RCC坝后期冷却系统的应用

2010-09-05德国杜崇江

水利水电快报 2010年12期

[德国]杜崇江

RCC坝后期冷却系统的应用

[德国]杜崇江

论述了应用埋设的高密度聚乙烯冷却管系统后期冷却 RCC坝的情况,对该技术所取得的最新进展作了重点介绍,并对所用管材、后期冷却效果以及关键的施工程序等方面作了较为详细的说明,同时还介绍了这种冷却系统在巴基斯坦高摩赞(Gomal Zam)RCC坝中的成功应用情况。

RCC坝;大坝浇筑;冷却管;冷却系统;施工技术;应用

在 RCC坝浇筑期间,通过埋设的冷却管,利用循环冷却水后期冷却 RCC坝,这在 RCC坝工界曾存在着异议,为此经常出现争论和矛盾。由于意见不一致,这种冷却方式一直未得到广泛的认同。

许多专业人士认为,在 RCC坝施工期间埋设冷却水管会影响 RCC的浇筑,埋设的薄壁管在 RCC混合料浇筑和碾压期间可能会受到碾压机或其他重型施工机械的破坏,而且后期冷却系统可能的高费用往往成为关注的要点。因此,有些专家提出,RCC坝不适合于采用埋设管进行后期冷却。相反,另一些专家则坚信,与常规混凝土坝一样,这种温控方法同样适用于 RCC坝。

对这种温控方法已进行过大量的研究,并在一些大型 RCC坝进行了现场试验和应用。不过仍在继续进行新的探索,以解决目前尚未解答的问题。这种温控方法在 RCC坝的成功应用表明,将其应用于 RCC坝后期冷却是可行的、有效的和实用的。

在后期冷却系统设计和现场试验期间取得的新进展促进了这种温控方法在 RCC坝的应用,其冷却管系统与常规混凝土坝使用的传统后期冷却系统有着明显的差别。本文主要介绍该技术所取得的最新进展,详述了管材、后期冷却效果和关键的施工程序。

1 RCC坝后期冷却的必要性

在初始施工期间,除去大体积混凝土的热量对于确保混凝土质量非常重要。当混凝土表面和内部的温差很高时,应用冷却的方法可以防止混凝土内部的温度应力过度升高。冷却还可以将混凝土内的温度维持在容许值范围内。混凝土坝的温控是通过采用不同的方法或者几种方法的组合来到达的,但这些方法必须适合于采用的坝型、要求的冷却度、当地条件和承包商的经验。

利用埋设在混凝土内的薄壁管里的循环冷却水,由冷却管吸热和消散热来达到有效温控的目的。在浇筑混凝土的最初几天里,通过初始冷却除去新浇混凝土的水化热,可减少温升。在初始阶段,混凝土的弹性模量相当低,利用中间冷却可以加速除热,并使混凝土体积缩小。后期冷却系统还有另一种作用,即利用这种系统能将大坝混凝土的温度降低到适合灌浆的稳定温度。在水库蓄水之前进行横向收缩缝灌浆时,还要进行最终冷却。

尽管后期冷却具有上述益处,但设置后期冷却系统会增加工程费用,并可能会干扰 RCC浇筑。由于这些原因,致使 RCC坝都尽可能地避免埋设后期冷却系统。

自 20世纪 90年代初以来,RCC坝的设计和施工技术取得了飞速进展。由于对 RCC坝技术有了新的认识,因而可以修建坝高超过 100m的大型 RCC重力坝,并可建 RCC拱坝(包括 RCC重力拱坝)。对于特别高的 RCC坝,特别是在炎热气候条件下,温控是一项特别艰巨的任务。RCC坝必须在这些地区的日平均气温为 3～25℃的条件下才能浇筑,否则就应停止浇筑,或者只有采取严格特殊的温控措施才能继续浇筑。停止 RCC坝浇筑会显著延长工期和增加工程费用,因此就需要将炎热季节停止 RCC浇筑与使用管冷继续浇筑 RCC进行经济比较。

对于 RCC重力坝,为了释放沿坝轴线的温度应力,通常要设置横向收缩缝,但这些收缩缝不需要灌浆。RCC可分块浇筑,无需设纵向收缩缝。对于坝高超过 100m的 RCC重力坝,坝底宽度通常超过70m。而 RCC变形是由于受到基岩和坝肩的约束所造成的,如果出现过大的温度拉应力,就可能使混凝土开裂(尽管 RCC对开裂不如常规混凝土敏感)。因此,这种大型 RCC重力坝的温控比起小型RCC坝更具有挑战性。在这种情况下,除采用其他温控措施外,还往往需要进行后期冷却,以消除过高的热量,减小 RCC的最大温升。

