草街航电枢纽工程厂房坝段的温控设计

2013-01-18龚少红

山西建筑 2013年27期

关键词：坝段温控厂房

王波龚少红

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 工程概况

草街航电枢纽工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯级开发的第二级，是以航运为主，兼顾发电，并具有拦沙减淤、改善灌溉条件等效益的水资源综合利用工程。枢纽工程坝址位于重庆合川市草街镇境内。

工程所在的嘉陵江流域位于我国季风区西部，属亚热带季风气候。气候特点是冬温、夏热、湿润多雨。多年平均气温18.2℃，极端最高气温42.1℃，极端最低气温-3.1℃。

枢纽建筑物从左至右由船闸、厂房、冲沙闸、泄洪闸及挡水坝段组成，坝顶高程221.50 m，坝顶全长677.37 m。厂房为河床式，内装4台轴流转浆式机组，单机容量125 MW。厂房采用一机一缝，机组间距34.5 m。4个机组段沿坝轴线方向长度分为41.63 m，34.48 m，34.48 m和34.48 m的坝段，顺水流方向宽度为87.87 m，厂房最大高度82 m，进水口底板部位混凝土厚度达15 m。基础置于弱风化的砂质粘土岩与砂岩上。

2 厂房坝段温控仿真计算分析

水工大体积混凝土的温控问题涉及设计、施工、试验、材料、气象等诸多因素。为确保工程质量及厂房坝段的安全，按照DL/T 5108-99混凝土重力坝设计规范，在技施阶段对大体积混凝土进行了温控设计，采用三维有限元法对厂房坝段整体的温度场及徐变温度应力进行仿真计算分析，提出混凝土温度控制的综合措施。具体的研究内容包括:

1)厂房稳定温度场分析;

2)厂房混凝土分层、分缝及分块方式研究;

3)通过三维有限元分析，提出约束区和非约束区底板混凝土允许基础温差、相应基础应力及安全系数值;

4)浇筑温度和降温措施分析:根据混凝土实验指标和水文气象资料，仿真模拟混凝土浇筑过程;通过三维有限元分析，提出约束区和非约束区混凝土逐月浇筑入仓温度、浇筑间隔时间、计算最高温度和温控措施(以加冰为主、水管冷却为辅);给出不采取降温措施时各部位逐月最高计算温度;提出混凝土温度控制的综合措施建议。

2.1 计算模型

有限元模型如图1所示。基岩模拟范围:建基面高程以下厚度约1.0倍厂房高，坝轴线上游侧顺河向范围约1.5倍厂房宽，下游侧顺河向范围约2倍厂房宽。

图1 厂房坝段计算模型（不含基础）

离散中采用空间8节点等参实体单元，整个计算域共离散为22 738个节点和18 290个单元，其中厂房13 305个节点、9 798个单元。

2.2 计算路线

1)首先计算厂房的稳定温度场，作为温控计算的依据，在此基础上根据有关规范和综合国内外经验，确定厂房底板及上部大体积混凝土的允许温差和允许最高温度以及施工期温度应力控制标准;

2)根据水文气象资料、大坝混凝土热学力学性能以及设计施工进度，参考国内外类似工程经验，初步拟定厂房混凝土的温控方案，包括入仓温度、浇筑层厚、间歇时间、通水冷却措施、表面保温措施、表面降温措施等，采用三维瞬态有限元法对厂房的温度场进行仿真计算分析，得出施工期的变化温度场结果，校核厂房的最高温度是否满足温控要求;

3)采用三维瞬态有限元法对厂房的温度徐变应力场进行仿真计算分析，得出施工期的温度应力结果，了解厂房的温度应力分布情况，校核厂房的最大拉应力是否满足温控要求;

4)根据温度及应力仿真成果，按照安全经济的原则，推荐一种可行的厂房温控方案。

2.3 推荐温控措施下的温度及应力场成果及分析

根据仿真计算成果，拟定推荐的温控方案为:高温季节浇筑混凝土时，只采用加冰混凝土浇筑。高温季节6月～8月的混凝土浇筑温度不超过22℃，其余季节的混凝土浇筑温度均采取自然入仓浇筑(考虑太阳辐射+2℃)。夏季避免高温时段10:00～16:00浇筑。该方案温度及应力成果见表1。

表1 推荐温控方案各工况仿真计算成果表

由表1可知，混凝土最高温度为45.43℃ ～34.04℃，内部最大应力为1.29 MPa～1.01 MPa，表面最大应力为1.83 MPa～1.17 MPa，应力值均小于其相应龄期的允许应力，满足要求。

2.4 主要的温控技术要求

1)浇筑分块。

厂房采用垂直施工缝错缝布置，错缝搭接长度为1 m，所有的垂直施工缝均设置键槽。混凝土分块长度13 m～26 m。

主机间坝段混凝土分块长度沿宽度方向分为左右2块，两块宽度分别为18 m，16.48 m;顺水流方向分为4个区(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各区长度分别为23.25 m，25.5 m，19.3 m，19.82 m。

安装间1号坝段混凝土分块长度沿宽度方向分为左右2块，两块宽度分别为20 m，14.48 m;顺水流方向分为4个区(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各区长度分别为 21.8 m，19 m，16 m，21.83 m。安装间2号坝段混凝土分块长度沿宽度方向分为左右2块，两块宽度分别为16.8 m，17.3 m～20.9 m;顺水流方向分为4个区(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ)，各区长度分别为21.8 m，19 m，24.33 m，13.5 m。

