張偉偉

(中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司 葉巴灘監(jiān)理中心,四川 甘孜州 627153)

0 前 言

葉巴灘水電站地處西藏高原，工程區(qū)海拔高，由于地勢(shì)高亢，又遠(yuǎn)離水汽源地，氣候寒冷而干燥，晝夜溫差大，且常有連續(xù)數(shù)日的寒潮，拱壩混凝土需在冬季施工，冬季連續(xù)施工及混凝土溫控難度大，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量影響較大，易出現(xiàn)裂縫，影響拱壩結(jié)構(gòu)安全。因此采用適宜的措施防止倉面對(duì)流散熱，在倉號(hào)內(nèi)給予一定的熱補(bǔ)償，營(yíng)造適宜的混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)的“小環(huán)境”，在保障混凝土澆筑施工質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)高寒高海拔高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工。

1 工程概況

1.1 工程情況

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，電站擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，最大壩高217.00 m，混凝土方量約251萬m3。距壩址約5 km處設(shè)蓋玉簡(jiǎn)易氣象站，海拔高度2 937.90 m，據(jù)蓋玉氣象站2009—2016年資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫9.2 ℃，極端最高氣溫37.1 ℃，極端最低氣溫-23.5 ℃，壩址區(qū)高海拔地區(qū)氣候特征明顯。晝夜溫差極大，全年氣溫日變幅超過15 ℃的有236 d，日變幅超過20 ℃的有166 d，1月份氣溫最大日變幅達(dá)27 ℃。寒潮頻發(fā)，壩址區(qū)多年平均寒潮次數(shù)8～10次，寒潮最大降溫幅度10.9 ℃。同時(shí)，葉巴灘壩址區(qū)每年11月至次年3月均為低溫季節(jié)，壩址區(qū)氣候寒冷而干燥，多大風(fēng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，具有長(zhǎng)冬無夏短春秋、雪稀風(fēng)大降水少的特點(diǎn)。

1.2 大壩混凝土施工特點(diǎn)

(1)低溫季節(jié)長(zhǎng)，晝夜溫差大，寒潮與大風(fēng)伴隨，對(duì)骨料開采、混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸、大壩混凝土澆筑及保養(yǎng)提出了嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)。

(2)壩址區(qū)地勢(shì)高亢，又遠(yuǎn)離水汽源地，氣候寒冷而干燥，具有“長(zhǎng)冬無夏短春秋”的特點(diǎn)，將面臨施工降效。

(3)混凝土雙曲拱壩最大壩高217 m，是我國(guó)已建或在建的十大特高拱壩之一，具有規(guī)模大、施工強(qiáng)度高、建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、施工技術(shù)難度大等特點(diǎn)。

(4)高拱壩壩體混凝土具有倉號(hào)面積大、壩段數(shù)相對(duì)較多、混凝土總方量大、混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，膠凝材料用量大，因晝夜溫差大及特殊地理環(huán)境因素影響，溫控邊界條件對(duì)溫控防裂不利，冬季混凝土澆筑施工倉面需保持正溫環(huán)境。

1.3 拱壩混凝土保溫與保濕技術(shù)分析

葉巴灘拱壩混凝土設(shè)計(jì)要求當(dāng)壩區(qū)環(huán)境氣溫低于5 ℃時(shí)，采用蓄熱法施工；當(dāng)壩區(qū)環(huán)境氣溫低于-10 ℃時(shí)，應(yīng)采用綜合蓄熱法(暖棚法)施工，并要求維持暖棚內(nèi)溫度在3 ℃～5 ℃以上，以防混凝土受凍；當(dāng)壩區(qū)環(huán)境氣溫低于-20 ℃時(shí)，停止施工。拱壩一般采用分壩段、分倉澆筑，澆筑到一定高度后，根據(jù)控溫情況進(jìn)行二期冷卻灌漿封拱，對(duì)于低溫季節(jié)澆筑混凝土而言，倉面小環(huán)境的營(yíng)造，必須解決兩方面問題，即實(shí)現(xiàn)熱量補(bǔ)償和防止熱量散失。目前可知的熱量流動(dòng)方式只有3種:導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射，而對(duì)于大壩倉號(hào)內(nèi)的混凝土而言，除冷卻水管外，新澆筑坯層的熱量主要通過對(duì)流散熱的方式散失[1]。因此，采用適宜的措施防止倉面對(duì)流散熱，在倉號(hào)內(nèi)給予一定的熱補(bǔ)償，才能最終營(yíng)造適宜混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)的小環(huán)境。

