银盘水电站大坝混凝土温控措施研究

徐洪祥,杨学红

(1.昆明市石林县水务局,云南石林,652200;2.长江勘测规划设计研究院,武汉,430010)

水工混凝土裂缝大都属于温度裂缝,温控防裂成为解决问题的关键。银盘水电站大坝横缝间距一般为 20m～25.5m,分一条纵缝,顺流向尺寸较大,仓面浇筑面积达 500m2～1080m2,致使银盘水电站温控防裂难度较大。结合工程的条件,大坝的温度控制设计吸收了国内外的先进技术和成功经验,在深入研究坝区自然条件的基础上,开展了大量的试验及计算分析,制定了一套切合实际的大坝温度控制技术措施。本文介绍如下。

1 工程概况和基本资料

1.1 工程概况。银盘水电站大坝为混凝土重力坝,最大坝高 78.5m,安装 4台单机容量为150MW的轴流式水轮发电机组。大坝从左至右依次为:左岸非溢流坝段、安装场段、河床式电站厂房段、左溢流坝段(左区、中区)、纵向围堰坝段、右溢流坝段(右区)、船闸坝段、右岸非溢流坝段。共分 26个坝段,坝轴线总长 600.10m。

1.2 气象资料。大坝区气象资料见表 1。坝区气温四季较分明,风速不大,混凝土浇筑温度控制较有规律,但气温骤降较频繁,最大降温幅度也较大,容易使混凝土表面开裂,需重视混凝土浇筑后的表面保护和养护。夏季时间较长,白天日照强烈,需加强防护和防裂,采取有效的温控措施。

表 1 坝区气象资料统计

1.3 混凝土配合比。大坝基础及坝体主要采用 C9015W6F100和 C9020W8F150两种标号混凝土,其配合比见表 2。

表 2 大坝混凝土配合比

1.4 混凝土性能。混凝土热学性能如表 3所示,混凝土力学性能如表 4所示,混凝土绝热温升根据试验资料整理(见表 5)。

表 3 混凝土热学性能

表 4 混凝土物理力学性能

表 5 混凝土绝热温升 单位:℃

1.5 坝址基岩物理力学性能。基岩物理力学性能见表 6。

表 6 基岩物理力学性能

2 混凝土温控标准

2.1 混凝土温度控制标准

2.1.1 基础温差。根据坝体运用条件、结构要求和基岩特性,参照国内外有关规范规定和工程经验,经计算分析拟定本工程混凝土温度控制标准见表 7。填塘、陡坡部位基础允许温差应根据所在部位结构要求和陡坡、填塘特征尺寸等参照约束区温差标准区别对待。混凝土浇平相邻基岩面,应停歇冷却至相邻基岩温度后,再继续上升。

表 7 基础允许温差标准 单位:℃

2.1.2 混凝土内外温差标准。为降低混凝土温度梯度,防止产生表面裂缝,内外温差控制在18℃～20℃,常态混凝土取上限,碾压混凝土取下限。

2.1.3 坝体混凝土设计允许最高温度。根据各部位稳定温度、准稳定温度及温控标准和表面保护标准,确定坝体设计允许最高温度见表 8。

表 8 坝体设计允许最高温度 单位:℃

2.1.4 新老混凝土上、下层温差标准。在龄期 28d以上的老混凝土上连续浇筑新混凝土,在新浇筑混凝土连续上升的条件下,新老混凝土在各自 0.2L高度范围内的上下层温差为 16℃ ～18℃。当新浇凝土不能连续上升时,该标准应适当加严。

2.2 混凝土温度应力控制标准

根据混凝土施工规范,施工期混凝土浇筑块水平向徐变温度应力采用有限元法计算,其允许水平应力如表 9所示。

表 9 大坝混凝土施工期温度应力标准

3 混凝土温度及温度应力

3.1 水库水温分析

坝址地处北纬 28°,年平均气温 17.4℃,年平均水温 18℃,径流量 436亿 m3,水库总库容 1.83亿 m3。经分析水库 α值为 239.3,属于典型的混合型水库,库水温度近乎均匀分布。针对以上因素进行了多种分析计算,并结合上游 50km的彭水水电站泄水及已建水库的资料进行类比分析,该水库水温及下游水温年平均值均取 16℃。上游水面取水库正常蓄水位为 215.0m,下游水面取水库正常蓄水后,4台机组发电时的下游水位为184.7m。

3.2 稳定温度场

根据计算结果,泄洪坝段基础约束区稳定温度为 16.2℃～16.6℃,非溢流坝段基础约束区稳定温度约为 17.2℃左右,厂房坝段基础约束区稳定温度为 16.3℃～16.7℃。偏安全考虑,泄洪坝段和厂房坝段基础约束区平均稳定温度取为16℃,非溢流坝段基础约束区平均稳定温度取为17℃〔1、2〕。

3.4 施工期温度

大坝二期工程泄洪坝段从 2008年4月15日开始浇筑,至 2009年7月～9月浇筑完成。考虑到整个坝体的均匀上升和坝段之间的高程限制和约束,最先从最低泄洪坝段开始施工。根据施工进度安排,泄洪坝段在高温季节仍然浇筑基础强约束区,因此选取泄洪坝段作为典型坝段进行温度计算分析。1.5m浇筑层厚层间间歇时间为10d,2.0m浇筑层厚层间间歇时间为 13d。基础约束区浇筑层厚为 1.5m,水管间距为 2.0m×1.5m(水平间距 ×竖直间距),脱离基础约束区浇筑层厚为 2.0m,水管间距为 1.5m×2.0m(水平间距 ×竖直间距 )〔3〕。

