呼和浩特抽水蓄能电站下水库碾压混凝土拦沙坝温控设计

张怀芝 吴宝隆

1 工程概况

呼和浩特抽水蓄能电站位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部的大青山区，属严寒地区，坝区多年平均气温6.3℃。本工程总装机容量1 200 MW，工程规模为大（1）型。下库拦沙坝为碾压混凝土重力坝，采用“金包银”方式，即上游2.0 m防渗层，下游2.0 m保护层和1.5 m基础垫层为常态混凝土；坝顶高程均为1 401 m，最大坝高为58 m，坝顶长度为200 m，坝体最大底宽58 m；坝体不设纵缝，只设横缝，共分12个坝段，横缝间距除右岸①坝段为14.0 m和左岸⑩～○12坝段为14.0 m外，其余②～⑨坝段为18.0 m。

2 基本资料及设计参数

2.1 水文气象资料

本工程区位于中温带季风亚干旱气候区，具有冬长夏短、寒暑变化急剧、蒸发量大的特征。坝区多年平均气温6.3℃，坝区最大风速为20.0 m/s。坝址区水文气象资料具体见表1。

表1 坝址区水文气象资料

2.2 混凝土材料分区及配合比

坝体内部采用三级配碾压混凝土C9015W4F100，坝体垫层、坝体上游防渗层（死水位以下）、坝后保护层（回填区）采用三级配常态混凝土C9025W8F150，坝体上游防渗层（死水位以上）、坝后保护层（回填区以上）、坝顶采用二级配常态混凝土C9025W8F300。基础垫层采用1.5 m厚的常态混凝土。混凝土材料参数见表2。坝体典型断面及分区如图1所示。

表2 混凝土配合比主要参数

图1 拦沙坝典型断面及分区

2.3 混凝土的热力学参数

依据本工程的试验资料及相关资料，各混凝土的热力学参数见表3。

表3 混凝土热力学参数

3 混凝土温控标准

3.1 稳定温度

拦沙坝稳定温度场计算结果如图2所示。

图2 拦沙坝稳定温度场（单位：℃）

3.2 温控标准

利用三维有限元法，经对拦沙坝施工期及运行期温度场及温度应力场的仿真计算分析，确定了坝体基础允许温差、坝体最高允许温度等温控标准。

3.2.1 基础允许温差

坝体外部常态混凝土基础容许温差见表4，坝体内部碾压混凝土容许温差见表5。

表4 常态混凝土基础容许温差[ΔT] °C

表5 坝体内部碾压混凝土基础容许温差[ΔT] ℃

3.2.2 坝体最高允许温度

为便于施工过程中温度控制，根据施工期和运行期温度场计算，参考温差标准，综合确定了切实可行的坝体最高允许温度控制标准，具体见表6、7。

表6 常态混凝土最高允许温度 ℃

表7 碾压混凝土最高允许温度 ℃

3.2.3 表面混凝土温控标准

混凝土内外温差控制不超过20℃。

3.2.4 新老混凝土温差

当下层混凝土龄期超过28 d成为老混凝土时，其上层混凝土应控制上下层温差，对连续上升坝体且高度大于0.5 L时，允许老混凝土面上下各L/4范围内上层最高平均温度与新混凝土开始浇筑下层实际平均温度之差为16～18℃；浇筑块侧面长期暴露时，或上层混凝土高度小于0.5 L或非连续上升时应加强上下层温差控制，上下层温差控制标准不超过16℃。

3.2.5 越冬面混凝土温控要求

拦沙坝浇筑到1 352.5 m高程时进入越冬间歇期，入冬前（2011年11月初）坝体内部混凝土平均温度要求为12～15℃，越冬期间（2011年11月初至2012年4月底）坝体内部混凝土最低平均温度要求不小于8.5℃。越冬复工后从严控制越冬面部位新老混凝土上下层温差：常态、碾压混凝土均不大于14℃。

4 主要温控措施

4.1 优化混凝土配合比，提高自身抗裂能力

在保证混凝土质量满足设计、施工要求的前提下，尽量选用水化热低的水泥，改善混凝土骨料级配，掺加优质的掺和料和外加剂以适当减少单位胶凝材料用量，提高混凝土自身抗裂能力。通过开展混凝土优化研究，在大体量混凝土施工前，将C9025W8F150胶凝材料用量降低了41 kg/m3，拌和用水量降低了10 kg/m3，取得了较好的效果。

