四川省某水电站导流明渠导墙混凝土温控设计及防裂研究

黄 勇，雷运华，王小波，王卫喜

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都610072;3.河北省大清河管理处，河北保定071051)

1 工程概况

四川省某水电站工程枢纽建筑物从左到右由左岸挡水坝、河床式厂房坝段、4孔泄洪闸坝段、导墙坝段、与导流明渠结合3孔泄洪闸坝段和右岸挡水坝等建筑物组成。坝顶总长440.43 m，最大坝高71.3 m，总装机容量4×150 MW，水库正常蓄水位1015.00 m，水库总库容9 120万m3，是以发电为主的水电枢纽工程。

导流明渠布置在右岸滩地上，结合水工右岸3孔泄洪闸的布置，导流明渠渠身段底宽63.8 m，明渠中心线混凝土底板长609.773 m;明渠进口底板高程为982.00 m，明渠出口高程在桩号0+180 m处由982.00 m以1∶10反坡至986.00 m高程。明渠桩号0+000～0+060 m段为永久闸室段，桩号0+060～0+340.498 m段为闸室下游护坦区，桩号0+340.498 m下游段为明渠出口及右岸边坡防护区。

明渠桩号0+000 m左导墙墙顶高程为1 014.00 m，明渠导墙末端高程为1 004.00m，导墙顶高程1 014.00 m～1 004.00m以8%的坡比连接，明渠左导墙长544.364 m。

2 施工期温度徐变应力仿真分析

2.1 边界条件和计算模型

导流明渠左导墙沿水流方向取20 m长度建模计算，左导墙最宽10.2 m，高32.0 m，左底板宽39.0 m，厚8.0 m;基岩上下游和左右岸方向按绝热处理，基岩底面为地温边界，导流明渠上下游方向边界条件为绝热;基岩底面加全约束，基岩其余四面加垂直约束，其余为自由面，有限元模型见图1。

2.2 计算工况

左导墙底板974～982 m高程的C20混凝土2010年2月14日开浇，墙体982～1 014 m的C25混凝土11月开浇。C20混凝土采用浇筑厚度1.5 m，上下层间歇期5 d的方案;C25混凝土采用浇筑厚度3 m，上下层间歇期7 d。

2.3 计算条件

推荐温控措施:混凝土浇筑温度为20℃(月均气温低于18℃采取自然入仓)、采取通河水15 d，水管采用1.5 m×1.5 m的布置方式，冷却水流量Q为32.0 L/min，不考虑过水。

2.4 计算结果

计算过程见图2～图9。

图1 导流明渠左导墙计算模型

图2 输出点位置图

图3 推荐温控措施下A点温度与应力点过程线图

图4 推荐温控措施下B点温度与应力点过程线图

图5 推荐温控措施下c点温度与应力点过程线图

图6 推荐温控措施下D点温度与应力点过程线图

图7 推荐温控措施下最大温度包络云图

图8 推荐温控措施下左右岸方向最大应力包络云图

图9 推荐温控措施下顺水流方向最大应力包络云图

从图2～图9可以看出:

1)左右岸及顺水流方向最大应力基本上都满足容许应力标准。底板979 m高程处和墙的中下部的温度较大。底板应力偏大，墙相对较小。底板右侧979 m处的左右岸和顺水流应力都较大，底板左侧靠近外表面处的顺流向应力最大。

2)由于明渠左导墙在冬季施工，施工期的温度和应力都比较小。施工期结束后，明渠在冬季拉应力明显增大，C20混凝土的靠表面处的顺水流方向应力最大为2.0 MPa，需要注意混凝土表面的保护与养护，防止表面裂缝的产生。

3)从温度与应力点过程线中看出:A点处混凝土浇筑第6天达到最高温37℃，1个月后内部点的温度基本接近气温。顺水流应力最大点A在墙和右侧基岩约束之间，2个方向应力差别不大，与气温变化趋势相反，在冬季达到最大值2.34 MPa。

4)从温度和应力包络云图可以看出:底板中部最高温度偏大，最大值为37.23°，墙的中部偏下温度较高。底板右侧中部混凝土和底板左下部靠近外表面处的顺河向应力最大，底板中部靠近上表面处的左右岸应力最大，最大值是2.29 MPa。

5)左右岸与顺水流最大应力都发生在夏季浇筑的C20混凝土靠近表面处，高程为979 m，发生时间在2011年3月20日。因此需要注意表层的保护与养护，防止冬季受气温影响而导致表面裂缝的产生。