2 技術(shù)方案初步比選

2.1 半開敞漸進(jìn)式施工方案

半開敞漸進(jìn)式施工(見圖1、2)是在澆筑倉號(hào)內(nèi)借助移動(dòng)隔風(fēng)設(shè)備，盡可能減小倉內(nèi)空氣熱對(duì)流，達(dá)到營(yíng)造倉內(nèi)小環(huán)境的目的。半開敞漸進(jìn)式施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。缺點(diǎn)是對(duì)豎向熱對(duì)流的限制，較全封閉暖棚保溫效果相對(duì)較差，能耗高，智能化水平相對(duì)較低，施工干擾相對(duì)較大。此外，半開敞漸進(jìn)式施工方案下料位置相對(duì)集中，適合單吊管集中下料。

圖1 半開敞施工示意

圖2 施工區(qū)域劃分

2.2 全封閉充氣暖棚方案

全封閉充氣暖棚方案的特點(diǎn)是采用充氣膜在倉內(nèi)形成封閉空間營(yíng)造倉面小環(huán)境。充氣暖棚(見圖3)主要分為負(fù)氣壓(氣內(nèi))膜和正氣壓(充氣)膜兩種。從目前應(yīng)用的情況調(diào)研分析，負(fù)壓充氣膜基本可以實(shí)現(xiàn)頂部開口下料，但現(xiàn)有的負(fù)壓充氣膜尺寸難以超過200 m2，此外，由于暖棚重量相對(duì)較輕，基本無法適應(yīng)大風(fēng)(6級(jí)以上)工況，若在拱壩澆筑過程中采用負(fù)壓充氣暖棚方案存在較大的安全隱患；若采用正氣壓充氣膜，即通過氣泵補(bǔ)氣形成內(nèi)壓，達(dá)到與外部氣壓平衡。在暖棚頂部下料，則需要采用雙層氣膜，即先進(jìn)入后關(guān)閉第一道氣膜門，再開第二道氣膜門。

圖3 負(fù)壓充氣膜

2.3 移動(dòng)式暖棚方案

移動(dòng)軌道伸縮暖棚方案(見圖4、5)，該暖棚的特點(diǎn)包括：

(1) 采用鋼架與桁架混合結(jié)構(gòu)；

(2) 要求沿軌道方向暖棚跨度一致，支撐結(jié)構(gòu)必須位于相鄰壩段；

(3) 有連續(xù)澆筑抬升要求時(shí)，通過軌道底部增加支撐立柱實(shí)現(xiàn)整體抬升；

(4) 整個(gè)暖棚由軌道、上游棚架、下游側(cè)支撐剛架、柔性保溫篷布、監(jiān)測(cè)裝備、供熱/濕裝備及智能控制系統(tǒng)構(gòu)成；

(5) 澆筑時(shí)段，通過上下游棚架沿著軌道伸縮移動(dòng)提供下料口；

(6) 非澆筑時(shí)段，可以收縮棚架，防止風(fēng)載破壞；

(7) 施工期支撐側(cè)墻同步伸縮移動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體靈活性和部件的耐久性要求高；

(8) 支撐軌道平整性要求高，安裝、抬升耗時(shí)較大。

圖4 移動(dòng)軌道伸縮暖棚示意(一)

圖5 移動(dòng)軌道伸縮暖棚示意(二)

2.4 裝配式固定鋼架暖棚方案

固定鋼架暖棚方案(見圖6～8)，該暖棚的特點(diǎn)如下：

(1) 采用鋼架與桁架混合結(jié)構(gòu)；

(2) 采用立柱作為支撐結(jié)構(gòu)；

(3) 立柱采用4.5 m特定尺寸工字鋼栓接；

(4) 有連續(xù)澆筑抬升要求時(shí)，通過延長(zhǎng)立柱長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)抬升；

(5) 整個(gè)暖棚支撐剛架、保溫側(cè)板、智能蓋板、監(jiān)測(cè)裝備、供熱/濕裝備及智能控制系統(tǒng)構(gòu)成；

(6) 澆筑時(shí)段，頂部傳感設(shè)備感知吊罐位置智能定位選擇合適頂蓋開啟；

(7) 非澆筑時(shí)段，可以打開頂蓋或拆卸保溫側(cè)板，防止風(fēng)載破壞；

(8) 智能蓋板為整體結(jié)構(gòu)一次安裝即可，若采用本壩段內(nèi)支撐，則隨澆筑進(jìn)行，存在立柱損耗；

(9) 頂蓋可直接采用纜機(jī)起吊后，增加立柱長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)抬升。

