土剛澆完時就開始進行通水，冷卻時間為15天。水管具體參數(shù)見表1，其他參數(shù)與基本工況相同，圖2為通水冷卻水管平面布置。

表1 通水冷卻水管參數(shù)

圖2 通水冷卻水管平面布置示意

(3)夏季施工降低澆筑溫度。工況條件：降低澆筑溫度至18 ℃，其余條件及參數(shù)與基本工況相同。

2.3 有限元計算分析模型

(1)荷載。巖錨梁混凝土在施工中所受荷載主要為溫度荷載、自重以及混凝土徐變變形產(chǎn)生的載荷，自重按施工澆筑過程分層施加，不考慮圍巖自重和徐變。

(2)計算對象和網(wǎng)格劃分。由于巖錨梁的長度大部分都在8～10 m，因此計算結(jié)構(gòu)段選取具有代表性的10.0 m的結(jié)構(gòu)段，混凝土澆筑分層、代表點位置及三維有限元網(wǎng)格劃分見圖3～5。

圖3 混凝土澆筑分層

圖4 代表點位置示意

圖5 三維有限元網(wǎng)格劃分

2.4 溫度場計算

計算結(jié)果表明，從開澆時起，巖錨梁混凝土溫度場一般經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降、隨環(huán)境氣溫周期變化三個階段。表2為各工況最高溫度及最大內(nèi)表溫差。

表2 各工況最高溫度及最大內(nèi)表溫差

(1)夏季施工基本工況的計算分析表明，巖錨梁混凝土澆筑溫度為27 ℃，只采用灑水養(yǎng)護時，開澆后4天左右，巖錨梁中央出現(xiàn)最高溫度49.60 ℃，最大溫升22.60 ℃，巖錨梁中央與表面最大同步溫差為11.21 ℃。約20天后，由于水化熱絕大部分已釋放出來，整個巖錨梁溫度場開始比較均勻下降。圖6為中央代表點夏季施工基本工況60天溫度歷時曲線。

圖6 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工基本工況60天溫度歷時曲線

(2)夏季施工通水冷卻工況的計算分析表明，冷卻水17 ℃時,巖錨梁各部位的最高溫度較沒有采用水管冷卻的基本工況均下降6 ℃左右，開澆后4天左右，中央斷面的最高溫度為43.01 ℃，各代表部位的內(nèi)表同步溫差相應(yīng)的減小4 ℃左右，為7.33 ℃。因此，通水冷卻可以有效降低巖錨梁混凝土的最高溫度和內(nèi)表溫差。圖7為中央代表點夏季施工通水冷卻工況60天溫度歷時曲線。

(3)夏季施工降低澆筑溫度工況的計算分析表明，第5天出現(xiàn)了最高峰值41.66 ℃。與基本工況和通水冷卻相比，最高溫度分別降低了7.95 ℃和1.35 ℃。最大內(nèi)表溫差值為7.04 ℃。

因此，通過降低澆筑溫度也可以有效降低巖錨梁的最高溫度和內(nèi)表溫差，而且將澆筑溫度降至18 ℃(降低9 ℃)，比采用通水冷卻(水溫17 ℃，比氣溫低10 ℃)的效果還要略好。圖8為中央代表點夏季施工降低澆筑溫度工況60天溫度歷時曲線。

圖7 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工通水冷卻工況60天溫度歷時曲線

圖8 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工降低澆筑溫度60天溫度歷時曲線

2.5 應(yīng)力場計算

根據(jù)計算分析，各部位的溫度應(yīng)力一般經(jīng)歷了壓應(yīng)力增長、壓應(yīng)力減小、產(chǎn)生拉應(yīng)力、拉應(yīng)力緩慢增長、拉應(yīng)力快速增長并達到最大值、拉應(yīng)力再減小、而后進入隨氣溫周期性變化這樣一個過程。

(1)夏季施工基本工況的計算分析表明，巖錨梁中央斷面中央部位溫升幅度最大，沿洞軸向發(fā)生較大的膨脹形變，在溫降階段，由于巖錨梁體積較大，中心部位溫度仍然較高，而表面溫度逐漸降到與空氣溫度相同，以至于在混凝土澆筑初期(第7天)便產(chǎn)生了該部位的最大拉應(yīng)力，達2.45 MPa，抗裂安全系數(shù)0.816，小于1.0，即產(chǎn)生了早期裂縫。圖9為中央代表點夏季施工基本工況主應(yīng)力變化曲線。

(2)夏季施工通水冷卻工況的計算分析表明，由于采用通水冷卻，使得同步溫差也降低，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也降低，早期最大主拉應(yīng)力為1.55 MPa(第7天)，最小抗裂安全系數(shù)為1.29，即不會產(chǎn)生裂縫。圖10為中央代表點夏季施工通水冷卻工況主應(yīng)力變化曲線。