3 导流明渠温控标准、温控措施及主要技术要求

3.1 温度控制标准

根据导流明渠左导墙的三维温度及应力仿真计算成果，在保证各个工况的抗裂安全系数＞1.65的前提下，制定了如下温控标准:

3.1.1 基础温差

依据规范，并考虑三维有限元计算成果，分析拟定混凝土基础允许温差见表1。

表1 明渠左导墙混凝土允许基础温差

3.1.2 内外温差标准

为了防止明渠内外温差过大引起混凝土表面产生裂缝，施工中坝体内外温差要求控制在18℃。

3.1.3 上下层温差标准

根据上下层温差应力分析结果，基础约束区长间歇老混凝土上新浇混凝土，按基础强约束区考虑。

自由区范围内，在间歇期超过28 d的老混凝土面上继续浇筑混凝土时，当上层短间歇均匀上升的高度＞0.5块长时，上下层温差22℃;当上层混凝土上升的高度＜0.5块长时，按基础强约束区考虑。

3.1.4 最高温度控制

考虑允许基础温差、内外温差，并考虑三维有限元计算成果，综合考虑拟定允许最高温度见表2。

表2 左导墙混凝土允许最高温度 ℃

3.1.5 表面保护标准

气温骤降来临之前，对龄期未满28 d的混凝土可采用β≤10.5 kJ/m2·h·℃的保温材料进行全面保护(侧面和表面)，并对棱角部位采取加强措施。

日平均气温低于3℃或最低气温低于－3℃时，对龄期未满28 d的混凝土进行保温。对高温季节浇筑的混凝土进入低温季节之前进行表面保护。

3.2 温度控制措施

3.2.1 浇筑分层与间歇期

底板混凝土浇筑层厚1.5 m，边墙混凝土浇筑层厚3.0 m，最小间歇期5～7 d，最大层间歇期≤21 d。

3.2.2 出机口温度

1)明渠左导墙混凝土出机口温度≤15℃，具体参见表3。

2)要求对混凝土骨料采用风冷等措施进行预冷，并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出机口温度。明渠混凝土11～2月自然拌和、自然浇筑、其它季节出机口≤15℃。

3.2.3 浇筑温度

1)要求高温季节控制混凝土从出机口至上层混凝土覆盖前的温度回升值≤4℃，浇筑温度控制值见表4。

2)高温季节，尽量避免高温时段浇筑混凝土，应充分利用早晚及夜间气温低的时段浇筑。

3)当浇筑仓内气温＞25℃时，可进行仓面喷雾，上层混凝土浇筑准备工作开始，以降低仓面环境温度。喷雾时水分不应过量，要求雾滴直径达到40～80 μm，以防止混凝土表面泛出水泥浆液。

表3 左导墙混凝土出机口温度 ℃

表4 左导墙混凝土浇筑温度 ℃

3.2.4 通水冷却

1)对于左导墙需布置冷却水管，冷却水管布置1.5 m×1.5 m(水平×垂直)的水管间距。

2)冷却水管支管采用蛇形布置，单根蛇形支管的长度≤300 m，当同一仓面需要布置多条蛇形支管时，各蛇形支管长度应基本相当。

3)冷却水管距上、下游面的距离一般要求为0.8～1.5 m，局部≥0.5～1.0 m;冷却水管距横缝面的距离一般要求为0.8 m;冷却水管距廊道、孔口等内壁面的距离≥0.5 m。

4)混凝土下料浇筑即可开始一期通水冷却。高温季(3～10月)一期通水采用通12℃制冷水，通水21 d;11～2月采用通天然河水，冷却水流量1.2～2.0 m3/h，通水21 d;上、下游段布置冷却水管的部位通河水15 d，同时要求降温阶段最大日降温速率≤0.5℃/d。

3.2.5 表面保护和养护

1)3～10月，新浇混凝土层面应采用湿养护法进行＞28 d的养护，对于侧面，保持持续湿润，养护从混凝土终凝后即开始洒水养护，养护应全面且不间断的进行，避免干湿交替。对于底板混凝土浇筑层上表面，混凝土终凝后采用蓄水流水养护散热，其它部位混凝土浇筑层上表面采用洒水保湿养护，直到上一层混凝土开始浇筑。