圖6 支撐棚架

圖7 智能伸縮棚頂

圖8 固定鋼架暖棚方案-智能移動(dòng)蓋板

2.5 性能分析及方案比選

基于所提出的4種倉面小環(huán)境營(yíng)造方案，對(duì)各方案從可行性、實(shí)用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性4個(gè)方面進(jìn)行比較，得出固定鋼架暖棚方案更適合于低溫季節(jié)高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工，該暖棚主要性能分析如下：

(1) 根據(jù)葉巴灘壩址區(qū)氣候寒冷而干燥，多大風(fēng)，日照時(shí)間長(zhǎng)，具有長(zhǎng)冬無夏短春秋的特點(diǎn)，采用固定鋼架暖棚方案可行。

(2) 實(shí)用性方面分析：① 對(duì)混凝土澆筑塊形狀的適用性強(qiáng)，采用鋼架與組合桁架形成暖棚結(jié)構(gòu)，頂蓋整體安裝成型，暖棚抬升過程中無需拆卸，總體重量相對(duì)較輕；② 暖棚頂蓋及側(cè)墻可采用保溫板材，也可根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用噴涂5 cm厚聚氨酯進(jìn)行保溫，保溫效果保障率較高；③ 頂棚可以分片開合，可根據(jù)澆筑倉內(nèi)不同區(qū)域多臺(tái)纜機(jī)同時(shí)下料，且頂棚開合效率高，下料過程熱損失相對(duì)較?。虎?暖棚頂蓋安裝完成后，在頂升過程中無需拆卸，頂升過程中只需續(xù)接立柱即可。

(3) 安全性能分析：① 暖棚頂蓋分片智能化開合，與倉內(nèi)立柱連接，安全系數(shù)較高；② 根據(jù)暖棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，暖棚整體可分段抬升，頂升重量相對(duì)較低，安全系數(shù)高；③ 暖棚整體除頂蓋分片開合外，其他部位均為栓接或焊接，無需折疊，整體穩(wěn)定性較高。

(4) 經(jīng)濟(jì)性分析：① 根據(jù)暖棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，固定桁架及自動(dòng)開合頂蓋為循環(huán)多次使用構(gòu)件。根據(jù)拱壩特殊結(jié)構(gòu)，隨澆筑高度增加，倉面面積逐漸減??；② 隨壩體澆筑上升，只需損耗暖棚立柱材料，經(jīng)濟(jì)性整體較好。

經(jīng)比較可知，固定鋼架暖棚方案安裝簡(jiǎn)易，且在支撐立柱布置在相鄰壩段時(shí)，能夠大幅度節(jié)省鋼架安裝及抬升時(shí)間，且單次下料過程中，頂部開口小，能夠有效減少倉內(nèi)的熱損失，降低能耗，更適合作為優(yōu)選方案開展細(xì)化設(shè)計(jì)及計(jì)算分析。

3 裝配式固定鋼架智能化暖棚方案分析

如前所述，采用固定鋼架暖棚是目前解決葉巴灘低溫季節(jié)連續(xù)施工問題的最有效、且對(duì)施工干擾最小的技術(shù)措施?；诖?，根據(jù)葉巴灘拱壩結(jié)構(gòu)及施工的特點(diǎn)，對(duì)拱壩暖棚方案進(jìn)行需求分析，為拱壩暖棚方案設(shè)計(jì)提供支撐。

3.1 暖棚形狀分析

(1) 平面形狀

考慮到相同壩段不同高程范圍的澆筑倉號(hào)在形狀上具有一定的相似性(見圖9)，各壩段宜單獨(dú)進(jìn)行暖棚設(shè)計(jì)，不僅能夠減小暖棚結(jié)構(gòu)連接部位數(shù)量，增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，還可以減少暖棚搭接安裝次數(shù)，縮短備倉時(shí)間。

圖9 典型倉號(hào)沿高程方向公共區(qū)域

(2) 暖棚高度

拱壩在澆筑過程中倉號(hào)內(nèi)將布置一定數(shù)量的大型機(jī)械設(shè)備，暖棚的設(shè)計(jì)高度(見圖10)應(yīng)滿足各類機(jī)械設(shè)備對(duì)運(yùn)行空間的要求，且應(yīng)避免暖棚內(nèi)部設(shè)置豎向立柱。