典型坝段根据施工进度温度仿真结果(如表10)所示。从表10可以看出,对于基础强约束区,初期通 8℃～10℃制冷水进行冷却,C9020在 6月份混凝土早期最高温度略超过设计允许的最高温度 32℃(加密冷却水管即可满足要求)。4～5月和 9～10月,初期通 8℃ ～10℃制冷水进行冷却,C9020和 C9015均满足设计允许的最高温度标准;11～3月混凝土自然冷却也满足设计允许的最高温度标准。典型坝段混凝土早期最高温度包络线如图 1所示。

3.5 施工期温度应力

从温度应力仿真结果可知,最大值出现在0.25L～0.5L(L为浇筑块长度)范围内、后期通水冷却结束之时,温度应力最大值约 1.3MPa,C9015混凝土 90d龄期抗拉应力为 1.57MPa,C9020混凝土 90d龄期抗拉应力为 1.89MPa,后期通水时混凝土已有 5个月龄期,均大于混凝土最大温度应力。典型坝段基础约束区水平温度应力包络图见图 2。

4 温控措施

4.1 提高混凝土抗裂能力。混凝土配合比设计和混凝土施工,应保证混凝土设计所必须的极限拉伸值(或抗拉强度)、施工匀质性指标和强度保证率。施工中应加强施工管理,改进施工工艺,改善混凝土性能,提高混凝土抗裂能力。

4.2 合理安排混凝土施工程序和施工进度。合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一。施工程序和施工进度安排应满足:基础约束区混凝土在设计规定间歇时间内连续均匀上升,不得出现薄层长间歇;其余部位基本作到短间歇均匀上升;相邻坝段高差应符合设计允许高差要求;应尽量缩短固结灌浆时间,并在规定的间歇期内浇筑上层混凝土;基础约束区混凝土宜安排在 10月～次年4月气温较低季节浇筑,尽量避开 6月～8月高温季节。高温季节浇筑混凝土,应利用晚间浇筑,以避开正午高温时段。

4.3 降低浇筑温度、减少水化热温升。采取必要温控措施,使坝体实际出现的最高温度不超过坝体设计允许最高温度。控制坝体实际最高温度的有效措施是降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料、合理的层厚及间歇期、初期通水等。高温季节或较高温季节浇筑混凝土时,应采用预冷混凝土浇筑。主体建筑物基础约束区混凝土浇筑温度冬季 12月～2月自然入仓外,3月和 11月浇筑温度不超过 14℃,4月和 10月浇筑温度不超过 16℃,5月和 9月不超过 17℃,6月～8月不超过 18℃;脱离基础约束区混凝土 11月～3月自然入仓,其余季节混凝土浇筑温度不得超过 16℃～18℃。应注意夏季浇筑能力要适应入仓强度要求,尽量避天正午 10～16时浇筑混凝土。

4.4 合理控制层厚及间歇期。对于大坝基础约束区浇筑层厚采用 1.5m左右,脱离基础约束区浇筑层厚采用 1.5m～2.0m。层间间歇期应从散热、防裂及施工作业各方面综合考虑,分析论证合理的层间间歇,不能过短或过长。对于有严格温控防裂要求的基础约束区和重要结构部位,应控制层间间歇期 5～7d左右。

4.5 通水冷却。初期通水主要用在高温季节削减浇筑层水化热温升,高温季节或气温较高季节(4月～10月)浇筑的温控要求较严的部位,通8℃～10℃制冷水。对于基础约束区和底孔部位混凝土,高温季节采用预冷混凝土浇筑坝体,混凝土最高温度未超过设计允许最高温度者,也宜进行初期通水冷却,确保坝体最高温度在允许范围内。通水时间 15d左右,单根水管通水流量不小于 18L/min～20L/min。中期通水用于削减坝体内外温差,每年9月初开始对当年5月～8月浇筑的大体积混凝土块体、10月初开始对当年4月及 9月浇筑的大体积混凝土块体、11月初开始对当年10月浇筑的大体积混凝土块体进行中期通水,削减坝体混凝土内外温差。中期通水采用江水进行,通水时间 1.5～2.5个月,以混凝土块体温度达 20℃～22℃为准,单根水管通水流量应达20L/min～25L/min。后期通水是使坝体冷却至接缝灌浆温度(或宽槽回填)进行接缝灌浆(或宽槽回填)的必要措施。根据计算,本工程采用通河水和通制冷水相结合的措施,通制冷水水温为8℃～10℃,以满足坝体(或船闸)通水冷却达到设计灌浆(或宽槽回填)温度。

4.6 表面保护。混凝土表面保护是防止表面裂缝的重要措施之一,应根据设计表面保护标准确定不同部位、不同条件的表面保温要求。尤其应重视基础约束区,上游坝面及其它重要结构部位的表面保护。应重视防止寒潮的冲击。所有混凝土工程在最终验收之前,还必须加以维护及保护,以防损坏。浇筑块的棱角和突出部分应加强保护〔4〕。

〔1〕朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.北京:中国电力出版社.1999.

〔2〕丁宝瑛等.混凝土坝温度控制设计的优化[J].水利学报,1982,(1).

〔3〕朱伯芳.大体积混凝土非金属水管冷却的温降计算[J].水利水电技术,1997,(6).

〔4〕李荣湘等.混凝土坝整体温度控制措施优化设计[J].清华大学学报,1989,(2).