2)低温季节(11～2月)浇筑的混凝土，每层混凝土浇筑结束后，在其上表面采用1层3 cm厚聚苯乙烯泡沫塑料板压紧覆盖。

3)气温骤降期间应暂停湿养护，对龄期未满28 d的混凝土采用3 cm厚聚苯乙塑料泡沫材料进行全面保护，并对棱角部位采取加强措施。

4)冬季浇筑的混凝土应适当推迟拆模时间，气温骤降期间不允许拆模。

3.3 温度监测要求

3.3.1 混凝土浇筑温度测量要求

1)混凝土浇筑温度测量宜采用简易方法测量。

2)混凝土浇筑温度每100 m2仓面面积应不少于1个测点，每一浇筑层应≥3个测点。测点应均匀分布在浇筑坯层面上，测点深度为10 cm。

3.3.2 混凝土内部温度测量要求

1)温度测量仪器宜采用铜电阻温度计。底板每一浇筑层内部温度计埋设密度应≥1支/300 m2(含永久监测温度计)，且最少≥1支。边墙部位每1浇筑层内部温度计埋设≥1支。

2)测点布置应考虑浇筑块温度分布状况，特别是水平方向和垂直方向温度梯度的测量。

3.3.3 混凝土内部温度取值要求

1)按浇筑分层进行混凝土温度成果计算，同一类的测量成果应进行平均处理，同一类测量成果多个测量成果之间差异较大时，应对测量成果进行分析评价，经监理和设计确认后方可使用。

2)施工期历时温度以埋入式仪器(铜电阻温度计或其他仪器)测量成果为主，取值以测量成果进行加权平均计算得到。

3.3.4 温度观测要求

1)在混凝土浇筑过程中，1次/4h测量混凝土的原材料温度、出机口温度、浇筑温度、冷却水进出口温度、压力、流量、外界气温和仓内气温，并做好记录。

2)施工过程中应每天观测表面最高温度和最低温度，气温骤降和寒潮期间，应增加温度观测次数。

3)混凝土浇筑时即开始内部温度测量，温度测量间隔要求:内部温度测量间隔时间一般应≤12 h;新浇混凝土在一期冷却阶段(龄期约在5 d内)，温度测量间隔时间应≤4 h。

4)闷水测温。在二期通水冷却之前应进行一次闷水测温，根据测温结果估算二期通水冷却时间。二期通水冷却到估算时间后，进行闷水测温，以检验是否达到灌浆温度。如混凝土温度高于灌浆温度，需继续通水冷却。

同一区域，冷却参数相同的浇筑层，至少有3～4个浇筑层同时进行闷水测温。闷水测温必须用压缩空气将管内积水缓慢吹出，不能用江水或制冷水赶水。用水桶盛水测温，选定层的每根水管单独测量，每根水管的水温取多桶水温的平均值作为测量结果。不同间距水管的参考闷温时间见表5。

表5 闷温时间参考表

5)对所有温度计测量结果应做好记录，形成关于最低温度、最高温度、平均温度的历时记录，其中平均温度成果用于评价施工是否满足温度控制相关要求。

6)承包人应即时向监理人提交温度测量报告，纳入温度控制施工周报，内容包括(但不限于):混凝土浇筑温度，混凝土内部温度，每条冷却水管的冷却水流量、流向、压力、入口温度和出口温度，要求反映温度历时变化过程。

7)施工过程中，承包人应根据温度测量结果进行趋势预测，对可能超出温控标准的情况应及时制定并实施预防措施。一旦发现超出温控标准的情况，要及时报告给监理人。

4 存在问题及建议

1)由前述计算分析可知，明渠在汛期过水时，在目前的制冷系统所能提供的温控措施下，最高温度超出了允许最高温度，最大温度应力亦超过了允许拉应力，存在一定的开裂风险。

2)建议明渠汛期过水前，除通水降温外，过水前10 d用河水养护，养护水深≥20 cm。

3)若混凝土设计龄期由28 d调到90 d，相当于混凝土等级降低了部分。根据结合段复核计算分析结果来看，与28 d设计龄期相比，最高温度和温度应力均基本相当，但混凝土对应龄期抗拉强度较28 d设计龄期低，抗裂能力有一定降低。目前90 d龄期热力学参数为推算值，有待试验参数全部出来后进一步复核。

［1］江苏省水利勘测设计研究院.SL379－2009水工挡土墙设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2007.