圖10 暖棚設(shè)計(jì)高度

3.2 保溫/濕功能分析

結(jié)合本工程設(shè)計(jì)溫度指標(biāo)，冬季混凝土入倉溫度為10 ℃～15 ℃，澆筑溫度常年為5 ℃～10 ℃，為確保暖棚內(nèi)新澆筑混凝土坯層具有良好的水化硬化環(huán)境，暖棚內(nèi)溫度應(yīng)該始終保持在10℃±5℃的溫度范圍內(nèi)。此外，考慮到壩址區(qū)域空氣干燥，除了保溫功能外，需要棚內(nèi)設(shè)置增濕設(shè)備，確保棚內(nèi)空氣濕潤(rùn)，避免混凝土下料、攤鋪、振搗過程中水分散失，影響混凝土澆筑質(zhì)量。

3.3 施工需求分析

由于拱壩施工的特殊性，為滿足施工需求，暖棚必須實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)方面的功能：

(1) 均勻下料：由于拱壩采用纜機(jī)吊罐下料，以往暖棚施工中，在頂部下料時(shí)，一般采用固定下料口，內(nèi)部采用活動(dòng)溜管來調(diào)整下料位置，這種下料方式能夠避免頂部過多開口，確保暖棚保溫效果。為確保下料均勻性，提高澆筑施工效率和澆筑質(zhì)量，葉巴灘拱壩暖棚宜采用頂部具有局部自動(dòng)開合功能的智能化暖棚。

(2) 暖棚支撐方式：根據(jù)拱壩分段跳倉澆筑的特點(diǎn)，結(jié)合葉巴灘拱壩相鄰壩段高差不超過12 m，全壩最大高差不超過30 m的控制性要求。施工期新澆筑塊的位置可能處于：凸起壩段、凹坑壩段、臺(tái)階壩段或岸坡異形壩段。

從上述分析可知，暖棚兩側(cè)支撐可能安裝的位置包括：相鄰倉號(hào)老混凝土上、本倉號(hào)模板外側(cè)、倉號(hào)下部老混凝土上?，F(xiàn)對(duì)3種安裝位置的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析：

1) 支撐安裝在相鄰壩段老混凝土上,若在凹坑壩段,支撐相對(duì)較短,有利于提升暖棚的整體穩(wěn)定性,且成本相對(duì)較低(無支撐材料損耗)。若在凸起壩段,則支撐結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度會(huì)增加,影響暖棚整體穩(wěn)定性,增加暖棚制作成本。若在臺(tái)階壩段,兩側(cè)支撐長(zhǎng)度不一致,其穩(wěn)定性需要逐情況論證。

圖11 澆筑層與相鄰壩段位置示意圖

兩側(cè)安裝在相鄰壩段，則暖棚形狀具有一定的靈活性，單個(gè)或少量暖棚能夠適應(yīng)絕大多數(shù)壩段平面形狀的要求，可以減少暖棚數(shù)量和制作成本，但單側(cè)支撐高度將達(dá)到15.5 m，需要論證暖棚的整體穩(wěn)定性(見圖12)。另外,由于暖棚跨度和尺寸的增加,單個(gè)暖棚的重量將會(huì)進(jìn)一步增大，且某壩段施工過程中，相鄰壩段無法同時(shí)施工。

圖12 相鄰壩段支撐安裝示意

2) 支撐安裝在本壩段模板外側(cè),暖棚形狀需要逐個(gè)壩段進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),且考慮到側(cè)模承載能力有限，暖棚重量要進(jìn)行嚴(yán)格限制。對(duì)于凹坑壩段，無側(cè)向模板，暖棚需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，綜合考慮不建議將暖棚支撐安裝在模板外側(cè)。

3) 支撐安裝在本倉老混凝土內(nèi),若將暖棚支撐安裝在本壩段老混凝土上,暖棚跨度相對(duì)較小，且暖棚支撐高度為固定值9～10 m，暖棚整體穩(wěn)定性相對(duì)較高(見圖13)。缺點(diǎn)在于,各倉號(hào)的暖棚形狀需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，各壩段各自獨(dú)立設(shè)計(jì)暖棚。此外,隨著混凝土澆筑層的上升，暖棚支撐將永久埋入下層混凝土,隨著澆筑的進(jìn)行將會(huì)耗費(fèi)支撐鋼材,成本相對(duì)較高。

