陳 勇, 楊 尹

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

巴丹托魯水電站位于印度尼西亞北蘇門答臘省南塔帕努里縣的巴丹托魯河上，樞紐由攔河壩、泄洪、引水、發(fā)電等建筑物構(gòu)成。攔河壩為拱形混凝土重力壩，壩高74 m；引水隧洞長12.23 km，電站額定水頭273.4 m，設(shè)計(jì)流量207.6 m3/s，裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量510 MW。水電十局作為項(xiàng)目的EPC總承包商承擔(dān)該項(xiàng)目的全部工程。

巴丹托魯水電站大壩的主要混凝土工程量包括C14碾壓混凝土約12萬m3，C21常態(tài)混凝土約5萬m3，大壩壩址位于北緯1.63°，東經(jīng)99.19°，工程區(qū)屬于熱帶雨林氣候，其混凝土溫控環(huán)境與國內(nèi)有很大的不同，混凝土主要采用美國材料協(xié)會(huì)和混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，亦與國內(nèi)采用的標(biāo)準(zhǔn)有一定差異。在混凝土材料方面，由于印度尼西亞基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，低水化熱水泥很難獲得，粉煤灰質(zhì)量差且作為危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行管理，加之蘇門答臘地區(qū)的公路運(yùn)輸條件極差，粉煤灰的運(yùn)輸和使用非常困難。筆者通過對(duì)當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行調(diào)查研究以及現(xiàn)場試驗(yàn)和仿真，探討了低緯度熱帶雨林地區(qū)大體積混凝土溫控的控制標(biāo)準(zhǔn)和措施，并將其用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2 工程所處的環(huán)境和混凝土材料

2.1 壩址氣溫

工程區(qū)的年氣溫變化幅度小，壩址附近氣象資料顯示，月均最低氣溫出現(xiàn)在1月，為24.7 ℃，月均最高氣溫出現(xiàn)在7月，為25.7 ℃，年均氣溫25.2 ℃。

2.2 大壩庫水溫度和穩(wěn)定溫度

水庫的類型可以通過多年平均徑流W(m3)和庫容V(m3)的比值進(jìn)行判斷。當(dāng)比值大于20時(shí)判定為混合型水庫[1]。巴丹托魯水庫徑流與庫容的比值為20 167，據(jù)此可以判定其為混合型水庫，水溫和底層水溫的差別較小，因此可以認(rèn)為庫底溫度近似等于建庫前河道來水的最低月平均水溫。

實(shí)測7月天然河道水溫接近24 ℃?？紤]到7月平均氣溫為25.7 ℃，水溫比平均氣溫低1 ℃左右，因此，可以近似地認(rèn)為天然河水水溫最低為23 ℃左右，庫底溫度可以取為23 ℃?？紤]到壩址氣溫年變幅很小，因此，水溫年變幅亦很小，可以假定庫底水溫年內(nèi)無變化，為定值(23 ℃)。

2.3 水 泥

印度尼西亞工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，距壩址最近的水泥廠位于西蘇門答臘巴東市，距離壩址處約450 km，僅提供OPC(ASTM C 150- I型水泥)水泥和PCC水泥(普通硅酸鹽水泥)。由于巴丹托魯項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范明確要求只能使用ASTM C 150- I型水泥，故筆者對(duì)該階段的研究亦基于ASTM C 150- I型水泥，其7 d的水化熱為330 kJ/kg，對(duì)混凝土的溫度控制非常不利。

2.4 粉煤灰

當(dāng)?shù)仉姀S主要使用加里曼丹島產(chǎn)的褐煤，粉煤灰質(zhì)量較差，篩余量普遍超過20%，只能達(dá)到Ⅲ級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)，使用時(shí)需要自建選礦廠進(jìn)行加工。同時(shí)，由于粉煤灰在印度尼西亞按危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行管理，在其使用前需提前向該國環(huán)境部申請(qǐng)?jiān)S可。

3 控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 內(nèi)外溫差

美國混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI對(duì)混凝土內(nèi)部溫度的建議為： 30 d內(nèi)，從混凝土最高溫度起算的溫度回落不超過15℉到30℉ (8℃到 17 ℃)[2]，相對(duì)于中國標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)外溫差不超過20 ℃[3]更為嚴(yán)格。按照ACI標(biāo)準(zhǔn)控制的混凝土最高溫度為42 ℃，按照中國標(biāo)準(zhǔn)控制的混凝土最高溫度為45 ℃。筆者通過仿真結(jié)果對(duì)內(nèi)外溫差的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。

