(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

拱壩混凝土澆筑升層厚度是影響拱壩混凝土施工質(zhì)量和進度的關(guān)鍵因素之一[1]，自4.5m升層在錦屏一級拱壩得到成功應(yīng)用之后，因其節(jié)約工期、施工質(zhì)量可控的優(yōu)勢，在后續(xù)高拱壩建設(shè)中得到越來越多的應(yīng)用和推廣。

建設(shè)中的楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)，是雅礱江中游河段“一庫七級”開發(fā)的第六級，電站裝機容量1500MW。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2102m，壩高155m，拱冠梁頂厚9m，拱冠梁底厚32m，壩頂中心線弧長362.17m，厚高比0.206，弧高比2.34，壩體共17個壩段，壩體混凝土方量約75.81萬m3。楊房溝拱壩于2018年10月30日開始首倉混凝土澆筑，計劃2020年10月底澆筑完成，計劃工期24個月，拱壩澆筑上升速度約6.5m/月，超過了二灘拱壩6.0m/月、錦屏一級拱壩6.1m/月的上升速度，屬于國內(nèi)先進水平，因此，使用4.5m升層對楊房溝拱壩建設(shè)具有重要意義。

高拱壩應(yīng)用4.5m升層的優(yōu)勢是節(jié)約工期，同時也從混凝土溫控防裂、“三大高差”控制、拱壩體型控制等方面產(chǎn)生了新的難題。本文在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維溫控仿真計算成果，研究分析楊房溝拱壩應(yīng)用4.5m升層在混凝土溫控防裂方面的可行性。

2 4.5m升層現(xiàn)場試驗

2.1 現(xiàn)場試驗開展情況

經(jīng)比較分析后，選取8#-10(指8#壩段第10個澆筑層，下同)、9#-12、9#-13、10#-16、10#-17共5個澆筑層開展試驗。5個澆筑層升層均為4.5m，分為9個薄層澆筑，冷卻水管分別埋設(shè)在澆筑層底、層厚1.5m及3.0m位置，冷卻水管采用HDPE管，主管外徑40mm、壁厚3.0mm～3.3mm，支管外徑32mm、壁厚2.0mm～3.3mm。混凝土表面進行保溫，模板一般在齡期48h時拆除，模板拆除后在上、下游面粘貼厚度為4cm的聚苯乙烯板，澆筑層面、坯層覆蓋用4cm厚聚乙烯卷材保溫被?；炷翝仓耙黄谕ㄋ鋮s信息見表1。

表1 現(xiàn)場試驗特征溫度統(tǒng)計 (單位：溫度：℃，流量：m3/h)

表1表明，通過采取在高溫時段噴霧改善倉面小氣候、調(diào)整冷卻水管間距至1.0m、降低通水溫度、加大通水流量等措施，各試驗澆筑層最高溫度均能控制在設(shè)計范圍內(nèi)，且較允許最高溫度具有4.0℃～9.0℃的安全裕度，試驗表明應(yīng)用4.5m升層在混凝土溫控方面技術(shù)可行。

2.2 升層4.5m與3.0m對比

升層為3.0m時，水管布置型式采用1.5m×1.5m(層距×間距)，與4.5m升層相比，水管布置型式、通水水溫、通水流量基本相同，兩者溫度特性對比見表2。

表2 升層4.5m與3.0m時溫度特性對比

注：表中(1.17*)表示消除澆筑溫度差異后最高溫度的差值。

從表2分析可知，升層4.5m與3.0m相比，在溫控措施基本相同的情況下，澆筑層內(nèi)部最高溫度平均高出1.5℃～2.0℃，混凝土溫降速率基本都控制在設(shè)計范圍(平均值≤0.5℃/d)內(nèi)。試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，單根水管不超過300m時，出口水溫比進口水溫平均上升了4.5℃，驗證了朱伯芳院士提出的“對于大型工程，預(yù)冷和水管冷卻是主要降溫手段，層面散熱在溫度控制中的地位已下降，當(dāng)有足夠澆筑能力時，可采用較厚的澆筑層”[2]；另一方面，在進行類似混凝土壩溫控經(jīng)濟分析時，該數(shù)據(jù)可供參考。

