锦屏一级水电站泄洪洞龙落尾段混凝土温控防裂设计

王祥峰， 孙利敏， 王可峰

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.四川省清源工程咨询有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大学， 四川 成都 610072)

锦屏一级水电站泄洪洞龙落尾段混凝土温控防裂设计

王祥峰1， 孙利敏2， 王可峰3

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.四川省清源工程咨询有限公司， 四川 成都 610072；3.西南交通大学， 四川 成都 610072)

泄洪洞在泄洪时具有高水头、高流速、泄洪量大等特点[1]，对衬砌混凝土施工质量具有较高要求，因而其温控防裂问题应得到重视。锦屏一级水电站泄洪洞衬砌混凝土施工中，为加快施工进度，采用底板分段长度27 m拖模施工。针对此种施工工艺，本文通过选择不同的温控措施，采用FZFX3D软件模拟仿真其施工期温度场及应力场，得出推荐的温控措施，为后续水电工程泄洪洞衬砌混凝土施工提供参考。

泄洪洞； 衬砌混凝土； 温控防裂

0 前 言

目前地下洞室混凝土施工中广泛地运用了台车、滑膜、拖模、翻模、异形拼模等工艺，有效地解决了平硐、斜井、竖井混凝土施工中存在的场地狭窄、通道有限、体型复杂、进度受限等问题[2]。针对采用拖模施工的泄洪洞抗冲耐磨混凝土，其温控防裂问题应得到足够重视。

1 工程背景

锦屏一级水电站位于四川省盐源县和木里县交界处，是雅砻江干流水能资源最富集的中、下游河段五个梯级水电开发中的第一级。锦屏一级水电站以发电为主，兼有防洪、拦沙等作用。枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝、坝身4个表孔+5个深孔+2个放空底孔与坝后水垫塘、右岸1条有压接无压泄洪洞及右岸中部厂房等组成。水库正常蓄水位1 880 m，总库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，为年调节水库。电站装机容量3 600 MW。

泄洪洞采用有压接无压、洞内“龙落尾”的布置形式，进口为岸塔式结构，塔体尺寸为25.00 m×34.00 m×61.00 m(长×宽×高)，塔基高程1 825.00 m，顶高程1 886.00 m。进水塔沿水流向长34.00 m，后接有压隧洞；有压洞由直段和平面弯段组成，总长560.19 m，纵坡0.010 305 3。弯段转弯半径150.00 m，弯段后直洞长约100 m，末端为圆变方压坡连接段，压坡连接段长度为25.00 m，将14.50 m高的圆形洞渐变至13.00 m×10.50 m(宽×高)，后接弧形工作闸门室；无压隧洞段始于弧形工作闸门室后，总长796.37 m，由上直坡段、奥奇曲线段、斜坡连接段、反弧曲线段以及下直坡段等组成，无压洞断面尺寸为13.00 m×17.00 m(宽×高)，断面形式为圆拱直墙型。

2 计算原理及条件

2.1 计算方法

2.1.1 温度场求解方程

混凝土通常分层浇筑，设第i批浇筑混凝土的体积为Ri(i=1,2,…,n) ， 则在Ri中混凝土温度场的定解方程为[3]：

(1)

式中α——导温系数；

θ0i——第i批浇筑混凝土的最大绝热温升；

Tih——第i批浇筑混凝土的通水时的温度；

Tiw——第i批浇筑混凝土的通水温度；

φi——水管冷却降温函数；

ψi——等效负热源函数。

2.1.2 应力场求解方程

温度场求出后再用有限元隐式解法求徐变应力场：

(2)

应力增量Δσ由下式计算：

(3)

式中 {Δδn}——结点位移增量向量；

{ΔPn}——外荷载增量；

2.2 计算参数

2.2.1 热学参数

本资料根据锦屏一级水电站前期的试验资料与现场混凝土的配合比推导得出。由于未进行相应混凝土的温控参数试验研究，因此本参数仅供参考(见表1)。

绝热温升公式采用双曲线公式，公式形式如下：

(4)

