印尼巴丹托鲁水电站大坝混凝土温控研究

陈 勇, 杨 尹

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

巴丹托鲁水电站位于印度尼西亚北苏门答腊省南塔帕努里县的巴丹托鲁河上，枢纽由拦河坝、泄洪、引水、发电等建筑物构成。拦河坝为拱形混凝土重力坝，坝高74 m；引水隧洞长12.23 km，电站额定水头273.4 m，设计流量207.6 m3/s，装机4台，总装机容量510 MW。水电十局作为项目的EPC总承包商承担该项目的全部工程。

巴丹托鲁水电站大坝的主要混凝土工程量包括C14碾压混凝土约12万m3，C21常态混凝土约5万m3，大坝坝址位于北纬1.63°，东经99.19°，工程区属于热带雨林气候，其混凝土温控环境与国内有很大的不同，混凝土主要采用美国材料协会和混凝土协会标准，亦与国内采用的标准有一定差异。在混凝土材料方面，由于印度尼西亚基础工业薄弱，低水化热水泥很难获得，粉煤灰质量差且作为危险废弃物进行管理，加之苏门答腊地区的公路运输条件极差，粉煤灰的运输和使用非常困难。笔者通过对当地材料进行调查研究以及现场试验和仿真，探讨了低纬度热带雨林地区大体积混凝土温控的控制标准和措施，并将其用于指导现场施工。

2 工程所处的环境和混凝土材料

2.1 坝址气温

工程区的年气温变化幅度小，坝址附近气象资料显示，月均最低气温出现在1月，为24.7 ℃，月均最高气温出现在7月，为25.7 ℃，年均气温25.2 ℃。

2.2 大坝库水温度和稳定温度

水库的类型可以通过多年平均径流W(m3)和库容V(m3)的比值进行判断。当比值大于20时判定为混合型水库[1]。巴丹托鲁水库径流与库容的比值为20 167，据此可以判定其为混合型水库，水温和底层水温的差别较小，因此可以认为库底温度近似等于建库前河道来水的最低月平均水温。

实测7月天然河道水温接近24 ℃。考虑到7月平均气温为25.7 ℃，水温比平均气温低1 ℃左右，因此，可以近似地认为天然河水水温最低为23 ℃左右，库底温度可以取为23 ℃。考虑到坝址气温年变幅很小，因此，水温年变幅亦很小，可以假定库底水温年内无变化，为定值(23 ℃)。

2.3 水 泥

印度尼西亚工业基础薄弱，距坝址最近的水泥厂位于西苏门答腊巴东市，距离坝址处约450 km，仅提供OPC(ASTM C 150- I型水泥)水泥和PCC水泥(普通硅酸盐水泥)。由于巴丹托鲁项目的技术规范明确要求只能使用ASTM C 150- I型水泥，故笔者对该阶段的研究亦基于ASTM C 150- I型水泥，其7 d的水化热为330 kJ/kg，对混凝土的温度控制非常不利。

2.4 粉煤灰

当地电厂主要使用加里曼丹岛产的褐煤，粉煤灰质量较差，筛余量普遍超过20%，只能达到Ⅲ级粉煤灰标准，使用时需要自建选矿厂进行加工。同时，由于粉煤灰在印度尼西亚按危险废弃物进行管理，在其使用前需提前向该国环境部申请许可。

3 控制标准

3.1 内外温差

美国混凝土协会标准ACI对混凝土内部温度的建议为： 30 d内，从混凝土最高温度起算的温度回落不超过15℉到30℉ (8℃到 17 ℃)[2]，相对于中国标准的内外温差不超过20 ℃[3]更为严格。按照ACI标准控制的混凝土最高温度为42 ℃，按照中国标准控制的混凝土最高温度为45 ℃。笔者通过仿真结果对内外温差的控制标准进行了探讨。

3.2 基础温差

巴丹托鲁水电站大坝碾压混凝土的长边范围取30～70 m，常态混凝土的长边范围取21～30 m，按照混凝土坝温度控制设计规范规定[4]，混凝土的基础容许温差见表1。

巴丹托鲁水电站大坝的基础强约束区和弱约

表1 混凝土基础容许温差表 /℃

束区主要是碾压混凝土，按基础容许温差控制的混凝土最高温度更低，强约束区碾压混凝土的最高控制温度不超过37.5 ℃，弱约束区混凝土的最高控制温度不超过39.5 ℃。常态混凝土主要集中在溢洪道以上的部位，距基础面高差为38 m左右，在基础约束区之外，内外温差要求控制的最高温度比基础温差的要求更严格，常态混凝土应按内外温差17 ℃的控制标准执行，混凝土最高控制温度为42 ℃。

3.3 温度应力

混凝土温控的最终目标是防止拉应力超过容许应力造成混凝土裂缝，按照混凝土重力坝设计规范中的规定，基础混凝土的温度应力按混凝土极限拉伸值控制：

γ0σ≤εpEc/γd[5]

式中σ为各种温差所产生的温度应力之和，MPa；εp为混凝土极限拉伸值的标准值；Ec为混凝土弹性模量标准值，MPa；γd为温度应力控制正常使用极限状态短期组合结构系数，取1.5。