拱坝与其他坝型的最显著的区别在于:这种大坝依靠其整体式结构重力和拱作用的连续性来维持稳定。任何未灌浆的横向收缩缝或裂缝都会破坏大坝结构的整体性,而由混凝土温降引起的收缩则会降低拱的作用,因而会危及拱坝的稳定性。因此有关拱坝施工的规定应包括冷却混凝土的措施,以保护水库蓄水之前常常通过灌浆来达到永久地密封横向和纵向收缩缝的目的。拱坝通常是利用埋设的冷却管系统来进行施工,以便为进行接缝灌浆减小和加快大体积混凝土的体积变化。

对于 RCC拱坝,大坝混凝土浇筑时会设置常规的横向收缩缝或诱导横向收缩缝。其横向收缩缝的形成和灌浆比 RCC重力坝和常规混凝土拱坝要困难得多。对于常规的横向收缩缝,拱坝必须充分地进行冷却和灌浆,以确保水库蓄水前大坝结构的连续性和功能。为了能够进行相关接缝灌浆,必须对大坝 RCC加以冷却,将温度降至规定的灌浆温度,因此,后期冷却管系统是必不可少的。

认识到了上述问题,有人建议,在炎热的气候条件下,当不能经济地采用其他冷却措施控制 RCC的温度时,应将后期冷却作为 RCC拱坝和大型 RCC重力坝温控的最后手段。此外,只有当 RCC拱坝必须进行横向收缩缝灌浆时才有必要进行后期冷却。

2 RCC坝冷却管的适用性

为了降低峰值温度,对大体积混凝土实施后期冷却可追溯到 20世纪 30年代修建的大坝。为了修建美国的胡佛(Hoover)坝,美国垦务局对人工冷却系统进行了大量研究。自此之后,为控制采用常规方法浇筑的大体积混凝土坝的温度裂缝,利用埋设的冷却管进行混凝土后期冷却,已为全世界大坝建设者所广泛接受。尽管存在着某些争议,但 RCC拱坝和高 RCC重力坝的新近施工则对后期冷却系统给予了新的关注。

在大体积混凝土后期冷却系统中,通常是采用外径为25.4mm、壁厚为1.5～1.8mm的钢管。使用铝管或其他金属管的也不少见。自 20世纪 70年代以来,在后期冷却系统中已采用各种类型的聚乙烯管替代金属管。雷维尔斯托克(Revelstoke)坝是在大坝混凝土冷却中采用此类聚乙烯管的首例。聚乙烯管通常按网格盘管形式埋设于已硬化的常规混凝土或已碾实的 RCC浇筑层顶部表面,其水平和垂直间距为1.5～3.0 m。目前,聚乙烯管和聚氯乙烯管这两种管子都已广泛应用于混凝土坝和其他大体积混凝土建筑。

RCC坝后期冷却系统成功应用的关键就是选择了合适的管材和相应的施工程序。

金属管具有很高的导热性(60～165kJ/m-h-℃)和很高的强度。后期冷却用的金属管必须安放于坝块的表面,以形成冷却系统。因此所有部件(管材、配件、弯管和接头等)分别运输到坝面,必须一起进行安装。金属冷却管的安装是一件既费时又花费人力的工作,致使施工时间延长和费用明显增加。此外,金属管本身的成本也比较高。

反之,高密度聚乙烯管(HDPE),特别是复合聚乙烯管适于作 RCC坝施工的冷却管。复合聚乙烯管用 HDPE树脂、低密度聚乙烯(LDPE)树脂和各种添加剂生产。通常我们所说的聚乙烯(PE)管不是HDPE管,就是复合聚乙烯管。

这两种典型的 PE管用于大坝混凝土后期冷却,即外径 32.0 mm、壁厚2.0～2.3mm的管子用作配水管;而外径为 40.0mm、壁厚为 4.0mm的管子则用作供水管和回水管。与金属管相比,PE管具有以下优点:

(1)轻便。PE管的比重只有 860～1 000 kg/m3,而长 200m的 PE管质量只有 35～40 kg,只需要一人就能将其搬运。

(2)可弯曲和能够盘卷。PE管最小挠曲半径为 20～25 cm,因此只需一段就能充分满足冷却管的柔性要求。

(3)长度长。一卷 PE管的长度约有 200～250 m。因此可明显减少管子的接头数量,可以省去金属管所必需的弯管、配件和接头。这样使 PE冷却管的施工时间和费用可降低到一个可接受的水平。