3.2 基礎(chǔ)溫差

巴丹托魯水電站大壩碾壓混凝土的長邊范圍取30～70 m，常態(tài)混凝土的長邊范圍取21～30 m，按照混凝土壩溫度控制設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定[4]，混凝土的基礎(chǔ)容許溫差見表1。

巴丹托魯水電站大壩的基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)和弱約

表1 混凝土基礎(chǔ)容許溫差表 /℃

束區(qū)主要是碾壓混凝土，按基礎(chǔ)容許溫差控制的混凝土最高溫度更低，強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土的最高控制溫度不超過37.5 ℃，弱約束區(qū)混凝土的最高控制溫度不超過39.5 ℃。常態(tài)混凝土主要集中在溢洪道以上的部位，距基礎(chǔ)面高差為38 m左右，在基礎(chǔ)約束區(qū)之外，內(nèi)外溫差要求控制的最高溫度比基礎(chǔ)溫差的要求更嚴(yán)格，常態(tài)混凝土應(yīng)按內(nèi)外溫差17 ℃的控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，混凝土最高控制溫度為42 ℃。

3.3 溫度應(yīng)力

混凝土溫控的最終目標(biāo)是防止拉應(yīng)力超過容許應(yīng)力造成混凝土裂縫，按照混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，基礎(chǔ)混凝土的溫度應(yīng)力按混凝土極限拉伸值控制：

γ0σ≤εpEc/γd[5]

式中σ為各種溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力之和，MPa；εp為混凝土極限拉伸值的標(biāo)準(zhǔn)值；Ec為混凝土彈性模量標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；γd為溫度應(yīng)力控制正常使用極限狀態(tài)短期組合結(jié)構(gòu)系數(shù)，取1.5。

考慮到ASTM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中圓模對(duì)國標(biāo)中方模的強(qiáng)度折算后，碾壓混凝土C14的最大容許抗裂應(yīng)力取0.97 MPa，C21常態(tài)混凝土的最大容許抗裂應(yīng)力取1.31 MPa。

3.4 絕熱溫升試驗(yàn)

混凝土絕熱溫升直接關(guān)系到混凝土的水化熱溫升，進(jìn)而影響到混凝土結(jié)構(gòu)最高溫度。通過現(xiàn)場絕熱溫升試驗(yàn)，對(duì)大壩工程量最大的幾種混凝土的絕熱溫升進(jìn)行了研究，所獲得的試驗(yàn)所用的參考配合比見表2。

表2 混凝土試驗(yàn)配合比表

注：①混凝土標(biāo)號(hào)采用美國材料協(xié)會(huì)規(guī)范ASTM-C39圓柱型混凝土試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測試的強(qiáng)度;②水泥采用ASTM C150-I性水泥。

絕熱溫升試驗(yàn)采用HJW-4混凝土絕熱溫升測定儀進(jìn)行，試驗(yàn)成果見圖1。

圖1 混凝土絕熱溫升圖

C14碾壓混凝土的7 d絕熱溫升為16 ℃，C21混凝土的7 d絕熱溫升為34 ℃。通過溫控措施可以使混凝土最高溫度滿足溫控要求。C24.5常態(tài)混凝土的7 d絕熱溫升高達(dá)50 ℃，因此，即使采取溫控措施，混凝土的最高溫度也很難滿足要求。故在施工中應(yīng)避免使用這種不摻加粉煤灰的二級(jí)配混凝土用于澆筑大體積混凝土。

3.5 溫度場和溫度應(yīng)力場仿真

溫度場和溫度應(yīng)力場仿真是通過建立大壩上下游及底部1.5倍壩高范圍內(nèi)的三維有限元模型，通過熱傳導(dǎo)微分方程求解，在空間域上運(yùn)用有限單元離散，在時(shí)間域上運(yùn)用差分法離散，所有單元疊加后得到穩(wěn)定溫度場。在溫度場的基礎(chǔ)上，通過求解混凝土彈性應(yīng)力和徐變應(yīng)力等建立溫度應(yīng)力場?；谌S有限元的施工仿真已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，筆者在此不再詳述。

混凝土溫控的主要目標(biāo)是防止拉應(yīng)力造成混凝土裂縫，溫度場和溫度應(yīng)力場的仿真具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，以現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行溫度場和應(yīng)力場仿真，其仿真結(jié)果可以用于驗(yàn)證溫控標(biāo)準(zhǔn)并指導(dǎo)施工措施的制定。