2)混凝土分层原则。

电站厂房混凝土根据受基础约束作用的强弱分为基础强约束区、基础弱约束区、基础非约束区。混凝土分层原则:强约束区为1.5 m，弱约束区为2 m，非约束区为2.5 m。

3)混凝土入仓温度。

混凝土入仓温度:6月～8月为19℃，9月为18℃，10月为15℃，其他季节自然入仓浇筑。

4)混凝土层间浇筑间歇时间。

混凝土应连续浇筑，控制层间间歇时间。层间浇筑间歇时间为3 d～10 d，根据不同浇筑部位和时间综合选定，详见表2。

表2 混凝土层间浇筑间歇时间

3 裂缝的成因分析及处理

1)裂缝的成因分析。

根据厂房坝段温控仿真计算分析可知，在采取一定的措施后，混凝土裂缝是可以控制的。但是在实际实施过程中，主机间二期机窝混凝土部位陆续出现了多条裂缝，其中部分为贯穿性裂缝。其中2号机二期机窝混凝土裂缝分布图如图2所示。经过综合分析，认为导致裂缝产生的原因有以下几点:

a.本工程采用水泥为普通硅酸盐水泥，而非一般坝体采用的中低热水泥，造成水化热大，绝热温升高，温度应力大，极易产生裂缝。

图2 2号机二期机窝混凝土裂缝分布图

b.现场施工机窝时局部采用了泵送商品混凝土，泵送混凝土为一级配且掺加了天然特细砂，且泵送混凝土的入仓温度不能达到温控要求，而降低混凝土入仓温度是较有利的温控措施;泵送混凝土水泥含量高，水化热与干缩变形均比常态混凝土高，不利于混凝土的抗裂。

c.厂房混凝土的骨料采用人工骨料。由于棒磨系统的管理运行不完善，导致人工砂的细度模数为3.3，较规范相比偏高。而且骨料的堆放不规范，基本上属于露天堆放，导致雨季时骨料的含水率及含泥量都严重超标。

d.根据现场实际情况，很多仓面由于存在模板堆放等现象或其他各种原因，导致没有覆盖保温被进行混凝土养护。如养护不及时或不到位，混凝土出现表面裂缝的几率较大。

e.混凝土层间间歇期为3 d～10 d，而实际施工层间间歇期过长，基本为15 d左右。下部已浇筑混凝土弹模已发展较大，处于老混凝土约束范围内的表面裂缝在内部混凝土降温过程中就可能发展为贯穿裂缝。

2)裂缝的处理。

危害性较大的裂缝尤其是贯穿性的裂缝，将会破坏建筑物的整体性，改变建筑物的受力状态，造成渗水、漏水、钢筋锈蚀，降低建筑物的耐久性，危害建筑物安全运行。因此，研究认为，若裂缝继续发展将对工程结构安全造成较大危害，必须进行处理，不留隐患。

a.裂缝类型的划分。

一类裂缝:表层裂缝，指深度在0.1 cm～20.0 cm之间的裂缝。二类裂缝:浅层裂缝，指深度在20.0 cm～40.0 cm之间的裂缝。三类裂缝:深层裂缝，指深度在40.0 cm～150.0 cm之间的裂缝。四类裂缝:贯穿裂缝，指深度大于150 cm的裂缝，以及混凝土结构被裂缝水平方向或竖直方向贯通的裂缝。

b.裂缝处理原则。

属于一类、二类裂缝，均骑裂缝凿10 cm×10 cm槽，将槽清洗干净后采用微膨胀混凝土封闭填槽，然后顺裂缝铺设限裂钢筋网，钢筋网采用Ⅱ级钢筋，主筋直径为32 mm，长256 cm，分布筋直径为22 mm，长度需根据裂缝的长度而定，钢筋间排距均为20 cm。

属于三类、四类裂缝，则需对裂缝进行化学灌浆，待灌浆质量检查合格后，仍需顺裂缝铺设限裂钢筋网，方式同一类、二类裂缝。

有抗冲耐磨要求的部位出现裂缝均进行化学灌浆处理。

c.化学灌浆材料。

灌浆材料主要选用潮湿型改性环氧树脂HK-G-2。该材料具有粘度低、渗透力强、固化产物收缩小、粘结强度高、放热低、使用期长等特点，适合在潮湿、有水环境的灌浆施工，既有堵水功能，又有补强效果。灌浆用材料主要指标:抗压强度:大于50 MPa(20 d);抗折强度:大于6 MPa(水中28 d);剪切强度:大于7 MPa。

d.化学灌浆施工。

化学灌浆工艺流程为:凿槽→探测裂缝深度、判别裂缝类型→布孔、钻孔→清孔→安装灌浆塞、填槽→连接灌浆泵→灌浆→灌浆效果检查→验收。

e.灌浆效果检查及验收。

灌浆结束后在孔距中间点进行灌浆效果检查。打1个～2个检查孔，观察取出的芯样被浆液充填情况，或进行压水试验，压水压力宜小于化学浆液的粘结强度。

从现场的处理效果看，对于表层裂缝，铺设限裂钢筋后，裂缝得到了有效的遏制。对于采用的化学灌浆处理的裂缝，取芯检验时，浆液较饱满。取两点做简易压水，满足要求。处理效果良好，保证了混凝土的整体受力。在大坝正常蓄水后，厂房满足了设计的各种工况运行正常。