盧冰華

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

為防止混凝土產(chǎn)生裂縫，混凝土拱壩必須設(shè)置橫縫，為使拱壩成為一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)，橫縫必須進(jìn)行接縫灌漿。灌漿時(shí)壩體溫度應(yīng)降到設(shè)計(jì)封拱溫度值?？p的張開度不宜小于0.5mm[1]。嚴(yán)寒地區(qū)一般年平均氣溫較低，封拱溫度也較低，夏季氣溫與封拱溫度之差較大，夏季灌漿時(shí)外界氣溫對(duì)灌漿效果影響也較大。高溫季節(jié)進(jìn)行接縫灌漿時(shí)，應(yīng)做好表面保護(hù)，以防止外界熱量倒灌[2]。因此，為防止壩體產(chǎn)生裂縫以及保證封拱灌漿效果，選擇封拱溫度和封拱灌漿時(shí)機(jī)尤為重要。

1 工程概況

本工程主要任務(wù)是調(diào)節(jié)控制山口斷面徑流，具有灌溉和發(fā)電等綜合效益。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m。壩址區(qū)氣候條件較惡劣，氣候干燥，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，氣溫年較差懸殊，日較差明顯，寒潮出現(xiàn)次數(shù)多。多年平均氣溫為5.0℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-41.2℃[3]。

本工程拱壩體型屬薄殼結(jié)構(gòu)，對(duì)外界氣溫和水溫的變化比較敏感，壩內(nèi)溫度變化較大，因此，壩體接縫灌漿對(duì)壩體溫度、灌漿時(shí)機(jī)選擇、施工期溫度控制都提出了更高的要求。

2 封拱溫度

2.1 封拱溫度選擇原則

溫度荷載是拱壩的一項(xiàng)主要荷載[4]，由拱壩運(yùn)行期溫度場(chǎng)與封拱溫度場(chǎng)差值確定，不同封拱溫度方案，其溫度荷載是有差異的，這種差異對(duì)壩體應(yīng)力產(chǎn)生影響。合理確定封拱溫度，有利于改善拱壩應(yīng)力、位移、壩肩穩(wěn)定以及接縫灌漿質(zhì)量等。封拱溫度的選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)根據(jù)拱壩結(jié)構(gòu)選擇封拱溫度。封拱溫度的擬定以壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過與封拱溫度的組合調(diào)整，可達(dá)到改善壩體結(jié)構(gòu)受力的目的。

(2)根據(jù)溫控要求選擇封拱溫度。在混凝土降溫至設(shè)計(jì)封拱溫度過程中將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，除對(duì)混凝土最高溫度進(jìn)行限制外，還應(yīng)選擇合適的封拱溫度，以降低壩體混凝土溫控難度。

(3)根據(jù)施工水平選擇封拱溫度和封拱方案。封拱溫度選擇應(yīng)和壩體冷卻系統(tǒng)相匹配，不人為設(shè)定封拱溫度梯度差，減少施工難度。

2.2 穩(wěn)定溫度場(chǎng)

在考慮壩體永久保溫的條件下，通過典型壩段與全壩段相結(jié)合的方式進(jìn)行長(zhǎng)系列三維有限元溫控仿真分析，提出拱壩穩(wěn)定溫度場(chǎng)。拱壩穩(wěn)定溫度等值線圖見圖1。

圖1 拱壩穩(wěn)定溫度等值線圖

從穩(wěn)定溫度場(chǎng)等值線可以得出，拱壩穩(wěn)定溫度為6～8℃。

2.3 設(shè)計(jì)封拱溫度

拱壩設(shè)計(jì)中，封拱溫度場(chǎng)是拱壩溫度荷載計(jì)算的起點(diǎn)。溫度荷載是拱壩的一項(xiàng)主要荷載，拱壩溫度荷載是指經(jīng)過接縫灌漿壩體已形成整體后的溫度荷載[5]。合理的確定封拱溫度，有利于改善拱壩的應(yīng)力、位移、壩肩穩(wěn)定以及接縫質(zhì)量等。因此，確保接縫灌漿時(shí)壩體溫度達(dá)到設(shè)計(jì)封拱溫度十分重要。

