溪洛渡水电站岩锚梁混凝土浇筑温控研究

2017-12-01赵群章王树平

水电站设计 2017年4期

关键词：溪洛渡温控中央

李扬，赵群章，王树平，侯攀

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

溪洛渡水电站岩锚梁混凝土浇筑温控研究

李扬，赵群章，王树平，侯攀

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

我国已经完工的岩锚梁，绝大多数的梁体均出现不同程度的垂直于梁长方面的横向裂缝。岩锚梁裂缝产生的原因有多种，温度裂缝是梁体混凝土热量散失引起的冷缩变形和内外约束条件共同作用的结果，这种裂缝的特征是有序分段开裂，呈“八”字形，远离岩台面一侧较宽，另外洞室开挖后地质构造产生不均匀变形也是产生梁体裂缝的一个十分重要的原因，爆破震动对梁体裂缝的形成也是不可忽视的因素。由于裂缝对梁体的耐久性是有影响的，溪洛渡水电站地下厂房岩锚梁浇筑效果好，未产生明显裂缝，本文主要介绍岩锚梁混凝土浇筑温控方面所做的研究工作以及采取的相应温控措施，为同类工程提供参考借鉴。

岩锚梁；通水冷却；浇注温度；温升；温降

1 工程概况

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江溪洛渡峡谷，距下游宜宾市河道里程184 km，是金沙江下游河段梯级开发规划的第三个梯级，是一座以发电为主，兼有拦沙、防洪和改善下游航运等综合利用效益的巨型水电工程，发电厂房为地下式，两岸各9台机组基本对称布置，单机容量770 MW，总装机容量13 860 MW。溪洛渡左右岸地下厂房埋深均超过340 m以上，开挖尺寸分别为439.74 m(左岸)×31.9 m×75.6 m(长×宽×高)、443.34 m(右岸)×31.9 m×75.6 m(长×宽×高)，厂房内安装2台10 000 kN单小车桥式起重机，最大轮压1 100 kN。地下厂房围岩为玄武岩，岩性坚硬，围岩分类以Ⅱ类、Ⅲ1类为主，部分Ⅲ2类。主厂房吊车梁采用岩锚梁结构型式，岩锚梁的典型断面见图1。

2 岩锚梁混凝土浇筑温控研究

2.1 边界条件

(1)洞室内的环境温度、水温、地温等；

(2)混凝土浇筑温度、水管冷却措施及通水参数、施工养护措施、表面保护措施等；

(3)混凝土热学性能，包括导温系数、导热系数、比热、线膨胀系数、绝热温升等；

(4)混凝土弹性模量、水胶比、极限拉伸等参数；

图1 岩锚梁典型断面示意

(5)周边围岩的比热、导热系数、线膨胀系数等；

(6)通水冷却参数包括水管的材料、导热系数、壁厚、长度、间距等；

(7)冷却水参数包括初温、流量、通水时长等。

2.2 典型工况

(1)夏季施工基本工况。工况条件：7月1日开始浇筑，混凝土浇筑温度为27 ℃，采用分段跳仓、分层浇筑，人工平仓振捣，岩锚梁混凝土为28天二级配C30混凝土，浇筑方式采用以布料机为主要入仓手段，泵送混凝土作为备用，两种混凝土入仓方式塌落度分别按7～9 cm和14～16 cm控制，开浇后14天拆模，浇筑混凝土表面洒水养护28天。

(2)夏季施工通水冷却工况。工况条件：通17 ℃水，采用一期通水冷却，即是在混凝土刚浇完时就开始进行通水，冷却时间为15天。水管具体参数见表1，其他参数与基本工况相同，图2为通水冷却水管平面布置。

表1 通水冷却水管参数

图2 通水冷却水管平面布置示意

(3)夏季施工降低浇筑温度。工况条件：降低浇筑温度至18 ℃，其余条件及参数与基本工况相同。

2.3 有限元计算分析模型

(1)荷载。岩锚梁混凝土在施工中所受荷载主要为温度荷载、自重以及混凝土徐变变形产生的载荷，自重按施工浇筑过程分层施加，不考虑围岩自重和徐变。

(2)计算对象和网格划分。由于岩锚梁的长度大部分都在8～10 m，因此计算结构段选取具有代表性的10.0 m的结构段，混凝土浇筑分层、代表点位置及三维有限元网格划分见图3～5。

图3 混凝土浇筑分层

图4 代表点位置示意

图5 三维有限元网格划分

2.4 温度场计算

计算结果表明，从开浇时起，岩锚梁混凝土温度场一般经历了水化热温升、温降、随环境气温周期变化三个阶段。表2为各工况最高温度及最大内表温差。

表2 各工况最高温度及最大内表温差

(1)夏季施工基本工况的计算分析表明，岩锚梁混凝土浇筑温度为27 ℃，只采用洒水养护时，开浇后4天左右，岩锚梁中央出现最高温度49.60 ℃，最大温升22.60 ℃，岩锚梁中央与表面最大同步温差为11.21 ℃。约20天后，由于水化热绝大部分已释放出来，整个岩锚梁温度场开始比较均匀下降。图6为中央代表点夏季施工基本工况60天温度历时曲线。

图6 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工基本工况60天温度历时曲线

(2)夏季施工通水冷却工况的计算分析表明，冷却水17 ℃时,岩锚梁各部位的最高温度较没有采用水管冷却的基本工况均下降6 ℃左右，开浇后4天左右，中央断面的最高温度为43.01 ℃，各代表部位的内表同步温差相应的减小4 ℃左右，为7.33 ℃。因此，通水冷却可以有效降低岩锚梁混凝土的最高温度和内表温差。图7为中央代表点夏季施工通水冷却工况60天温度历时曲线。