(4)强度高。PE冷却管具有 20～25 MPa以上非常高的抗拉破坏强度,而且还具有 3～10 MPa以上的爆裂强度。

(5)很高的延性。其具有的最低断裂伸长度为200%。

冲击试验表明,PE管能经受住从 3～4m高处掉下来的最大骨料粒径为 76.0mm的混凝土拌和物的冲击,除了管的表面有肤浅的刮痕以外,不会遭受损伤、破坏或断裂。与钢管相比,PE冷却管的主要不足之处是导热性要低很多(1.66～1.8 kJ/m-h-℃),仅为钢管的 1%～3%。但是,由于 PE管壁极薄,对冷却效果影响不大。低导热性可通过缩小间距和加快冷却水的流速来抵消。

在 RCC的胶凝材料中通常会采用粉煤灰和其他火山灰,这样可以明显缩短胶凝材料的水化过程和推迟这个过程。因此,与常规混凝土坝相比,在两层冷却水管层之间所需要的 RCC浇筑的时间间隔缩短了,这应归功于 RCC通仓浇筑法。将后期冷却系统使用 PE管的 RCC坝列于表 1中。

表1 后期冷却系统使用 PE管的 RCC坝

3 使用冷却管施工的关键问题

除了选择合适的冷却管材料外,施工程序对于在 RCC坝中成功使用冷却管也非常重要。现场试验和实验表明,在常规混凝土坝上采用的常规后期冷却系统施工方法不适于 RCC坝。为了在 RCC坝上使用冷却管,就必须采用特殊的施工技术。RCC后期冷却 PE管在大朝山拱围堰上进行了首次试验,第 2次试验是在高 63 m的水东 RCC重力坝上进行的。通过大量试验、研究和实际应用,使 RCC坝后期冷却 PE管的应用取得了重大进展。

在全面的研究工作和成功试验的基础上,PE冷却管已在许多 RCC拱坝和大型 RCC重力坝上使用,如表 1所示。

由于这些成功的应用,已经取得了较为丰富的经验。对于采用冷却管的 RCC施工,认为以下问题是最重要的。

3.1 将施工区划分为几个冷却管安装单元

为了能在 RCC浇筑施工的同时安装冷却管,在平面上,应将整个施工区至少分成 2个单元。应在比第 1单元高 2～3个浇筑层的 RCC表面安装第 2单元的冷却管,这样就可以在第 1单元铺设冷却管,而同时在另一个单元浇筑 RCC。如此安装冷却管,就不会干挠 RCC的浇筑施工了。

3.2 分隔仓的布置

分开的隔仓应这样布置:使冷却管的总长度不超过一卷管的总长度(一般为 200～250m),因此不需要连接,可以减少安装冷却管的时间。

3.3 冷却管的连接

在冷却管确实需要连接的情况下,可在 PE管的两端嵌入一节 20 cm长的金属管,并用铁丝绑牢。此外,这些冷却管还应该用聚四氟乙烯螺纹止水带缠绕几层。为了将冷却管与供水管和回水管连接起来,应该用一个钢三通与 3根管的端部嵌接,并按上述方法固定。

3.4 PE管的安装

在安装 PE管之前和用 RCC拌和料覆盖(厚 30 cm)之后,应检测 PE管在通过0.1 MPa的压力水和压力空气时是否受到了破坏。冷却管由人工搬运和安放到最近进行过碾压但还未硬化的 RCC浇筑层的表面,用直径为 4.0～6.0 mm的 U形钢筋,按直线段间距 2～4m,弯管段则用 3件 U形钢筋,将冷却管固定在 RCC表面。

3.5 已安装管子的覆盖

在安装好之后,PE管应采用层厚不小于 25～30 cm的 RCC拌和料覆盖层覆盖。RCC拌和料的卸料和摊铺应从冷却管单元的一侧开始。只有当上述工序完成之后,重型施工机械,如推土机、自卸卡车和碾压机才能在其上施工,因此,重型施工机械永远不会直接在裸露的冷却管上施工。这是将冷却管系统成功应用于 RCC坝的一个关键步骤,也经常是专业人员之间争论的焦点。除非冷却管已用 RCC拌和料覆盖,否则,大型施工机械会使冷却管产生严重的塑性变形,并致使冷却水通过冷却管时产生渗漏或障碍。但是,试验确实表明,未承载的后端卸料卡车可以在未覆盖的管道上驶过,而且没有造成破坏(虽然承载的自卸卡车可能会造成破坏)。

通过相关的试验研究,结果表明,在浇筑 RCC期间,当水管充满水时,冷却管完全能够承受住重型施工机械的冲击和压力。

必须指出的是,当大坝埋设了冷却管时,要从RCC坝钻取芯样则会更加困难,因为钻孔可能会破坏冷却管。如果需要取芯样钻孔时,必须将孔位布置在肯定未埋设冷却管的地方。为了防止管子受到破坏,在施工区施工期间,应该将一些区域作上标记,以便于确定可以从中钻取芯样的区域。