4.2 控制浇筑层最大高度和间歇时间

混凝土浇筑层厚一般不宜大于3.0 m，也不宜小于1 m，基础和老混凝土约束部位浇筑层高控制为1.5 m，间歇时间应不少于4 d，也不宜大于10 d。

4.3 提高施工工艺，减少施工过程中的温度回升

严格控制混凝土运输时间和仓面浇筑坯覆盖前的暴露时间，混凝土运输机具应加保温设施，并减少转运次数。高温时段采用喷水雾等措施降低仓面的气温。

4.4 控制混凝土浇筑温度

坝体常态混凝土：低温季节（4、10月）自然入仓浇筑；高温季节（5—9月）浇筑的常态混凝土，浇筑温度t≤13℃；

坝体碾压混凝土：低温季节（4、9、10月）自然入仓浇筑；高温季节（5—7月）浇筑的碾压混凝土，浇筑温度≤17℃。

4.5 混凝土通水冷却

常态混凝土区内埋设的蛇形水管一般按0.9 m（层厚方向）×1.0 m（水管间距），埋设时要求水管距坝面1.0 m；碾压混凝土区内埋设的蛇形水管一般按1.5 m（层厚方向）×1.5 m（水管间距）。采用两期通水冷却，其中，一期冷却通水时间15～20 d，水流方向应每天改变一次；二期通水目标为使混凝土温度降低至入冬前坝体控制温度（15±1）℃，二期通水冷却9月中旬开始，且混凝土龄期大于35 d，二期通水时间一般为30～60 d，水流方向应48 h调换一次。具体的通水冷却的要求及控制要点见表8。

表8 通水冷却的技术要求及控制要点

5 表面保护

5.1 临时保温

对于90 d龄期内的混凝土表面（顶面、侧面），应采取临时保温措施。临时保温措施与模板同时施工，保护标准为等效放热系数β≤1.04 W/（m2·K）。28 d龄期内的混凝土，不允许拆除临时保温措施。超过28 d龄期的混凝土，若要拆除临时保温措施，须立即施工永久保温措施，且拆除时间应选择在白天高温时段，并避开寒潮或大风天气、或昼夜温差不小于19℃的时段。10月初，应将廊道及其它所有孔洞进出口进行封闭。

5.2 永久保温

5.2.1 永久保温措施

拦沙坝坝体上游面1 372 m高程以下喷涂5 cm厚聚氨酯，且在10月1日前，回填拦沙坝上游侧1 374 m高程以下基坑，以此作为表面保温保护。

拦沙坝坝体上游面1 372 m高程以上及坝体下游面、顶面的永久暴露面采取永久保温保护，喷涂8 cm厚聚氨酯，保温保护后的混凝土表面等效放热系数β≤0.47 W/（m2·K）。

5.2.2 永久保温施加时间

4、10月份浇筑的混凝土，浇完拆模后立即设永久保温层；5—9月份浇筑的混凝土，10月初设永久保温层。保温层要求具有良好的耐久性。

5.3 特殊部位的表面保护

拦沙坝顶部的越冬面（1 352.5 m高程）在越冬期间（2011年11月初至2012年4月底）需要采取表面保温措施，保温标准为β≤0.47 W/（m2·K），按照充分利用现场及周边现有材料的原则，确定了保温措施为：聚苯乙烯保温被（5 cm）+15 cm厚草帘+30 cm厚玉米秸秆+2层防水雨布，保温措施于第2011年11月初完成。2012年4月保温措施采取分3次逐步拆除的方案，当越冬层面混凝土温度与日平均气温温差小于3℃时，把保温被完全揭开，然后再进行复工工作。

6 结语

温度控制是保证大体积混凝土质量的关键和难点。呼蓄电站地处严寒地区，冬季漫长，当地气候干燥多风，昼夜温差大，寒潮频繁；在水库运行期，水库水位变幅大，拦沙坝上游面干湿（或冰）循环频繁，对混凝土的抗冻指标要求高，温控防裂难度大；拦沙坝为“金包银”结构，内外材料特性差异大，则进一步增加了温控的难度。

本文针对呼蓄下水库碾压混凝土拦沙坝具体的工程特点，分析水文气象、坝体材料分区及其特性、施工进度安排，经过多方研究论证，提出了合理的温控标准，制定了具体且便于实施的温控措施。截止目前，坝体运行正常，温控效果良好。