(1)無溫控措施的溫度和應(yīng)力場仿真結(jié)果。不考慮溫控措施，澆筑溫度為氣溫加3 ℃，約束區(qū)澆筑層高為1.5 m，非約束區(qū)澆筑層高為2～3 m，施工期溫度及溫度應(yīng)力變化較大，采用一天一步計(jì)算進(jìn)行有限元法計(jì)算機(jī)仿真。其溫度場和應(yīng)力場結(jié)果見圖2、3。

碾壓混凝土的最高溫度為47 ℃，超過最高控制溫度，上游表層混凝土靠近壩端的部位最大溫度應(yīng)力為1.13 MPa，超過允許抗裂拉應(yīng)力。常態(tài)混凝土最高溫度超過60 ℃，超過最高控制溫度，最大溫度應(yīng)力為1.75 MPa，超過允許抗裂拉應(yīng)力。因此，無論是碾壓混凝土，還是常態(tài)混凝土都需要采取溫控措施。

圖2 無溫控的溫度場分布圖

圖3 無溫控的應(yīng)力場分布圖

(2)控制澆筑溫度措施下的溫度場和溫度應(yīng)力場仿真結(jié)果。將澆筑溫度控制為20 ℃、其它條件相同下進(jìn)行仿真，碾壓混凝土最高溫度為42.5 ℃，超過最高控制溫度，最大溫度應(yīng)力為0.93 MPa，未超過最大容許抗裂應(yīng)力；常態(tài)混凝土的最高溫度為55 ℃，超過最大控制溫度，最大溫度應(yīng)力為1.61 MPa，超過允許抗裂拉應(yīng)力。仿真結(jié)果顯示：碾壓混凝土的溫度應(yīng)力滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，但最高溫度仍不滿足溫度控制要求；常態(tài)混凝土的溫度和應(yīng)力均超過控制指標(biāo)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)溫控。

(3)采用控制澆筑溫度和一期通水冷卻下的溫度和應(yīng)力場仿真結(jié)果。在控制澆筑溫度為25 ℃并對(duì)壩體混凝土進(jìn)行一期通水冷卻，水管按照1.5 m(層厚方向)×1.5 m(水管間距)布置，通水水溫為20℃～30℃，一期通水15～20 d，通水的前7 d其通水流量為2 m3/h，后8 d通水流量不超過1.2 m3/h的條件下進(jìn)行仿真，碾壓混凝土在基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)的最高溫度為36 ℃，弱約束區(qū)內(nèi)的最高溫度為39.5 ℃，滿足最高控制溫度的要求，碾壓混凝土最大溫度應(yīng)力為0.7 MPa，滿足允許抗裂拉應(yīng)力控制要求。常態(tài)混凝土的最高溫度為48.8 ℃，仍不能滿足最大控制溫度的要求，最大溫度應(yīng)力為0.93 MPa，滿足允許抗裂拉應(yīng)力控制要求。

4 結(jié)論及措施

對(duì)試驗(yàn)和仿真結(jié)果分析可知：

(1)ASTM C-150-I型水泥的水化熱過大，在采取綜合溫控措施下，常態(tài)混凝土的最高溫度仍達(dá)48.8 ℃，其根本原因?yàn)樗嗨療徇^大，如果采用Ⅱ型水泥， 其7 d水化熱可以降低約40 kJ/kg，有利于混凝土溫控和防裂。

(2)通過對(duì)比C21和C24.5常態(tài)混凝土的絕熱溫升可以看出:水泥是混凝土水化熱的源頭，大體積混凝土應(yīng)優(yōu)先采用三級(jí)配混凝土并摻加粉煤灰以降低水泥的用量。

(3)在使用Ⅱ型水泥和調(diào)整混凝土最高溫度的情況下，碾壓混凝土通過控制澆筑溫度即可滿足溫度控制要求。如果不能調(diào)整，則需要同時(shí)使用控制澆筑問題和壩體一期通水冷卻的綜合溫控措施。

(4)在采取控制澆筑溫度和壩體一期通水冷卻的措施下，常態(tài)混凝土的溫度應(yīng)力滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，但其內(nèi)外溫差仍然不能滿足ACI規(guī)范所建議的17 ℃。根據(jù)溫度應(yīng)力的仿真結(jié)果，混凝土的最高溫度可以放寬到48 ℃，在該條件下，溫度應(yīng)力不會(huì)超過允許抗裂拉應(yīng)力。在此情況下，通過控制澆筑溫度和壩體一期通水冷卻的綜合措施可以滿足溫控要求。