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        山口巖碾壓混凝土拱壩溫控設(shè)計(jì)與溫控效果分析

        2019-05-30 09:47:50胡國(guó)平周清勇
        山西水利 2019年3期
        關(guān)鍵詞:混凝土施工

        胡國(guó)平,熊 磊,周清勇

        (江西省水利科學(xué)研究院,江西 南昌 330029)

        1 工程概況

        山口巖水利樞紐工程地處江西省萍鄉(xiāng)市蘆溪縣上埠鎮(zhèn)境內(nèi),位于贛江支流袁水上游,距蘆溪縣城7.6 km。壩址以上控制集雨面積約230.0 km2,庫(kù)容為1.048 1×108m3,是一座以供水、防洪為主,兼顧發(fā)電、灌溉等綜合利用的大(二)型水利樞紐工程。大壩采用碾壓混凝土雙曲拱壩,最大壩高99.1 m,壩頂軸線長(zhǎng)268.23 m,壩底最大寬度30 m,壩頂寬度5.0 m。大壩上游面設(shè)置R90200二級(jí)配碾壓混凝土防滲層,壩體混凝土采用R90200三級(jí)配碾壓混凝土。溢流堰對(duì)稱(chēng)布置在拱冠梁處,共三孔,每孔凈寬8.0 m,采用WES實(shí)用堰型,弧形閘門(mén)控制泄流,出口為挑流消能[1]。大壩自2007年底壩基、壩肩開(kāi)挖,2008年12月底開(kāi)始澆筑混凝土墊層,至2012年5月大壩整體澆筑至226.6 m高程。目前該工程已進(jìn)行蓄水鑒定驗(yàn)收并投入使用。

        2 溫度仿真計(jì)算

        山口巖拱壩采用碾壓混凝土材料,雖然具有水泥用量小、絕熱溫升低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn),但工程實(shí)踐表明,碾壓混凝土也存在層面抗剪性能差、早期抗拉強(qiáng)度較弱等不足,尤其是施工期溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開(kāi)裂問(wèn)題較為突出。鑒于此,需對(duì)大壩施工全過(guò)程的溫度及應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,為反饋大壩溫控設(shè)計(jì)及需采取的溫控措施提供重要保證。

        2.1 壩體溫度場(chǎng)計(jì)算成果

        計(jì)算過(guò)程中根據(jù)施工進(jìn)度安排,模擬施工條件和環(huán)境條件仿真分析了大壩在施工期和運(yùn)行期的溫度場(chǎng)。中面溫度包絡(luò)圖見(jiàn)圖1,中面溫度過(guò)程線見(jiàn)圖2。

        2.2 壩體溫度場(chǎng)計(jì)算成果分析

        據(jù)仿真結(jié)果可知,位于壩體近基礎(chǔ)部位和壩體兩岸壩肩附近及溢流壩段周邊,最高溫度值分別達(dá)到38℃和45℃,這是因?yàn)榇藭r(shí)季節(jié)澆筑混凝土入倉(cāng)溫度較高,外界氣溫高,在強(qiáng)約束條件下散熱條件差,導(dǎo)致溫度值偏大,在兩岸壩肩附近處同樣由于約束導(dǎo)熱性差,導(dǎo)致該處的溫度梯度變化較大,溢流段為常態(tài)混凝土,水化熱溫升高。其他壩體區(qū)域的溫度較為均勻,主要是壩體與外界熱交換,而壩中上部較單薄,散熱相對(duì)快一些,并且此處入倉(cāng)溫度較低,但仍在32℃左右波動(dòng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水泥水化熱和外界環(huán)境溫度的影響下,混凝土澆筑之后溫度迅速上升,達(dá)到一個(gè)制高點(diǎn),然后通過(guò)表面熱交換,溫度逐漸下降,這樣極容易導(dǎo)致內(nèi)外溫差過(guò)大,進(jìn)而出現(xiàn)溫度應(yīng)力。在壩體蓄水運(yùn)行后,溫度變化隨外界環(huán)境呈余弦圖像變化,最終逐漸平緩到穩(wěn)定溫度,略隨外界氣溫和水溫變化。

        圖1 溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

        3 溫控標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)上述仿真結(jié)果及《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 314-2004)可知,大壩局部溫度超過(guò)規(guī)范規(guī)定,各部位最高溫度詳見(jiàn)表1,局部高溫必將產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力,進(jìn)而導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn),結(jié)合工程具體施工技術(shù)條件和仿真結(jié)果,提出了山口巖碾壓混凝土拱壩的溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施,大壩在實(shí)際施工過(guò)程中已嚴(yán)格按照該標(biāo)準(zhǔn)及措施進(jìn)行[2-3]。

        圖2 中面溫度過(guò)程線(單位:℃)

        3.1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

        3.1.1 溫控分區(qū)及允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)

        本工程壩體內(nèi)部最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1:

        表1 壩體內(nèi)部最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

        3.1.2 基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)

        基礎(chǔ)溫差,是指基礎(chǔ)約束范圍以?xún)?nèi),混凝土最高溫度與該部位穩(wěn)定溫度(或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度)之差。本工程規(guī)定的基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