3 三維溫控仿真分析研究

除了開展現(xiàn)場試驗研究外，還對基礎(chǔ)約束區(qū)升層3.0m、自由區(qū)升層4.5m進行了三維溫控仿真計算及對比。仿真分析采用實際澆筑計劃，邊界條件采用設(shè)計澆筑溫度、通水方案及表面保護措施。

3.1 約束區(qū)應(yīng)用3.0m升層

以8#壩段為例，基礎(chǔ)約束區(qū)應(yīng)用3.0m升層后，強約束區(qū)最高溫度為26.1℃，弱約束區(qū)、自由區(qū)分別為27.0℃、27.4℃，三個區(qū)域在二期冷卻結(jié)束時順河向應(yīng)力達到最大，分別為0.71MPa、0.72MPa和0.68MPa，抗裂安全系數(shù)分別為3.76、3.71和3.93，橫河向應(yīng)力主要產(chǎn)生在首次跨越冬季的強約束區(qū)混凝土，應(yīng)力值達到0.58MPa，相應(yīng)安全系數(shù)為2.83，表明約束區(qū)應(yīng)用3.0m升層時溫度和應(yīng)力均能滿足設(shè)計要求。

(a)溫度包絡(luò)圖 (b)順河向應(yīng)力包絡(luò)圖

圖18#壩段溫度及溫度應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：0.01MPa)

3.2 自由區(qū)應(yīng)用4.5m升層

3.2.1 4.5m升層時溫度及應(yīng)力

以9#壩段為例，自由區(qū)應(yīng)用4.5m升層冬季澆筑時混凝土最高溫度為22.7℃，夏季澆筑時為27.4℃；內(nèi)部溫度應(yīng)力小于0.5MPa，安全系數(shù)大于2.0；表面溫度應(yīng)力受氣溫及蓄水后水溫影響，一般均小于0.9MPa，安全系數(shù)大于2.0；溫度及溫度應(yīng)力均滿足設(shè)計要求。

3.2.2 升層4.5m與3.0m對比

選取13#壩段和10#壩段進行對比分析，計算工況將設(shè)計澆筑溫度15℃在弱約束區(qū)提高至17℃、

(a)溫度歷時曲線

(b)順河向應(yīng)力歷時曲線

在自由區(qū)提高至19℃，使混凝土最高溫度與設(shè)計溫控標(biāo)準接近。表3為13#壩段對比情況。

表3 13#壩段升層4.5m與3.0m對比

(a)溫度歷時曲線對比

(b)順河向應(yīng)力歷時曲線對比

計算表明，升層4.5m較3.0m混凝土最高溫度升高了0.1℃～0.3℃，順河向應(yīng)力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系數(shù)均大于2.0，滿足設(shè)計要求?？梢娫谧杂蓞^(qū)應(yīng)用4.5m升層在混凝土溫控方面是可行的。

4 結(jié)語

楊房溝水電站作為國內(nèi)首個采用EPC模式進行建設(shè)的百萬千瓦級大型水電工程，應(yīng)用4.5m升層對其拱壩建設(shè)具有重要意義?，F(xiàn)場試驗及三維溫控仿真計算均表明，與3.0m升層相比，應(yīng)用4.5m升層后，試驗澆筑層最高溫度升高1.5℃～2.0℃，較允許最高溫度仍具有4.0℃～9.0℃的安全裕度；試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，單根水管出口水溫比進口水溫平均上升了4.5℃，驗證了朱伯芳院士提出的“預(yù)冷和水管冷卻是大中型工程的主要降溫手段”的理論；全壩段最高溫度升高0.1℃～0.3℃，溫度應(yīng)力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系數(shù)大于2.0，滿足設(shè)計要求。楊房溝拱壩應(yīng)用4.5m升層在混凝土溫控防裂方面技術(shù)可行，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及仿真分析可供類似工程借鑒。