牛路水库碾压混凝土重力坝温控措施研究

何秋红

(广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640)

1 工程概况

牛路水库位于广州市从化区良口镇，总库容6663万m3，是以城市供水为主兼顾防洪、发电的中型水利枢纽工程，推荐坝型碾压混凝土重力坝，全长390.70m，分17个坝段，如图1所示。

图1 平面布置图

2 基础资料

2.1 气温

工程区属华南亚热带湿润气候区，气温统计见表1。

2.2 混凝土分区设计

选7#坝段(最大坝高79.8m)作为典型段进行研究，混凝土分区如图2所示，性能见表2。

表2 混凝土分区性能表

表1 气温统计表 单位：℃

图2 典型坝段分区图

部 位拟合绝热温升指数公式对应材料备 注坝体Ⅲ区(内部)C9010W2Tr17.8=(1-e-0.172t)R1坝体Ⅳ区(坝顶)C9015W4Tr18.3=(1-e-0.154t)C1、C2、C3防渗层Ⅱ区(外部)C9020W6Tr22.8=(1-e-0.1583t)C4、C5、C6Tr—绝热温升值,℃;TO—混凝土的最终温升值,℃;t—龄期,d;a、b—试验参数。

表4 混凝土热学性能参数表

表5 混凝土力学性能参数表

2.3 混凝土力学及热学参数

根据《广州市牛路水库工程大坝混凝土研究报告》(广东省水利水电科学研究院)试验成果及《大体积混凝土温度应力与温度控制》推荐指数公式确定温控计算参数。

(1)混凝土绝热温升值采用公式拟合试验数据，见表3。

(2)混凝土热学性能参数见表4。

表6 混凝土自生体积变形表

表7 混凝土允许拉应力表 单位：MPa

(3)混凝土力学性能参数见表5。

(4)混凝土徐变性能采用公式C(t，τ)=164.06τ-0.356(1-e(11.722-12.135τ-0.005)(t-τ)(0.602-0.053lnτ))拟合试验数据，式中，C(t，τ)—混凝土的徐变度、t—加荷龄期，d；t—τ指持荷时间，d。

(5)混凝土自生体积变形采用公式拟合试验数据，见表6。

(6)基岩弹性模量10.0GPa、容重2600kg/m3、泊松比0.30、导热系数、比热960J/(kg·℃)。

2.4 施工工期

大坝施工经历2个汛期，第1个汛期大坝浇至度汛高程137.5m，第2个汛期大坝浇至147.0m，第2个汛期之后大坝浇筑至坝顶高程179.8m。

3 温控措施研究

3.1 研究方法

外掺氧化镁措施是在混凝土中掺入适量特制MgO，利用其延迟性不可逆的微膨胀性能补偿混凝土温降收缩变形达到防裂目的。参考《牛路水库碾压混凝土重力坝温控仿真分析研究》(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室)计算成果对提出的温控措施进行对比分析并提出推荐方案。

3.2 温控标准制定

根据混凝土各龄期弹性模量、极限拉伸值、抗拉强度值计算允许应力，见表7。

根据稳定温度场、温差控制标准，计算容许温度控制标准，见表8。

3.3 无温控措施温度场及温度应力场研究

仿真计算结果见表9～10。

表8 混凝土容许温度表 单位：℃

表9 温度场计算表 单位：℃

表10 应力场计算表 单位：MPa

表11 外掺MgO(掺量2%～10%)应力场计算表 单位：MPa

若不采取措施，低温季节浇筑混凝土最高温度基本达标，高温季节浇筑混凝土最高温度明显超标，坝体中应力较大部位不达标，主要出现在强约束区、非约束区、垫层混凝土坝趾应力集中区等部位，因此需要采取温控措施减小温度应力。

3.4 外掺氧化镁措施研究

3.4.1 最优掺量初选

拟定5种掺量(2%～10%)进行仿真计算并寻找最优掺量范围，结果见表11。

对于碾压混凝土，随着掺量提高强约束区拉应力显著减小，弱约束区拉应力也能较好降低，但非约束区拉应力有增大趋势，因为此区坝体较为单薄，拉应力主要受控于内外温差，氧化镁对此类温度应力无补偿作用；对于常态混凝土，出现第一主应力最大部位主要在约束区靠近垫层混凝土附近，随着掺量提高拉应力显著减小，但对于非约束区，应力并无明显改善，经分析最优掺量初选为6%。

3.4.2 掺区范围与掺量精细化研究

根据初选掺量对不同的掺量及掺区组合方案进行仿真计算，结果见表12。

当全坝外掺时，随着MgO掺量增加，强约束区应力明显减小，弱约束区变化不大，非约束区应力增大；当强、弱约束区外掺时，随着MgO掺量增加，下游面防渗区混凝土第一主拉应力明显增大，因该区位于外掺与不掺MgO混凝土交界面处，有明显材料自生体积变形差异性，且该区混凝土在高温季节浇筑，易受温降影响使应力超标；当在强约束区外掺时，除非约束区外各掺量应力基本满足要求，当掺量从5.5%增加至6.0%时，垫层混凝土坝趾附近应力集中区应力明显改善，经研究推荐外掺6.0%氧化镁方案、掺区为基础强约束区。

3.5 常规补充措施研究

为解决非约束区应力不达标问题，考虑采用常规措施进行补充。根据工程经验在高温季节用冷却水管方案效果较好，但本工程非约束区仓面太小，不便于机械施工，故不考虑。

3.5.1 高温季节浇筑仓面喷雾方案

拟对高温季节(5～9月)浇筑仓面采用天然河水喷雾，仿真计算结果见表13～14。

表12 外掺MgO(掺量5.5%、6.0%、6.5%)应力场计算表 单位：MPa

表14 喷雾方案应力场计算表 单位：MPa

表13 喷雾方案温度场计算表 单位：℃

采取仓面喷雾对降低混凝土最高温度效果较好，但对于降低应力效果欠佳。

3.5.2 高温季节仓面喷雾与表面保温结合方案

拟对高温季节浇筑仓面喷雾的同时对内外温差较大区域表面采用全年保温措施(施工时内贴保温板)，保温等效混凝土表面放热系数2.0W/(m2·℃)，仿真计算结果见表15～16。

表15 喷雾与表面保温结合方案温度场计算表 单位：℃

表16 喷雾与表面保温结合方案应力场计算表 单位：MPa

表面保温措施能较好改善应力，结合方案可使混凝土温控达标。

4 结语

经研究重力坝温控措施推荐外掺6.0%氧化镁方案、掺区为基础强约束区，对高温季节浇筑混凝土采用仓面喷雾与表面保温结合的常规措施作为补充。推荐的温控措施可为设计提供借鉴，为施工提供参考，但在施工运行阶段，由于原材料、施工进度安排、施工环境等条件均可能会发生变化，因此须建立现场温控实时监测与预警体系，根据监测数据进行重力坝混凝土温控参数反演分析，进一步研究并实时调整温控措施，保证温控防裂效果。