拱壩封拱溫度的擬定是以壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)，通過改變某些部位的封拱溫度來調(diào)整溫度荷載值，達(dá)到改善壩體結(jié)構(gòu)受力目的。根據(jù)溫控方針計(jì)算結(jié)果，壩體穩(wěn)定溫度為6～8℃，沿高程設(shè)置具有一定梯度的封拱溫度[6]。該封拱溫度是考慮壩體封拱時(shí)，壩體平均溫度等于壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)溫度。即認(rèn)為接縫灌漿時(shí)的壩體混凝土絕熱溫升已經(jīng)結(jié)束，混凝土水化熱作用已經(jīng)結(jié)束，壩內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)壩體溫度荷載僅為運(yùn)行期外界溫度變化引起的壩體溫度變化帶來的溫度荷載。結(jié)合溫控計(jì)算穩(wěn)定溫度場(chǎng)等值線圖，各壩段封拱溫度詳見表1。

3 封拱灌漿時(shí)間選擇

3.1 封拱灌漿條件

拱壩縫拱灌漿對(duì)灌漿時(shí)間、壩體溫度、接縫張開度等均有一定的規(guī)定和要求。在研究拱壩接縫灌漿時(shí)間時(shí)，應(yīng)考慮以下問題。

(1)壩體混凝土應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，即灌區(qū)兩側(cè)壩塊混凝土齡期宜大于6個(gè)月，在采取有效冷卻措施的情況下也不小于4個(gè)月。

(2)接縫內(nèi)漿液體應(yīng)具有足夠強(qiáng)度以承受縫面上的正應(yīng)力，要求灌漿面漿液結(jié)石達(dá)到28天齡期后方可擋水。

(3)接縫灌漿時(shí)，灌區(qū)兩側(cè)混凝土絕熱溫升已經(jīng)基本結(jié)束，即混凝土水化熱作用已經(jīng)結(jié)束，即壩體年平均溫度等于壩體穩(wěn)定溫度。

(4)基礎(chǔ)壩塊應(yīng)滿足基礎(chǔ)允許溫差。

(5)接縫張開度不宜小于0.5mm。為了防止在接縫灌漿后橫縫重新被拉開，規(guī)定以壩體穩(wěn)定溫度為灌漿封拱溫度。

表1各壩段封拱溫度表單位：℃

3.2 壩體冷卻

壩址區(qū)氣候條件惡劣，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，氣溫年較差懸殊，多年平均氣溫為5.0℃。根據(jù)氣候特點(diǎn)，壩體混凝土施工期為每年4月中旬～10月中旬，其它時(shí)間混凝土停澆，間歇期約5個(gè)月。

根據(jù)溫控仿真計(jì)算成果，在封拱灌漿前對(duì)壩體分別進(jìn)行前期、中期、后期冷卻，使壩體混凝土溫度分期逐漸降至設(shè)計(jì)封拱溫度，為實(shí)現(xiàn)具有梯度要求的封拱溫度場(chǎng)，使冷卻水垂直河流方向布置[7]，避免溫度下降過快產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，從而減少壩體混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)。

前期冷卻在混凝土澆筑時(shí)開始，時(shí)間20天，采用6～8℃的人工制冷水(或河水)冷卻，以控制壩體混凝土最高溫度；中期冷卻在每年9月下旬對(duì)5、6、7月澆筑的混凝土進(jìn)行二次冷卻，采用6～8℃的人工制冷水(或河水)冷卻，將壩體混凝土溫度降低8～10℃；后期冷卻安排在封拱灌漿前，采用冬季0～2℃的河水冷卻，將壩體混凝土溫度冷卻至封拱溫度。

3.3 嚴(yán)寒地區(qū)封拱前后期冷卻和灌漿時(shí)機(jī)

3.3.1 特點(diǎn)

一般溫暖地區(qū)拱壩封拱只需滿足上述必要條件即可進(jìn)行，與之相比，嚴(yán)寒地區(qū)封拱灌漿有較大差別，特點(diǎn)如下：

(1)冬季混凝土停澆時(shí)間長(zhǎng)，6月份以后澆筑的混凝土在入冬前因齡期達(dá)不到要求而無法進(jìn)行后期冷卻和封拱灌漿工作。

(2)壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)較低，如本工程為6～8℃，采用人工制冷水進(jìn)行冷卻，會(huì)因冷卻水和混凝土溫差過小無法使壩體混凝土降至設(shè)計(jì)封拱溫度，只能選擇天然低溫河水冷卻。

(3)由于天然河水的溫度在冬季才能降到0～4℃，所以應(yīng)根據(jù)河水的溫度選擇后期冷卻和灌漿時(shí)機(jī)。

3.3.2 時(shí)機(jī)