(3)夏季施工降低浇筑温度工况的计算分析表明，第5天出现了最高峰值41.66 ℃。与基本工况和通水冷却相比，最高温度分别降低了7.95 ℃和1.35 ℃。最大内表温差值为7.04 ℃。

因此，通过降低浇筑温度也可以有效降低岩锚梁的最高温度和内表温差，而且将浇筑温度降至18 ℃(降低9 ℃)，比采用通水冷却(水温17 ℃，比气温低10 ℃)的效果还要略好。图8为中央代表点夏季施工降低浇筑温度工况60天温度历时曲线。

图7 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工通水冷却工况60天温度历时曲线

图8 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工降低浇筑温度60天温度历时曲线

2.5 应力场计算

根据计算分析，各部位的温度应力一般经历了压应力增长、压应力减小、产生拉应力、拉应力缓慢增长、拉应力快速增长并达到最大值、拉应力再减小、而后进入随气温周期性变化这样一个过程。

(1)夏季施工基本工况的计算分析表明，岩锚梁中央断面中央部位温升幅度最大，沿洞轴向发生较大的膨胀形变，在温降阶段，由于岩锚梁体积较大，中心部位温度仍然较高，而表面温度逐渐降到与空气温度相同，以至于在混凝土浇筑初期(第7天)便产生了该部位的最大拉应力，达2.45 MPa，抗裂安全系数0.816，小于1.0，即产生了早期裂缝。图9为中央代表点夏季施工基本工况主应力变化曲线。

(2)夏季施工通水冷却工况的计算分析表明，由于采用通水冷却，使得同步温差也降低，相应的温度应力也降低，早期最大主拉应力为1.55 MPa(第7天)，最小抗裂安全系数为1.29，即不会产生裂缝。图10为中央代表点夏季施工通水冷却工况主应力变化曲线。

(3)夏季施工降低浇筑温度工况的计算分析表明，在降低混凝土温度的情况下，由于最高温度也随之降低，而且外部的气温也较高，从而在早期产生的主拉应力就较低，在第7天达到最大，其拉应力值为1.36MPa(第7天)，最小抗裂安全系数为1.47，即不会产生裂缝。图11为中央代表点夏季施工降低浇筑温度工况主应力变化曲线。

图9 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工基本工况主应力历时曲线

图10 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工通水冷却工况主应力历时曲线

图11 岩锚梁中央断面中央代表点夏季施工降低浇筑温度工况主应力历时曲线

2.6 计算成果分析

(1) 基本工况的计算分析表明，岩锚梁混凝土浇筑温度为27 ℃，只采用洒水养护时，岩锚梁在早期的抗裂安全系数小于1.0，在早期是有可能产生表面裂缝,甚至发展至一定的深度。

(2)通水冷却可以降低混凝土的最高温度和内外温差，与基本工况相比分别降低了6.6 ℃和4.1 ℃，使得早期拉应力有了明显降低，对早期混凝土的防裂是比较有效的，在早期不会产生裂缝。

(3)在与基本工况条件相同的情况下，只是降低浇筑混凝土的温度，则最高温和最大温差分别可以降低8.0 ℃和4.1 ℃，早期拉应力最大值只有1.44 MPa，也能很好地减少早期拉应力，早期不产生裂缝。

3 实施方案

上述研究表明，夏季施工通水冷却方案与夏季施工降低浇筑温度均能满足要求，根据施工现场进度安排，溪洛渡岩锚梁混凝土浇筑工期大部分安排在春夏季，岩锚梁混凝土浇筑时，大部分工程部位处于开挖阶段，尚不具备生产温控混凝土的能力，如：专门提前修建温控混凝土拌合系统，岩锚梁浇筑完成后，设备闲置时间过长。夏季施工采用通水冷却的方式可以满足岩锚梁混凝土的浇筑温控要求，只要浇筑工艺合理，养护及时到位，岩锚梁混凝土温控无需专门研究采用温控混凝土的方案。

根据上述研究及实际施工边界条件，岩锚梁混凝土浇筑采用如下控制措施：

(1)尽量避开气温较高的时段浇筑，将混凝土浇筑尽量安排在早晚和夜间施工；

(2)尽量缩短运输时间，减小运输过程中太阳直射影响，并尽量对运输混凝土工具采取隔热遮阳措施；

(3)混凝土浇筑后表面进行流水养护，加速散热过程，拆模后应及时洒水养护，以保证混凝土表面保持湿润即可，但不宜过量洒水，以至混凝土表面降温过快，加大内外部温差；(4)埋设冷却水管，单仓混凝土浇筑完成后前三天冷却水流量按35～40 L/min控制，三天后按18～20 L/min控制，如果混凝土温度从最高点降至30 ℃以下可停止通冷却水；

(5)岩锚梁混凝土达到一定强度(龄期大于14天)，才能拆除混凝土模板；

(6)岩锚梁分段长度可在8～12 m之间选取，原则上不超过10 m；

(7)优化混凝土配合比，控制水泥用量，降低水化热，考虑到岩锚梁拆模及周边爆破影响，不采用低热水泥，可考虑掺用适量粉煤灰，掺量不宜超过25% ，掺入优质高效减水剂。

图12为现场典型一仓混凝土2007年实际实测温度过程曲线。