        表2 基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)

        3.1.3 內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)

        在初溫均勻分布的條件下,內(nèi)外兩點(diǎn)的溫降之差即等于內(nèi)外兩點(diǎn)的溫度之差。以單個(gè)壩塊(或壩段)為對(duì)象,壩塊的內(nèi)外溫差又可認(rèn)為是中心點(diǎn)與邊界點(diǎn)的溫度之差。本工程規(guī)定的允許內(nèi)外溫差為23.5℃。

        3.1.4 上下層溫差標(biāo)準(zhǔn)

        上、下層溫差,指在老混凝土(齡期28 d以上)面,上下各0.25 L范圍內(nèi),上層新澆混凝土最高平均溫度,與新澆混凝土開(kāi)始澆筑時(shí)下層老混凝土實(shí)際平均溫度之差。本工程規(guī)定的上下層混凝土容許溫差為20℃。

        3.1.5 封拱溫度

        本工程碾壓混凝土拱壩的封拱溫度為17.3℃。

        3.2 碾壓混凝土溫控措施

        針對(duì)山口巖碾壓混凝土拱壩施工時(shí)主要采用的溫控措施有:優(yōu)化混凝土配合比;合理的澆筑分層和層間間歇;控制澆筑溫度;減少混凝土溫升;預(yù)埋冷卻水管通水冷卻。

        4 溫度監(jiān)測(cè)布設(shè)

        為了監(jiān)測(cè)碾壓混凝土在施工期和運(yùn)行期的溫度變化情況,施工過(guò)程中在大壩各部位布設(shè)了大量的溫度計(jì)。為了解基巖內(nèi)部的散熱情況及地溫分布狀況,在大壩拱冠梁0+141.323基礎(chǔ)基巖內(nèi),沿不同深度鉛直布置了4支基巖溫度計(jì);為監(jiān)測(cè)壩體溫度,在0+141.323、0+212.724、0+070.494監(jiān)測(cè)斷面上,在布有應(yīng)變計(jì)組各高程處,布置2~3支溫度計(jì),共布設(shè)溫度計(jì)27支。水平監(jiān)測(cè)截面在154.5 m、199.5 m、214.5 m水平監(jiān)測(cè)截面上,于兩端拱座部位的應(yīng)變計(jì)組之間各設(shè)1支溫度計(jì),共布6個(gè)測(cè)點(diǎn)。在誘導(dǎo)縫、橫縫處每間隔一灌區(qū)布置一支溫度計(jì),共布置16支。

        5 溫度監(jiān)測(cè)成果及分析

        截至目前,已收集大量大壩各部位溫度實(shí)測(cè)值,這里僅羅列了各部位實(shí)測(cè)典型值及部分實(shí)測(cè)溫度過(guò)程線圖,詳見(jiàn)表3。

        表3 壩體混凝土溫度監(jiān)測(cè)成果一覽表

        實(shí)測(cè)資料表明,在混凝土澆筑期間,受混凝土水化熱影響,壩基基巖溫度變幅較大,實(shí)測(cè)最高溫度為22.54℃(TA4 2009-12-20 08:00測(cè))。待上部混凝土澆筑完成并穩(wěn)定后,壩基基巖內(nèi)部溫度約為20.21℃。

        壩體混凝土的溫度變化與混凝土的澆筑日期、入倉(cāng)溫度有著密切的關(guān)系。大壩154.5 m、160.5 m高程混凝土澆筑日期為2009年4~5月,大壩163.45 m高程混凝土澆筑日期為2009年11月,大壩174.5 m高程混凝土澆筑日期為2010年5月,大壩78.5 m高程混凝土澆筑日期為2010年7月,大壩199.5 m高程混凝土澆筑日期為2011年3月,大壩214.5 m高程混凝土澆筑日期為2011年12月,其混凝土溫度與環(huán)境溫度相對(duì)應(yīng),環(huán)境溫度越高,壩體混凝土溫度也高,反之亦然。目前壩體混凝土的溫度一般在20.0℃以下,隨著水化熱的逐漸消散,其溫度將趨于穩(wěn)定。

        對(duì)比大壩在施工期和運(yùn)行期溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果及澆筑混凝土過(guò)程中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可知大壩最高溫度分布范圍及變化趨勢(shì)基本一致,但施工過(guò)程中因采取切實(shí)有效的溫控措施,壩體部分區(qū)域溫度最大值較仿真計(jì)算值略小。

        6 結(jié)論及建議

        鑒于工程形象面貌及施工情況和特點(diǎn),施工期間的溫度監(jiān)測(cè)為參建各方提供了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果,根據(jù)數(shù)據(jù)分析,可了解各個(gè)施工環(huán)節(jié)對(duì)主體建筑物的影響程度,尤其是在高低溫季節(jié)混凝土澆筑及溫度變化情況,為大壩混凝土的溫度控制提供一定的經(jīng)驗(yàn)。建議后續(xù)進(jìn)一步加強(qiáng)大壩汛期監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行整編分析,為大壩后續(xù)運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

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