青龙碾压混凝土双曲拱坝温控设计

周晓信（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

青龙碾压混凝土双曲拱坝温控设计

周晓信
（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

通过计算，对青龙碾压混凝土双曲拱坝温度及温度应力进行分析，并根据大坝的施工条件、坝体结构特点、实际施工进度，及大坝所在区域的气候特点，设置诱导缝，选用合适温控标准并制定较为适宜的温控措施。通过工程实际证明，温控效果良好。

青龙 碾压混凝土 双曲拱坝 温度控制 设计 措施

1 工程概述

青龙水电站位于湖北省恩施市，清江一级支流马尾沟。工程枢纽由碾压混凝土双曲拱坝、发电引水系统、调压井、岸边地面式厂房等建筑物组成。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，水平拱圈采用抛物线，坝顶高程737.7 m，河床建基面高程598.0 m，最大坝高139.7 m，顶拱最大中心角82.940°，顶拱弧长116 m，拱冠梁顶厚6 m，底厚23 m，厚高比为0.150 3，最大倒悬度0.125。大坝混凝土放量24万m3，其中常态混凝土4万m3，大坝40 m以下采用通仓浇筑，40 m以上设置2条诱导缝，坝体最大宽度58 m。

2 混凝土原材料及主要设计指标

2.1 主要原材料

水泥：采用强度等级为42.5的中热硅酸盐水泥，混凝土试验该水泥7 d水化热278（J/g）低于中热硅酸盐水泥标准高值（293 kJ/kg），3 d水化热238（J/g）低于中热硅酸盐水泥标准值（251 kJ/kg）。掺用0.5抗裂剂在同等条件下水化热峰值提早4 h，水化热7 d少10（J/g）。

粉煤灰：采用二级灰，碾压混凝土中粉煤灰掺量为55%。

骨料：采用灰岩加工的人工骨料，三级配碾压混凝土砂率为30%，二级配为34%，砂细度模数FM= 2.6，人工砂中石粉含量为20%。

外加剂：采用引气、减水、缓凝等复合型外加剂。

2.2 主要设计指标

大坝混凝土主要设计指标见表1。

表1 混凝土主要设计指标

3 温度控制标准

3.1 基础允许温差

青龙水电站大坝混凝土基础允许温差标准见表2和表3。

表2 基础允许温差标准 ℃

表3 青龙水电站碾压混凝土拱坝基础允许温差标准 ℃

我国碾压混凝土坝设计导则中按照碾压混凝土极限拉伸值0.7×10-4折算，考虑到工程碾压混凝土极限拉伸值设计要求取值≥0.9×10-4，试验极限拉伸值达到1.19×10-4（见表1），其设计值和试验值分别高于折算标准的28.6%和70%，碾压混凝土抗裂性能较好，本工程基础允许温差标准应适当提高。

3.2 上下层允许温差

当下层混凝土龄期超过28 d成为老混凝土时，应控制新老混凝土之间的温差。当连续上升且浇筑高度大于0.5 L（L为浇筑块长边尺寸）时，允许老混凝土面上下各L/4范围内上层混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差为（15～20）℃。

3.3 内外温差标准

当下层混凝土龄期超过28 d成为老混凝土时，应控制新老混凝土之间的温差。当连续上升且浇筑高度大于0.5 L（L为浇筑块长边尺寸）时，允许老混凝土面上下各L/4范围内上层混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差为20℃。

3.4 设计允许最高温度

坝体基础约束区的允许最高温度为坝体的允许基础温差与稳定温度之和，坝体脱离约束区的允许最高温度可取为上下层温差、内外温差与坝体的稳定温度之和的小值。青龙水电站坝体设计允许最高温度见表4。

表4 坝体设计允许最高温度 ℃

对于老混凝土约束区和陡坡、填塘部位，可参照上述基础约束区混凝土的标准或适当加严执行。

3.5 施工期混凝土温度应力控制标准

根据青龙拱坝的施工进度计划，大坝混凝土全部浇筑和灌浆工程完成以后，在第4年4月开始蓄水，采用了诱导缝的结构分缝形式，坝体通仓碾压浇筑，因此在施工期大坝蓄水以前，大坝同时承受自重和温度荷载的作用。目前 《混凝土拱坝设计规范》（SD 145-85以及SL 282-2003）以及碾压混凝土坝设计规范（SL 314-2004）只规定了施工期采用柱状法浇筑的混凝土浇筑块的水平向徐变温度应力。其应力控制标准：

式中 σ——各种温差所产生的温度应力之和（MPa）；

εp——混凝土极限拉伸值；

EC——混凝土弹性模量（MPa）；

Kf——安全系数，一般采用1.3～1.8。

在温度荷载的基础上叠加自重的作用后，其顺河向正应力与单独考虑温度荷载作用的顺河向正应力差别很小。因此，在大坝蓄水以前，拟定青龙拱坝在自重和温度荷载共同作用下的混凝土拉应力控制标准仍然按照式（1）确定，安全系数采用1.5，列出常态混凝土28 d、碾压混凝土极限拉伸90 d以内龄期的弹性模量以及相应的极限拉伸值，可计算出大坝混凝土的允许拉应力（表5）。

表5 施工期坝体混凝土应力控制标准

4 温度控制措施

在制定青龙拱坝温控措施前，对施工期最高温度和温度应力进行了仿真分析，以拱冠梁剖面为例，坝体施工期的最高温度30℃左右，坝体有两个高温区，坝体高温区发生在（625～640）m和（720～737）m附近；施工期温度应力：上下游坝面的最大拉应力均控制在1.58 MPa左右，该值小于规范允许的拉应力值1.8 MPa，见附图。