式中θ——温升值，℃；

θ0——最大绝热温升，℃；

τ——时间，d；

n——水化热上升速率，d。

2.2.2 力学参数与应力标准

混凝土力学参数见表2。

表1 泄洪洞抗冲耐磨混凝土热力学指标试验成果

表2 混凝土力学参数

根据坝体混凝土不同龄期的劈拉强度值，对其进行拟合，即可得到混凝土强度随龄期变化关系。根据《混凝土重力坝设计规范》(DL5108-1999)的规定，本文温度应力控制标准：混凝土允许水平拉应力按照劈拉强度/1.65 、极限拉伸×弹模/1.65比较后取小值控制；混凝土允许铅直拉应力按劈拉强度选取。

混凝土徐变度采用以下公式拟合：

C(t,τ)=(0.008 2+58.202 5τ-0.660 8)[1-e-0.672 9(t-τ)]+(0.908 5+49.668 4τ-0.486 8)[1-e-0.017 4(t-τ)]

(5)

2.3 气温边界条件

雅砻江流域地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候区，坝址区多年平均气温17.2 ℃，多年平均水温12.3 ℃。三滩气象站要素统计见表3。

表3 三滩气象站气象要素统计

泄洪洞内空气温度：根据洞室内实际气温监测资料，夏季最高温度21 ℃，冬季最低温度18 ℃。年周期变化过程采用《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077-1997)中余弦函数：

Ta=Tam+Aacosω(τ-τ0)

(6)

式中Tam=19.5，Aa=1.5，τ0=196。

2.4 现场浇筑程序

锦屏一级水电站泄洪洞无压段为圆拱直墙的城门洞型，在不同的部位，其衬砌的厚度不同，开挖的尺寸也不同。根据整个泄洪洞不同的围岩类别和不同的衬砌厚度，共分为5种典型衬砌段，其中E型断面，混凝土分区及断面形式见图1。E型衬砌的底板为C50泵送抗冲磨混凝土，距顶拱1 m以下的边墙为C50泵送抗冲磨混凝土，距顶拱1 m以上的边墙和顶拱为C25泵送混凝土。

考虑泄洪洞衬砌混凝土夏季施工工况，浇筑顺序为边墙—顶拱—底板，泄洪洞沿轴线剖面见图1，浇筑时间见图2。洞身边墙及顶拱浇筑长度9 m，底板采用拖模施工，长度27 m。

图1 泄洪洞结构布置

图2 泄洪洞浇筑顺序及典型点示意

2.5 计算模型

三维有限元模型(见图3)节点共20 564个，单元17 460个。泄洪洞内部的混凝土表面受洞内空气温度的影响，作为第三类边界条件处理。当泄洪时，泄洪洞衬砌混凝土表面受水温影响，与水接触的混凝土表面按第一类边界条件处理。围岩的内表面被混凝土覆盖前受洞内空气温度的影响，作为第三类边界条件处理。被混凝土覆盖后，围岩和混凝土之间进行热交换。在围岩外边界处，温度边界取为绝热边界，变形条件取为固定。计算工况如下：

工况1：浇筑温度16 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水温10～11 ℃，最高温度到达后，进行表面保温及养护；

工况2：浇筑温度14 ℃，其他同工况1。

图3 三维有限元计算模型

3 计算结果

3.1 工况结果对比

由表4可以看出，工况1由于浇筑温度提升2 ℃，边墙、顶拱及底板特征点最高温度升高约1.5～2 ℃；工况1边墙点及底板点顺河向最大拉应力达到3.2 MPa，底板特征点横河向拉应力达到3.1 MPa，均超出允许拉应力范围，存在较大的开裂风险。工况2结果显示，降低浇筑温度2 ℃，应力水平降低明显，横河向及顺河向拉应力最大2.3 MPa左右，满足允许拉应力标准。