(3)夏季施工降低澆筑溫度工況的計算分析表明，在降低混凝土溫度的情況下，由于最高溫度也隨之降低，而且外部的氣溫也較高，從而在早期產(chǎn)生的主拉應(yīng)力就較低，在第7天達到最大，其拉應(yīng)力值為1.36MPa(第7天)，最小抗裂安全系數(shù)為1.47，即不會產(chǎn)生裂縫。圖11為中央代表點夏季施工降低澆筑溫度工況主應(yīng)力變化曲線。

圖9 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工基本工況主應(yīng)力歷時曲線

圖10 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工通水冷卻工況主應(yīng)力歷時曲線

圖11 巖錨梁中央斷面中央代表點夏季施工降低澆筑溫度工況主應(yīng)力歷時曲線

2.6 計算成果分析

(1) 基本工況的計算分析表明，巖錨梁混凝土澆筑溫度為27 ℃，只采用灑水養(yǎng)護時，巖錨梁在早期的抗裂安全系數(shù)小于1.0，在早期是有可能產(chǎn)生表面裂縫,甚至發(fā)展至一定的深度。

(2)通水冷卻可以降低混凝土的最高溫度和內(nèi)外溫差，與基本工況相比分別降低了6.6 ℃和4.1 ℃，使得早期拉應(yīng)力有了明顯降低，對早期混凝土的防裂是比較有效的，在早期不會產(chǎn)生裂縫。

(3)在與基本工況條件相同的情況下，只是降低澆筑混凝土的溫度，則最高溫和最大溫差分別可以降低8.0 ℃和4.1 ℃，早期拉應(yīng)力最大值只有1.44 MPa，也能很好地減少早期拉應(yīng)力，早期不產(chǎn)生裂縫。

3 實施方案

上述研究表明，夏季施工通水冷卻方案與夏季施工降低澆筑溫度均能滿足要求，根據(jù)施工現(xiàn)場進度安排，溪洛渡巖錨梁混凝土澆筑工期大部分安排在春夏季，巖錨梁混凝土澆筑時，大部分工程部位處于開挖階段，尚不具備生產(chǎn)溫控混凝土的能力，如：專門提前修建溫控混凝土拌合系統(tǒng)，巖錨梁澆筑完成后，設(shè)備閑置時間過長。夏季施工采用通水冷卻的方式可以滿足巖錨梁混凝土的澆筑溫控要求，只要澆筑工藝合理，養(yǎng)護及時到位，巖錨梁混凝土溫控無需專門研究采用溫控混凝土的方案。

根據(jù)上述研究及實際施工邊界條件，巖錨梁混凝土澆筑采用如下控制措施：

(1)盡量避開氣溫較高的時段澆筑，將混凝土澆筑盡量安排在早晚和夜間施工；

(2)盡量縮短運輸時間，減小運輸過程中太陽直射影響，并盡量對運輸混凝土工具采取隔熱遮陽措施；

(3)混凝土澆筑后表面進行流水養(yǎng)護，加速散熱過程，拆模后應(yīng)及時灑水養(yǎng)護，以保證混凝土表面保持濕潤即可，但不宜過量灑水，以至混凝土表面降溫過快，加大內(nèi)外部溫差；(4)埋設(shè)冷卻水管，單倉混凝土澆筑完成后前三天冷卻水流量按35～40 L/min控制，三天后按18～20 L/min控制，如果混凝土溫度從最高點降至30 ℃以下可停止通冷卻水；

(5)巖錨梁混凝土達到一定強度(齡期大于14天)，才能拆除混凝土模板；

(6)巖錨梁分段長度可在8～12 m之間選取，原則上不超過10 m；

(7)優(yōu)化混凝土配合比，控制水泥用量，降低水化熱，考慮到巖錨梁拆模及周邊爆破影響，不采用低熱水泥，可考慮摻用適量粉煤灰，摻量不宜超過25% ，摻入優(yōu)質(zhì)高效減水劑。

圖12為現(xiàn)場典型一倉混凝土2007年實際實測溫度過程曲線。

圖12 廠房巖錨梁S4倉混凝土溫度計曲線

4 小 結(jié)

4.1 效果評價

溪洛渡水電站巖錨梁混凝土澆筑措施得當，溫控方案合理，兩岸地下廠房巖錨梁長度均超過380 m，澆筑后混凝土表面光滑無裂縫，目前已投入安全運行，期間通過了載荷試驗、轉(zhuǎn)輪吊裝、定子吊裝等重載檢驗。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，巖錨梁拉桿、混凝土等參數(shù)均在設(shè)計最大承載范圍內(nèi)，巖錨梁運行安全可靠。

4.2 啟示

巖錨梁混凝土產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，混凝土溫控只是其中的一個方面，溪洛渡水電站巖錨梁未產(chǎn)生裂縫，初步分析總結(jié)主要有以下幾個方面控制得當：

(1)混凝土澆筑溫控措施合理；

(2)通水冷卻及養(yǎng)護方案合適；

(3)地下廠房高邊墻支護措施及開挖施工方案合理，廠房邊墻不均勻變形??；

(4)質(zhì)點安全震動速度的控制得到了很好地執(zhí)行，爆破震動影響小。

2016- 06- 29

李揚(1971-)，男，吉林長嶺人，高級工程師，從事水利水電工程設(shè)計工作。

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