金沙水电站尾矿骨料混凝土温控防裂研究

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段，为干热河谷气候，多年平均气温20.9℃，月平均最高、最低气温分别为26.1℃、13.0℃。金沙水电站挡水建筑物为混凝土重力坝，最大坝高66.00 m。各坝段均不设纵缝，采用通仓浇筑，其中溢流坝段顺水流方向长59.43 m，最大堰高36.5 m。根据工程土石方平衡调配成果，金沙水电站主体工程混凝土骨料优先采用开挖有用料，尚缺骨料33.91万m3。攀钢尾矿石料为攀钢矿石采场的剥离围岩，经岩相矿物鉴定为以辉长岩、大理岩等构成为主。该尾矿料作为弃料在攀枝花市露天堆积量大、运输条件好，用作金沙水电站混凝土骨料补充料有较大经济优势。

近年来，尾矿料用作混凝土骨料经众多学者研究验证已成为可行，并取得不少研究成果[1-2]，目前已有将尾矿骨料用作市政及交通工程的应用实例[3-4]，但用于水利水电工程永久工程混凝土的实例极少，在投入到本工程应用之前有必要充分掌握攀钢尾矿骨料混凝土热力学性能，并制定合适的温控防裂措施。

本文根据尾矿骨料混凝土性能研究成果，开展多条件、多种敏感性因素的大坝混凝土温控仿真计算，提出适用于尾矿骨料混凝土温控防裂方案。研究成果将有力推动尾矿骨料在水电工程领域的应用。

1 攀钢尾矿骨料混凝土性能试验

对攀钢尾矿骨料化学成分组成，加工工艺和与原材料适应性以及尾矿骨料混凝土拌和物性能、热力学、变形及耐久性能等进行了试验，主要结论如下。

(1) 攀钢尾矿的毒性浸出、放射性等均满足标准要求，骨料不具有碱活性。

(2) 经破碎筛分加工的粗细骨料品质均满足规范要求。

(3) 攀钢尾矿骨料和水泥、粉煤灰、外加剂配制的混凝土拌和物和易性良好，无离析分层等现象。尾矿骨料在振捣和硬化过程中分布基本均匀，未发现尾矿骨料下沉或尾矿与水泥砂浆离析现象。

(4) 按推荐配合比配置的大坝尾矿骨料混凝土强度、抗冻、抗渗、极限拉伸值等性能均满足设计要求。主要热力学性能试验成果如表1～3所示。

另外，采用攀钢尾矿料配制的相同性能的混凝土，其胶凝材料用量较开挖料混凝土多10～20 kg/m3，混凝土的绝热温升高1.0℃～2.0℃。因此还需对大坝混凝土温控方案和抗裂安全做进一步研究和复核。

表1 尾矿料混凝土主要热学性能试验成果Tab.1 Main thermal properties test resultsof tailings aggregate concrete

表2 尾矿料混凝土主要力学性能试验结果Tab.2 Main mechanical properties test resultsof tailings aggregate concrete

表3 尾矿料混凝土弹模、极拉值试验结果Tab.3 Elastic modulus and extreme tensiontest results of tailings aggregate concrete

2 温度及温度应力计算原理

由热量平衡原理，导出固体热传导基本方程[5-11]：

(1)

式中,ax,ay,az为x,y,z方向的导温系数，λx,λy,λz为相应方向的导热系数，c为材料比热，ρ为材料容重，τ，T分别描述任意时刻和温度。

根据变分原理,可导出满足热传导基本方程和边界条件的有限元支配方程：

[H]{T}+{F}=0

(2)

式中,[H]为热传导矩阵；{T}为温度向量；{F}表示温度场及温度梯度的函数。

混凝土应变增量由弹性应变增量、温度应变增量、自生体积变形增量以及徐变应变增量4部分组成[5,12-15]。推导可得复杂应力状态下的应力-应变增量关系式如下：

(3)

由于混凝土浇筑后，弹模和徐变度等参数都随混凝土龄期的增加而增大，可以采用增量法进行计算。根据虚功原理，不难推导出混凝土结构在热、力作用下的平衡方程如下：

[K]{Δδ}={ΔPn}L+{ΔPn}C+{ΔPn}T+{ΔPn}o+{ΔPn}S

(4)

式中,{Δδ}为位移增量，[K]为刚度矩阵,{ΔPn}L为外荷载引起的节点荷载增量,{ΔPn}C为徐变引起的节点荷载增量,{ΔPn}T为变温引起的节点荷载增量,{ΔPn}o为混凝土自生体积变形引起节点荷载增量，{ΔPn}S为干缩引起的节点荷载增量。

由方程(4)求得位移增量后再由方程(3)求出应力增量，进而结构应力也易于求出。

3 尾矿料混凝土温控措施研究

3.1 最高温度控制标准

采用有限元法计算了金沙水电站典型溢流坝段稳定温度场，结果表明溢流坝段基础约束区稳定温度为16.0℃。根据各部位稳定温度、准稳定温度及基础温差、内外温差标准和表面保护标准，确定金沙水电站大坝各部位设计允许最高温度见表4。