表4 各工况衬砌混凝土温度及应力计算结果统计

3.2 推荐方案温度应力云图

为更直观地展示泄洪洞衬砌混凝土温度场及应力场，沿洞轴线剖面共选取顶拱1个特征点，边墙3个特征点，底板1个特征点，特征点示意如图4所示，温度及应力包络云见图5～8。

图4 特征点示意

图5 最高温度包络云图(℃)

图6 A块横河向及顺河向应力云图(MPa)

图7 B块横河向及顺河向应力云图(MPa)

图8 C块横河向及顺河向应力云图(MPa)

通过温度及应力包络云图可以看出，在推荐温控措施下，混凝土内部最高温度34～35 ℃左右，出现在混凝土龄期3 d左右，分布在边墙及底板C9050混凝土区域，顶拱最高温度28 ℃左右。通过应力包络云图可以看出，内部横河向最大拉应力2.3 MPa，主要集中在底板及边墙处，顺河向拉应力2.3 MPa左右，主要集中在底板处。均满足允许拉应力要求。顶拱顺河向及横河向拉应力为0.1～0.2 MPa，满足允许拉应力要求。

推荐温控措施：浇筑温度14 ℃，通水4～7 d，通水流量3～4 m3/h，通水水温10～11 ℃，最高温度到达后，进行表面保温及养护。

3.3 工况对比过程线结果

由于混凝土中水泥水化热作用，混凝土在龄期3～4 d达到最高温度；之后在一期冷却及洞内气温综合作用下，混凝土内部温度缓慢下降。混凝土内部应力发展趋势为：随着混凝土温度升高，内部积蓄压应力；温度达到峰值后，随着温度降低，压应力逐渐变为拉应力，直至混凝土温度趋于稳定。

选取顶拱边墙及底板典型特征点，绘制特征点温度及应力历史曲线，如图9～11所示。由历史曲线图可以看出：工况1内部最高温度约36.2 ℃，发生在边墙混凝土，相比工况2，内部温度升高2 ℃。工况1内部顺河向拉应力达到3.2 MPa，发生在边墙及底板混凝土，横河向拉应力达到3.1 MPa，发生在底板混凝土，均超出允许拉应力范围，存在较大开裂风险，工况2推荐温控措施下，边墙及底板混凝土拉应力约为2.2～2.3 MPa，应力水平优化明显。

图9 特征点2不同工况下温度及应力过程曲线对比

图10 特征点3不同工况下温度及应力过程曲线对比

图11 特征点5不同工况下温度及应力过程曲线对比

4 结论及建议

(1)锦屏泄洪洞龙落尾段底板分段长度27 m拖模施工，浇筑温度16 ℃，计算结果显示边墙及底板拉应力均超过允许拉应力标准，开裂风险较大，将浇筑温度降低为14 ℃，底板拉应力降低明显，满足允许拉应力标准。说明通过调整温控措施，可以对施工工艺进行优化。

(2)对于锦屏泄洪洞衬砌混凝土等高标号薄层混凝土浇筑过程中，应加强浇筑过程控制，控制出机口到仓面温度回升不超过4 ℃，且控制浇筑温度在12～14 ℃之间。由于混凝土内部和表面的散热条件不同，混凝土中心温度高，表面温度低,形成温度梯度,造成温度变形和温度应力，当这种温度应力超过混凝土抗拉强度时，就会产生裂缝。建议加强养护及表面保护措施。

[1] 李众,罗毅，李然.小湾水电站泄洪洞抗冲耐磨混凝土施工综述[J]. 水力发电, 2011,37(4):33-35.

[2] 孙晓能.小湾水电工程洞室混凝土施工的一些技术创新[J]. 水力发电,2009,35(9):61-63.

[3] 王祥峰,黄达海，陈彦玉.短历时暴雨袭击致早龄期混凝土温度裂缝研究[J].人民长江,2010,41(17):84-87.

2016- 09- 29

王祥峰(1985-)，男，山东潍坊人，硕士，从事施工技术及混凝土温控防裂工作。

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1003-9805(2017)04-0017-06