根據(jù)以上特點(diǎn)，可以確定本工程后期冷卻和灌漿時(shí)機(jī)。

(1)受冷卻水制約，后期冷卻和封拱灌漿只能安排在冬季進(jìn)行。

(2)本工程所在河流河水溫度在11月中旬至來年4月上旬為0～4℃，因此后期冷卻時(shí)機(jī)應(yīng)在此范圍選擇。結(jié)合河流水文情勢(shì)，后期冷卻具體范圍為11月中旬～次年3月中旬。

(3)根據(jù)封拱灌漿對(duì)混凝土齡期要求，4月～6月澆筑的混凝土在本年度11月中旬進(jìn)行后期冷卻和封拱灌漿工作，7月～10月澆筑的混凝土在來年3月中旬進(jìn)行冷卻和封拱灌漿工作。

(4)由于河水溫度較低，可以適當(dāng)?shù)貙误w混凝土溫度進(jìn)行超冷1～2℃。

(5)后期冷卻完成后，立即進(jìn)行封拱灌漿工作。

3.4 拱壩封拱灌漿安排

拱壩壩軸線弧長(zhǎng)為319.65m，橫縫采用“一刀切”形式的垂直平面分縫，共設(shè)置21道橫縫，將大壩分為22個(gè)壩段，每條橫縫間距約為15m。

依據(jù)年度混凝土澆筑情況，結(jié)合初期蓄水要求(2014年9月下旬壩前水位602.0m)、后期冷卻及封拱灌漿要求，采用分期冷卻和灌漿的方法，全壩段同期封拱灌漿頂高程一致。封拱安排具體見表2。

表2 橫縫灌漿情況統(tǒng)計(jì)

4 封拱灌漿效果分析

4.1 灌漿成果及分析

拱壩通過封拱灌漿使壩體具有連續(xù)整體性，要求壩縫具有與壩體混凝土相同的力學(xué)強(qiáng)度、有較好的抗?jié)B性等。灌漿結(jié)束28天后，對(duì)含縫芯樣的膠結(jié)率、漿液縫內(nèi)充填率、結(jié)石厚度、壓水實(shí)驗(yàn)呂榮值等項(xiàng)目進(jìn)行檢查。要求膠結(jié)率大于80%，充填率大于95%，結(jié)石厚度不小于0.5mm。

對(duì)已完成的灌區(qū)橫縫，選取了5個(gè)檢查孔進(jìn)行了鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)詳見表3、表4。檢查孔巖芯圖詳見圖2?？p內(nèi)膠結(jié)率達(dá)到100%，充填率達(dá)到100%，結(jié)石平均厚度3mm，透水率很小，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 5～12#壩段接縫灌漿檢查孔壓水成果

表3 5～12#壩段接縫灌漿成果

圖2 8JF- 2檢查孔巖心圖

4.2 灌漿效果及評(píng)價(jià)

結(jié)合灌漿要求和溫控需要，對(duì)重點(diǎn)壩段進(jìn)行了溫度和橫縫開合度的監(jiān)測(cè)。6#、9#、13#壩段各高程的壩體溫度監(jiān)測(cè)成果如下，并與設(shè)計(jì)封拱溫度進(jìn)行了對(duì)比。

大壩橫縫測(cè)縫計(jì)灌漿前后開合度變化見表5(測(cè)縫計(jì)距上、下游表面2m)。

從表5可以看出，各灌區(qū)灌漿封拱前的張開度及灌漿后的增開度基本上能滿足設(shè)計(jì)要求。封拱以后橫縫變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨著溫度變化而發(fā)生開合變化，說明縫隙兩邊的壩體已經(jīng)連接起來，成為一個(gè)連續(xù)整體，達(dá)到了封拱灌漿的目的。

表5 灌漿前后橫縫測(cè)縫計(jì)開合度特征值統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本工程壩址區(qū)氣候條件十分惡劣，對(duì)混凝土澆筑、冷卻、保溫、封拱都是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。以壩體穩(wěn)定溫度場(chǎng)為基礎(chǔ)，考慮溫控要求和施工強(qiáng)度，合理確定具有梯度要求的設(shè)計(jì)封拱溫度，結(jié)合封拱灌漿條件、壩體冷卻以及嚴(yán)寒地區(qū)封拱灌漿特點(diǎn)選擇封拱灌漿時(shí)機(jī)。

通過本工程實(shí)踐及監(jiān)測(cè)資料顯示，沿高程確定的封拱溫度梯度是合理的，結(jié)合壩址區(qū)氣候特點(diǎn)和壩體澆筑情況對(duì)壩體進(jìn)行前、中、后期冷卻措施效果較好，封拱灌漿時(shí)機(jī)選擇比較合理，封拱效果滿足設(shè)計(jì)要求，類似工程可以借鑒。