杨房沟水电站拱坝应用4.5m升层温控防裂研究

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 引言

拱坝混凝土浇筑升层厚度是影响拱坝混凝土施工质量和进度的关键因素之一[1]，自4.5m升层在锦屏一级拱坝得到成功应用之后，因其节约工期、施工质量可控的优势，在后续高拱坝建设中得到越来越多的应用和推广。

建设中的杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内，是雅砻江中游河段“一库七级”开发的第六级，电站装机容量1500MW。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2102m，坝高155m，拱冠梁顶厚9m，拱冠梁底厚32m，坝顶中心线弧长362.17m，厚高比0.206，弧高比2.34，坝体共17个坝段，坝体混凝土方量约75.81万m3。杨房沟拱坝于2018年10月30日开始首仓混凝土浇筑，计划2020年10月底浇筑完成，计划工期24个月，拱坝浇筑上升速度约6.5m/月，超过了二滩拱坝6.0m/月、锦屏一级拱坝6.1m/月的上升速度，属于国内先进水平，因此，使用4.5m升层对杨房沟拱坝建设具有重要意义。

高拱坝应用4.5m升层的优势是节约工期，同时也从混凝土温控防裂、“三大高差”控制、拱坝体型控制等方面产生了新的难题。本文在现场试验的基础上，结合三维温控仿真计算成果，研究分析杨房沟拱坝应用4.5m升层在混凝土温控防裂方面的可行性。

2 4.5m升层现场试验

2.1 现场试验开展情况

经比较分析后，选取8#-10(指8#坝段第10个浇筑层，下同)、9#-12、9#-13、10#-16、10#-17共5个浇筑层开展试验。5个浇筑层升层均为4.5m，分为9个薄层浇筑，冷却水管分别埋设在浇筑层底、层厚1.5m及3.0m位置，冷却水管采用HDPE管，主管外径40mm、壁厚3.0mm～3.3mm，支管外径32mm、壁厚2.0mm～3.3mm。混凝土表面进行保温，模板一般在龄期48h时拆除，模板拆除后在上、下游面粘贴厚度为4cm的聚苯乙烯板，浇筑层面、坯层覆盖用4cm厚聚乙烯卷材保温被。混凝土浇筑及一期通水冷却信息见表1。

表1 现场试验特征温度统计 (单位：温度：℃，流量：m3/h)

表1表明，通过采取在高温时段喷雾改善仓面小气候、调整冷却水管间距至1.0m、降低通水温度、加大通水流量等措施，各试验浇筑层最高温度均能控制在设计范围内，且较允许最高温度具有4.0℃～9.0℃的安全裕度，试验表明应用4.5m升层在混凝土温控方面技术可行。

2.2 升层4.5m与3.0m对比

升层为3.0m时，水管布置型式采用1.5m×1.5m(层距×间距)，与4.5m升层相比，水管布置型式、通水水温、通水流量基本相同，两者温度特性对比见表2。

表2 升层4.5m与3.0m时温度特性对比

注：表中(1.17*)表示消除浇筑温度差异后最高温度的差值。

从表2分析可知，升层4.5m与3.0m相比，在温控措施基本相同的情况下，浇筑层内部最高温度平均高出1.5℃～2.0℃，混凝土温降速率基本都控制在设计范围(平均值≤0.5℃/d)内。试验统计数据表明，单根水管不超过300m时，出口水温比进口水温平均上升了4.5℃，验证了朱伯芳院士提出的“对于大型工程，预冷和水管冷却是主要降温手段，层面散热在温度控制中的地位已下降，当有足够浇筑能力时，可采用较厚的浇筑层”[2]；另一方面，在进行类似混凝土坝温控经济分析时，该数据可供参考。

3 三维温控仿真分析研究

除了开展现场试验研究外，还对基础约束区升层3.0m、自由区升层4.5m进行了三维温控仿真计算及对比。仿真分析采用实际浇筑计划，边界条件采用设计浇筑温度、通水方案及表面保护措施。

3.1 约束区应用3.0m升层

以8#坝段为例，基础约束区应用3.0m升层后，强约束区最高温度为26.1℃，弱约束区、自由区分别为27.0℃、27.4℃，三个区域在二期冷却结束时顺河向应力达到最大，分别为0.71MPa、0.72MPa和0.68MPa，抗裂安全系数分别为3.76、3.71和3.93，横河向应力主要产生在首次跨越冬季的强约束区混凝土，应力值达到0.58MPa，相应安全系数为2.83，表明约束区应用3.0m升层时温度和应力均能满足设计要求。

(a)温度包络图 (b)顺河向应力包络图

图18#坝段温度及温度应力包络图(单位：0.01MPa)

3.2 自由区应用4.5m升层

3.2.1 4.5m升层时温度及应力

以9#坝段为例，自由区应用4.5m升层冬季浇筑时混凝土最高温度为22.7℃，夏季浇筑时为27.4℃；内部温度应力小于0.5MPa，安全系数大于2.0；表面温度应力受气温及蓄水后水温影响，一般均小于0.9MPa，安全系数大于2.0；温度及温度应力均满足设计要求。

3.2.2 升层4.5m与3.0m对比

选取13#坝段和10#坝段进行对比分析，计算工况将设计浇筑温度15℃在弱约束区提高至17℃、

(a)温度历时曲线

(b)顺河向应力历时曲线

在自由区提高至19℃，使混凝土最高温度与设计温控标准接近。表3为13#坝段对比情况。

表3 13#坝段升层4.5m与3.0m对比

(a)温度历时曲线对比

(b)顺河向应力历时曲线对比

计算表明，升层4.5m较3.0m混凝土最高温度升高了0.1℃～0.3℃，顺河向应力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系数均大于2.0，满足设计要求。可见在自由区应用4.5m升层在混凝土温控方面是可行的。

4 结语

杨房沟水电站作为国内首个采用EPC模式进行建设的百万千瓦级大型水电工程，应用4.5m升层对其拱坝建设具有重要意义。现场试验及三维温控仿真计算均表明，与3.0m升层相比，应用4.5m升层后，试验浇筑层最高温度升高1.5℃～2.0℃，较允许最高温度仍具有4.0℃～9.0℃的安全裕度；试验统计数据表明，单根水管出口水温比进口水温平均上升了4.5℃，验证了朱伯芳院士提出的“预冷和水管冷却是大中型工程的主要降温手段”的理论；全坝段最高温度升高0.1℃～0.3℃，温度应力增大0.1MPa～0.2MPa，安全系数大于2.0，满足设计要求。杨房沟拱坝应用4.5m升层在混凝土温控防裂方面技术可行，相关试验数据及仿真分析可供类似工程借鉴。