天花板碾压混凝土双曲拱坝温控设计

林健勇，王毅鸣，李贺林，周飞平

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站为三等中型工程，拦河坝及泄洪建筑物等主要建筑物为3级建筑物。拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高107.0 m，坝轴线长159.87 m，坝体混凝土浇筑总量约27.3万m3，其中碾压混凝土约20.2万m3，强度等级为C18020；常态混凝土约7.1万m3，强度等级为C2825；局部高强耐磨常态混凝土强度等级为C9040。

拱坝坝体结构较复杂，正对主河床的坝体中部相间布置有3个泄洪表孔和2个泄洪中孔，溢流前沿总宽67.5 m，表孔堰顶高程1 062.5 m，孔口静宽10 m；中孔进口高程1 020.00 m，孔口尺寸5 m×6.5 m （宽×高）。此外，为保证电站进水口 “门前清”，在坝身还设置了冲沙孔。

坝体共设置两条诱导缝；在979～1 027 m高程之间，距离泄洪中心线3 m处，设置了一条平行于泄洪中心线的横缝。

大坝于2009年4月18日开始浇筑，碾压混凝土施工于2010年6月7日完成， 2010年12月完成坝体施工，电站于2011年2月27日并网发电。

2 水文气象资料

牛栏江流域属暖温带高原季风气候，年温差大、日温差小，干湿季节明显，径流主要由大气降水补给为主。鲁甸气象站是与天花板水电站最临近的气象站，海拔约1 945 m，鲁甸气象站的多年平均相对湿度为76%，最小相对湿度为0；多年平均气温12.1℃，极端最高气温33.0℃，极端最低气温-11.5℃。天花板水电站坝址区海拔约1 000 m，坝址区采用的气象资料由鲁甸气象站资料根据两地高程差别推算得到。

坝址区各月平均气温及水温见表1。坝址多年平均气温17.2℃，月平均气温以7月份最高，为25.1℃，以1月份最低，为7.8℃。

表1 坝址区各月平均气温及水温

3 混凝土和基岩的设计参数

混凝土原材料为：①水泥采用昭通华新水泥股份有限公司生产的 “保垒牌”42.5普通硅酸盐水泥。②粉煤灰采用宣威发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。③砂石骨料选用人工骨料，岩性为白云岩。④减水剂选用江苏博特新材料有限公司生产的JM-II和山西桑穆斯UNF-3C缓凝减水剂，引气剂选用江苏博特生产的GYQ和山西桑穆斯AE引气剂。

碾压混凝土力学参数见表2，材料的热学参数见表3。基岩变形模量：Ⅱ类岩体11～12 GPa；Ⅲ1类岩体 8～10 GPa； Ⅲ2类岩体 5～8 GPa。

表2 碾压混凝土参数

表3 材料的热学参数

4 坝体混凝土施工仿真计算

天花板拱坝温控设计采用SAPTIS、WKFLRJB有限元仿真计算软件，考虑外界气温和水温随时间的变化，模拟坝体混凝土分层浇筑方式、入仓温度、浇筑厚度、施工间歇等施工参数，考虑混凝土水化热、弹性模量、自生体积变形及徐变等性能参数随时间的变化，对坝体温度场及应力进行仿真计算。

4.1 施工进度

坝体垫层施工于2009年4月18日开始，5月7日施工至979 m高程后因坝基固结灌浆而暂停浇筑。2009年6月1日开始继续浇筑并连续上升至坝顶高程。其中，碾压混凝土施工于2010年6月7日结束，常态混凝土于2010年10月施工至坝顶高程。

4.2 仿真计算成果及分析

（1）对于天花板碾压混凝土拱坝而言，由于坝体体形结构复杂，河道底部较宽，河道相对较狭窄，坝体受基础岩体和两侧坝肩约束作用较强，中间设3个表孔和2个中孔，施工期温度应力非常突出。采取简单的温控措施难以满足大坝混凝土施工期和运行期温控防裂要求。

（2）从仿真计算结果来看，该工程开裂风险较大的区域主要位于基础约束区，以及夏季浇筑的大坝上下游表面区域。基础约束区表面应力主要是内外温差、年变化温差以及基础的强约束作用所致；而上下游表面应力则主要是内外温差和年变化温差所致，施工期防裂应着重关注这些区域。

（3）由于基础约束区在高温季节浇筑，无论是温度还是应力都明显较大。如施工过程中不采取任何措施，则坝体应力水平较高，超过混凝土抗拉强度。故在结构布置方面，除在坝体两侧靠坝肩处设置两条诱导缝外，对高温季节浇筑的979～1 027 m高程局部应设置横缝；温控措施方面，除一期冷却外，对高温季节浇筑的混凝土还应采用制冷水或低温河水进行中期冷却及二期冷却；应尽可能地降低浇筑温度，进行流水养护及冬季保温。

（4）在采用有效温控措施的前提下，大坝基础区内、外表面，非约束区内外表面温度和应力均可控制在一定的范围内。

4.3 温控标准

温控标准为：混凝土内外温差应小于20℃；上下层容许温差应不大于15℃；基础允许温差标准见表4；容许最高温度见表5。

坝体碾压混凝土除12月～2月考虑自然浇筑外，其他各月应采取可能的手段，尽可能地降低浇筑温度。在高温季节施工时，尽可能将浇筑温度控制在24℃以下。

表4 碾压混凝土基础容许温差 ℃

表5 坝体混凝土容许最高温度 ℃

5 主要温控措施

（1）优化混凝土施工配合比，尽可能地降低混凝土中水泥用量，以降低水化热温升。

（2）避免高温时段施工或混凝土直接暴晒于阳光下，以减少混凝土温度回升。宜利用春秋冬季适宜温度安排高强度混凝土浇筑施工。

（3）应增加骨料堆料高度 （不应低于6 m），用地垄取料，并且应搭设凉棚以降低骨料温度。

（4）控制混凝土细骨料的含水率。

（5）混凝土降温措施以坝体内预埋冷却水管通水冷却为主。一期、中期、二期冷却通水技术方案宜贯彻早通水、调整水温、加大流量，二期降温要慢等要点。

（6）979～1 000 m高程范围为高温季节浇筑的强约束区混凝土，此范围内混凝土应采用制冷水进行冷却，尽可能削减温度峰值，温度峰值过后即可采用河水冷却，入冬前逐步冷却至20℃以下。

（7）除冬季外，施工期均应做好仓面喷雾、流水或洒水养护，降低环境温度，使仓面始终保持湿润。这是确保大坝安全入冬非常关键的温控措施。此外，采用表面保温等措施，作为冬季的辅助温控手段。

（8）冬季浇筑坝体时，可在混凝土中加早强剂；混凝土浇筑完毕以后，对外露表面应及时保温，易受冻的棱角和突出部位应加强保温。

（9）入冬前考虑用渣土填满坝前基坑。

6 结语

天花板拱坝坝体体形结构较复杂，河道底部较宽，坝体受基础岩体和两侧坝肩约束作用较强，强约束区混凝土为高温季节浇筑，施工期温度应力非常突出。结合施工现场可行的温控手段，确定了以坝体内预埋冷却水管、通水冷却为重点，其余措施为辅的坝体温控原则，通过仿真分析计算提出了温控的重点部位及其对应的温控措施，有针对性地指导了施工。