圖13 模板外側(cè)支撐安裝

(3) 安裝及抬升要求：暖棚一般采用鋼架結(jié)構(gòu)或桁架結(jié)構(gòu),為安裝及抬升方便,拱壩保溫暖棚宜采用便于安裝且整體性較好的單跨門式剛架結(jié)構(gòu)或剛架桁架組合式結(jié)構(gòu)。為便于抬升,確保暖棚頂棚運(yùn)行安全,宜采用拼裝式支撐結(jié)構(gòu),倉號(hào)澆筑完成后,頂蓋直接抬升,抬升后在下部支撐結(jié)構(gòu)搭接升高,實(shí)現(xiàn)暖棚整體抬升。抬升過程盡量避免頂棚拆裝，優(yōu)先選擇整體式或分段抬升方式；優(yōu)先選擇內(nèi)部頂升方式,避免占用纜機(jī)；抬升過程要易于操作,確保暖棚整體安全；避免逐步抬升,減少支撐立柱栓接次數(shù)。

(4) 夜間示廓、防撞、防雨、雪、雷：要避免頂蓋積水積雪，影響混凝土施工質(zhì)量；設(shè)置避雷裝置，避免雷擊破壞；頂蓋下料口安裝示廓燈及編號(hào)等裝置，便于夜間施工；安裝下料防撞預(yù)警雷達(dá)裝置。

3.4 安全需求分析

(1) 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及承載力要求

根據(jù)拱壩壩段劃分及形狀要求,不同暖棚左右跨度20～25 m,高度在4.5～15 m,不同暖棚高度必須滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性要求。此外,若支撐結(jié)構(gòu)安裝在本壩段老混凝土上時(shí),需要論證下部老混凝土承載能力(具體參數(shù))。

(2) 抗風(fēng)能力要求

葉巴灘河谷大風(fēng)天氣頻繁,除穩(wěn)定性要求外,暖棚結(jié)構(gòu)具有一定的抗風(fēng)能力及抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求,封閉狀態(tài)(澆筑狀態(tài))下抗風(fēng)能力9級(jí),開敞狀態(tài)下(非澆筑狀態(tài))抗風(fēng)能力12級(jí)。

(3) 防撞破壞要求

混凝土澆筑作業(yè)過程中，下料吊罐在校核風(fēng)載作用下晃動(dòng)時(shí)，暖棚頂部具有防止吊罐撞擊設(shè)置。

3.5 智能自動(dòng)化需求分析

(1) 棚頂自動(dòng)化開閉功能：下料過程中頂蓋頻繁開啟時(shí)開口空間區(qū)域?yàn)榕飪?nèi)熱量的主要散失渠道,為盡量較少熱量通過頂蓋開啟時(shí)散失,暖棚需要自動(dòng)感知吊罐位置,并根據(jù)頂蓋開啟速度、吊罐下降速度,智能化控制頂蓋開啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間。

(2) 棚內(nèi)小環(huán)境智能重構(gòu)及控制：澆筑期間及澆筑完成初期,基于監(jiān)測(cè)資料,動(dòng)態(tài)重構(gòu)棚內(nèi)溫/濕度場(chǎng),根據(jù)棚內(nèi)溫/濕度場(chǎng)分布情況,結(jié)合小環(huán)境控制指標(biāo)要求,動(dòng)態(tài)控制棚內(nèi)供熱、供濕設(shè)備的開啟與關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)小環(huán)境的動(dòng)態(tài)控制。

(3) 暖棚結(jié)構(gòu)安全預(yù)警功能：澆筑期間及澆筑完成初期,感知暖棚關(guān)鍵部位變形、變位情況、風(fēng)載震動(dòng)情況。動(dòng)態(tài)判斷暖棚結(jié)構(gòu)安全,并具備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能。

4 結(jié) 語

結(jié)合葉巴灘高寒高海拔高拱壩施工特點(diǎn)，經(jīng)對(duì)裝配式固定鋼架智能化暖棚方案初步分析及參建各方討論研究，認(rèn)為滿足防止倉面對(duì)流散熱，在倉號(hào)內(nèi)給予一定的熱補(bǔ)償，最終營(yíng)造適宜混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)的小環(huán)境，能夠保障混凝土澆筑施工質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)高寒高海拔高拱壩混凝土全年不間斷澆筑施工。通過技術(shù)分析研究，明確在葉巴灘采用暖棚實(shí)現(xiàn)澆筑塊熱損失“節(jié)流”，在暖棚內(nèi)采用外加熱源實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境熱“開源”，確保低溫季節(jié)施工的技術(shù)方向。