4 冷却管在高摩赞坝的应用

高摩赞坝是一座正在施工的 RCC拱形重力坝,高程630m基础以上的最大坝高为133m,坝顶(高程963m)轴线长度 231m。工程位于巴基斯坦西北边境省的高摩(Gomal)河上。流域面积 29 000 km2,水库死库容 3亿 m3,有效库容 8亿 m3。工程的主要目的是灌溉、防洪和发电。

RCC总浇筑量为 395 400 m3,此外还浇筑常规混凝土 100 700m3。大坝上游坡面是垂直的,下游坡面是倾斜的,其坡比为 1(垂直)∶0.6(水平)。最大坝宽为 78 m。坝上布置有一座17.5 m长的 4跨溢洪道,宣泄洪水 2 270 m3/s,并布置有一个泄水底孔,用以冲走坝前淤积的泥沙。为了能够进行帷幕灌浆和排走坝基与坝体的渗水,在大坝上游设置了1条灌浆廊道和 3条监测廊道。在大坝下游的坝基高程处设置了 2条排水廊道。

为防止施工期间产生温度裂缝,在坝体上设置了 2条横向收缩缝,这 2条收缩缝从高程 680 m一直贯通到堰顶高程750.4m。在水库蓄水前,将对这2条收缩缝进行灌浆施工,以便使坝块结合成一个整体结构,依靠整个坝体的重力作用和拱作用的连续性,将荷载传递到坝基和坝肩。

该坝位于亚热带气候地区,多年平均气温为25.5℃,记录的最高气温为49.4℃。1 a中有 6个月的月平均气温都超过了 25℃,而且 6月和 7月可以达到 35℃。河水多年平均温度为19.1℃(比多年平均气温低6.4℃)。

该工程使用了以下两种 RCC:

(1)龄期为 180 d的 C16等级 RCC,胶凝材料(水泥和粉煤灰)用量为 91+91 kg/m3,额定最大骨料粒径 (NMSA)为 76.0mm,用于坝内。

(2)C20等级 RCC,胶凝材料用量为 98+98 kg/m3,NMSA为 38.0mm,用作 10 m厚的上游坝面。C16 RCC的龄期为 28 d时,绝热温升为21.8℃。

根据承包商进行的热分析,对于距坝基面0.2 L的强约束区来讲,大坝RCC的容许最高温度为 36℃,而对于距坝基面0.2～0.4 L的弱约束区来讲,则为41℃,其中,L为坝底长。

由于上述原因,致使 RCC坝施工的温控极其困难,因此,必须采取严格的温控措施,以避免混凝土开裂。经分析研究,决定采取前期冷却和后期冷却的综合性的冷却措施,包括:

(1)所有骨料都要通过 2个阶段的风冷,使其温度预先冷却到 10～13℃。

(2)用 6℃的冷水作拌和用水。

(3)在大坝 RCC内埋设后期冷却系统,以降低大坝蓄水前的最大温升和将大坝冷却到稳定的温度。因此规定,当使用后期冷却系统时,对于0.2L的强约束区,浇筑温度为 18℃,对于距坝基面0.2～0.4 L的弱约束区,则为 23℃。

在 RCC浇筑期间,可将管径为 32.0 mm的HDPE管作为埋设在 RCC坝内的冷却管。冷却管按间距1.5m埋设。约 10℃的水用作后期冷却。在完成 RCC浇筑24 h后,开始利用埋设冷却管内的循环冷水进行初始冷却,视 RCC的温度情况连续冷却 10～14 d。RCC与通过冷却管中的冷却水之间的温差不得超过 25℃,单管系统流量约为0.8 m3/h。每根管子都安装有控制阀,以调节水流速度,这样混凝土的温降就可控制在规定的范围内。可接受的温降速率为 24 h应不得超过1℃。水流方向每隔 12 h或 24 h应反转过来,以减少每层浇筑层冷却时的温度梯度。

必须指出的是,大坝施工采用了平层法和斜层法(SLM)。RCC浇筑层层厚为 30 cm,而采用 SLM的浇筑层层厚为1.5～4m。首次在斜层上安设冷却管就获得了成功。应该指出,在斜层上安装冷却管与在平层上安装是一样的,不会增加工作量。为了安装冷却管,应将整个施工区分成左右 2个单元,以避免施工受安装冷却管的干扰。图 1示出了水平层冷却管的典型布置。图 2是斜层冷却管典型布置的横断面。