表4 大坝各部位设计允许最高温度Tab.4 Allowable maximum temperature of the dam ℃

3.2 不同方案最高温度计算对比

实际施工过程中，为控制坝体内部温度满足设计允许最高温度控制要求，需制定并采取合适的浇筑温度、浇筑层厚以及通水冷却等温控措施。表5给出各月浇筑的C9025混凝土在不同温控措施条件下最高温度计算成果。其中，计算通水冷却时，每个浇筑层内按埋设1层冷却水管考虑，水管水平间距取1.5 m，通水水温取12.0℃，通水流量取1.2m3/h。

(1) 浇筑层越厚，混凝土内部温度相对越高，且外界温度越低时，浇筑层厚度变化对最高温度影响越大。2.0 m厚混凝土与1.5 m厚混凝土相比，低温及次低温季节相同浇筑条件下混凝土早期最高温度约增大1.7℃～2.5℃，而在高温及次高温季节，最高温度约增大1.4℃～2.2℃。

(2) 浇筑温度直接影响混凝土早期最高温度。对于1.5 m厚混凝土，浇筑温度每升高2.0℃，混凝土早期最高温度增加1.0℃～1.2℃；对于2.0 m厚混凝土，浇筑温度每升高2.0℃，混凝土早期最高温度增加1.2℃～1.4℃。

(3) 1.5～2.0 m厚混凝土内部埋设一层冷却水管进行通水冷却后，内部最高温度较不通水方案约降低1.6℃～2.2℃，且外界气温越高，通水降温效果越明显。

表5 C9025混凝土早期最高温度Tab.5 The maximum temperature of concreteC9025 at early ages ℃

3.3 温控方案拟定

根据不同方案最高温度计算成果与设计允许最高温度对比，初拟大坝主要温控方案如下。

(1) 基础强、弱约束区及脱离基础约束区浇筑温度分别控制不超过16.0℃,18.0℃,20.0℃～24.0℃。

(2) 基础约束区高温及次高温季节浇筑的混凝土层厚应控制不超过1.5 m，其它部位浇筑层厚可取1.5～2.0 m。

(3) 大体积混凝土内部埋设冷却水管进行通水冷却。冷却水管采用PVC水管，外径32 mm，内径28 mm；水管水平间距采用1.5 m，竖直间距根据浇筑层厚度选用1.5～2.0 m。通水冷却分初、中两期进行，其中初期通水主要以降低坝体内部最高温度为主，中期通水目的是在入冬前减小大坝内外温差。

初期通水水温采用10.0℃～12.0℃制冷水或低温河水，单根水管通水流量按1.2～1.5 m3/h计，通水时间一般15 d左右，基础约束区及脱离基础约束区初期通水目标温度分别为26.0℃～28.0℃,28.0℃～30.0℃。

中期通水于每年10月初开始，通河水冷却，单根水管通水流量按1.0～1.2 m3/h计，通水时间一般25～35 d。基础约束区及脱离基础约束区中期通水目标温度分别为20℃～22℃,22℃～24℃。

4 典型坝段温度应力仿真

本节选取9号溢流坝段作为研究对象，建立有限元计算模型如图1所示。温度场仿真中，定义大坝上下游面、浇筑仓面为散热面，其他面为绝热面。应力场仿真中，定义地基底部全约束，地基四个侧面为法向约束。

该坝段建基面高程975 m，坝顶高程1 027 m，开浇计算时间根据进度安排取为2017年10月。

图1 典型坝段有限元计算模型Fig.1 Finite element model of typical fam block

图2～3给出了坝体内部最高温度及最大拉应力包络图，图4给出了大坝基础强约束区内部特征点温度及温度应力曲线。

图2 最高温度包络图(单位：℃)Fig.2 Maximum temperature envelope

图3 最大拉应力包络图(单位：MPa)Fig.3 Maximum tensile stress envelope

(1) 基础约束区混凝土在10月开始浇筑，采取设计拟定温控措施，混凝土最高温度为29.8℃～30.6℃，混凝土内部最大拉应力约1.51 MPa，对应安全系数为1.80。

(2) 溢流面最大拉应力出现在反弧段表面，最大应力值约为2.07 MPa，抗裂安全系数为1.95。

(3) 脱离基础约束区混凝土最高温度26.0℃～37.8℃，混凝土内部最大拉应力1.62 MPa，抗裂安全系数达2.0以上。

(4) 综上，各部位最高温度均满足设计允许最高温度，抗裂安全系数可达到1.8以上，满足混凝土坝温度控制设计规范中抗裂安全系数需达到1.5～1.8的要求。

5 结 论

本研究针对尾矿骨料混凝土特性，开展多条件、多种敏感性因素的大坝混凝土温控计算和仿真分析，提出尾矿骨料混凝土温控防裂方案。在10月份开始浇筑混凝土，按推荐的温控措施和层间间歇进行施工，各部位最高温度及最大温度应力抗裂安全系数在1.8及以上，满足混凝土坝温度控制设计规范抗裂安全系数需达到1.5～1.8的要求，表明尾矿料用作大坝混凝土骨料在施工和温控上是可行的。

研究成果为攀钢尾矿料在水电工程中的推广应用提供了技术支撑，同时还丰富了尾矿料的利用途径，既改善了环境又创造了经济价值，具有巨大的社会效益和经济效益。