附图 下游坝面施工期温度应力包络图（拉应力为+）

4.1 设置诱导缝

通过计算，首先研究大坝整体不分缝的情况，了解最大拉应力产生的部位和时间，初步判断提出缝的类型以及位置的合理性；研究大坝从施工期到运行期的温度徐变应力，在应力不能满足抗裂要求的部位，通过调整诱导缝的设置形式，进一步削弱缝位上混凝土的强度，使得坝体混凝土的应力得以重新分布；如果调整缝的削弱程度和缝的位置还不能满足混凝土的防裂要求，则增加诱导缝的条数，根据实际的浇筑施工进度，（630～650）m为高温季节浇筑的混凝土，在拟定的温控措施方案下，冬季低温气候时该部位会产生较其它高程部位更大的拉应力，综合施工和结构两个方面考虑，从640m高程开始设置诱导缝，诱导缝为不完全切断坝体的双向间断缝，在坝体中形成软弱结构面以诱导温度缝在预计部位产生。

4.2 控制浇筑温度、优化配合比、骨料预冷

5～10月混凝土浇筑温度控制在24℃以下，其它月份按自然入仓控制浇筑温度。优化混凝土配合比，采用具有高掺粉煤灰的碾压混凝土，降低水化热的绝热温升。进行混凝土施工配合比设计和优化，改善混凝土的和易性及其他特性。在满足设计各项技术指标的前提下，尽可能减少水泥用量；降低混凝土原材料入机温度，水泥、粉煤灰等掺合料提前组织进场；人工砂堆场搭设避雨、遮阳棚，高温季节对粗骨料采取可行的遮阳措施，顶部喷冷水雾降温；增加骨料堆高，5～10月浇筑的碾压混凝土要求骨料堆高不低于6 m，砂子和粗骨料均采取地垄取料，降低骨料入机温度。在入拌料斗的皮带机上搭建遮阳棚；加强施工组织设计，混凝土水平和垂直运输达到一体化；降低混凝土温度的回灌，缩短混凝土出机到碾压的时间。混凝土尽量利用早晚和夜间浇筑，避免中午高温时段浇筑。

4.3 合理的浇筑分层、层间间歇及流水养护

合理的浇筑分层既能保证混凝土建筑施工进度，又可以充分利用层面散发水化热。青龙拱坝碾压混凝土每间歇层浇筑高度3 m，每一碾压层厚30 cm，层间作业时间不易大于（6～8）h，且碾压混凝土从拌和至碾压完毕，一般在2 h之内完成，每间歇层间歇时间控制7～10 d内。实施仓内喷雾，营造仓内小气候，5～10月浇筑的碾压混凝土（或者浇筑时平均气温高于25℃时），仓面需喷雾形成小气候，降低仓面温度，防止混凝土浇筑过程中的表面干裂和温度回升，要求喷面喷雾雨量强度每6 min小于0.3 mm。大坝碾压混凝土采用“斜层浇筑”工艺进行施工。采用斜层施工工艺，相对通仓浇筑的施工工艺，具有仓面面积小、每层混凝土的覆盖时间短的特点，大大减少了混凝土在仓面的温度回升。若是平行坝轴线向前推进，对斜层坡脚的处理必须十分慎重，要求在碾压过程中防止大骨料分离，并且每个条带的底部必须错开，防止形成一条自上而下的通道。

在混凝土浇筑完毕后应及时养护，使混凝土表面及侧面经常保持湿润状态，混凝土终凝后实行流水养护。混凝土连续养护时间不少于28 d。

4.4 预埋冷却水管、通水冷却

青龙拱坝▽624 m高程以上均埋设冷却水管，▽624 m～▽660 m高层冷却水管间排距取1.5 m×1 m（竖向×水平），▽660 m高层以上冷却水管间排距取1.5 m×1.5m，材料特性如下：管外径=32 mm，管内径=28 mm，导热系数≥0.45 W/m·℃，拉伸屈服应力≥20 MPa，纵向尺寸收缩率≤3%。通水冷却分三期：初期通水在混凝土浇筑收仓后即开始通水，强约束区4～10月、弱约束区5～9月通10℃制冷水，控制水温与混凝土温差≤20℃，通水时间20 d。二期通水安排在初期通水之后，入冬之前，初拟通河水40 d，具体通水时间根据坝体温度情况调整；三期通水在封拱接缝灌浆前，初拟通河水30 d，具体通水时间根据温度观测情况调整。冷却水管通水流量应不小于20 L/min。

4.5 混凝土表面保护

青龙拱坝上、下游面及侧面等长期暴露面，10月～次年4月浇筑的混凝土拆模后即设永久保温层，当遇气温骤降时，应推迟拆模时间；5～9月浇筑的混凝土在10月初设永久保温层，保温后混凝土表面等效放热系数β≤2.0 W/m2·℃；每年入秋前，应将孔洞进出口进行封堵。保温材料建议采用泡沫卷材或聚丙板，混凝土侧面和平面覆盖厚度要求不小于1.5 cm，孔口封堵厚度要求不小于2.3 cm。

5 结 语

青龙拱坝温度控制设计经过严谨的计算分析，确定了混凝土允许最高温度、上下层温差及内外温差等温度控制标准，同时采用控制浇筑温度、合理的分缝、层间间歇及通水冷却等有效的温控措施，对控制和抑制混凝土裂缝的产生起到了至关重要的作用。实际证明，设计选用的温控标准及采用的温控措施是切实有效的，在整个青龙拱坝施工期，未发生危害性裂缝。

2016-05-24）

周晓信（1969-），男，岳阳临湘人，大学本科，高级工程师，目前从事水利施工管理工作。