考虑到ASTM试验标准中圆模对国标中方模的强度折算后，碾压混凝土C14的最大容许抗裂应力取0.97 MPa，C21常态混凝土的最大容许抗裂应力取1.31 MPa。

3.4 绝热温升试验

混凝土绝热温升直接关系到混凝土的水化热温升，进而影响到混凝土结构最高温度。通过现场绝热温升试验，对大坝工程量最大的几种混凝土的绝热温升进行了研究，所获得的试验所用的参考配合比见表2。

表2 混凝土试验配合比表

注：①混凝土标号采用美国材料协会规范ASTM-C39圆柱型混凝土试件抗压强度标准试验方法测试的强度;②水泥采用ASTM C150-I性水泥。

绝热温升试验采用HJW-4混凝土绝热温升测定仪进行，试验成果见图1。

图1 混凝土绝热温升图

C14碾压混凝土的7 d绝热温升为16 ℃，C21混凝土的7 d绝热温升为34 ℃。通过温控措施可以使混凝土最高温度满足温控要求。C24.5常态混凝土的7 d绝热温升高达50 ℃，因此，即使采取温控措施，混凝土的最高温度也很难满足要求。故在施工中应避免使用这种不掺加粉煤灰的二级配混凝土用于浇筑大体积混凝土。

3.5 温度场和温度应力场仿真

温度场和温度应力场仿真是通过建立大坝上下游及底部1.5倍坝高范围内的三维有限元模型，通过热传导微分方程求解，在空间域上运用有限单元离散，在时间域上运用差分法离散，所有单元叠加后得到稳定温度场。在温度场的基础上，通过求解混凝土弹性应力和徐变应力等建立温度应力场。基于三维有限元的施工仿真已经被广泛应用，笔者在此不再详述。

混凝土温控的主要目标是防止拉应力造成混凝土裂缝，温度场和温度应力场的仿真具有较强的指导意义，以现场试验数据为基础进行温度场和应力场仿真，其仿真结果可以用于验证温控标准并指导施工措施的制定。

(1)无温控措施的温度和应力场仿真结果。不考虑温控措施，浇筑温度为气温加3 ℃，约束区浇筑层高为1.5 m，非约束区浇筑层高为2～3 m，施工期温度及温度应力变化较大，采用一天一步计算进行有限元法计算机仿真。其温度场和应力场结果见图2、3。

碾压混凝土的最高温度为47 ℃，超过最高控制温度，上游表层混凝土靠近坝端的部位最大温度应力为1.13 MPa，超过允许抗裂拉应力。常态混凝土最高温度超过60 ℃，超过最高控制温度，最大温度应力为1.75 MPa，超过允许抗裂拉应力。因此，无论是碾压混凝土，还是常态混凝土都需要采取温控措施。

图2 无温控的温度场分布图

图3 无温控的应力场分布图

(2)控制浇筑温度措施下的温度场和温度应力场仿真结果。将浇筑温度控制为20 ℃、其它条件相同下进行仿真，碾压混凝土最高温度为42.5 ℃，超过最高控制温度，最大温度应力为0.93 MPa，未超过最大容许抗裂应力；常态混凝土的最高温度为55 ℃，超过最大控制温度，最大温度应力为1.61 MPa，超过允许抗裂拉应力。仿真结果显示：碾压混凝土的温度应力满足控制标准，但最高温度仍不满足温度控制要求；常态混凝土的温度和应力均超过控制指标，需要进一步加强温控。

(3)采用控制浇筑温度和一期通水冷却下的温度和应力场仿真结果。在控制浇筑温度为25 ℃并对坝体混凝土进行一期通水冷却，水管按照1.5 m(层厚方向)×1.5 m(水管间距)布置，通水水温为20℃～30℃，一期通水15～20 d，通水的前7 d其通水流量为2 m3/h，后8 d通水流量不超过1.2 m3/h的条件下进行仿真，碾压混凝土在基础强约束区内的最高温度为36 ℃，弱约束区内的最高温度为39.5 ℃，满足最高控制温度的要求，碾压混凝土最大温度应力为0.7 MPa，满足允许抗裂拉应力控制要求。常态混凝土的最高温度为48.8 ℃，仍不能满足最大控制温度的要求，最大温度应力为0.93 MPa，满足允许抗裂拉应力控制要求。

4 结论及措施

对试验和仿真结果分析可知：

(1)ASTM C-150-I型水泥的水化热过大，在采取综合温控措施下，常态混凝土的最高温度仍达48.8 ℃，其根本原因为水泥水化热过大，如果采用Ⅱ型水泥， 其7 d水化热可以降低约40 kJ/kg，有利于混凝土温控和防裂。

(2)通过对比C21和C24.5常态混凝土的绝热温升可以看出:水泥是混凝土水化热的源头，大体积混凝土应优先采用三级配混凝土并掺加粉煤灰以降低水泥的用量。

(3)在使用Ⅱ型水泥和调整混凝土最高温度的情况下，碾压混凝土通过控制浇筑温度即可满足温度控制要求。如果不能调整，则需要同时使用控制浇筑问题和坝体一期通水冷却的综合温控措施。

(4)在采取控制浇筑温度和坝体一期通水冷却的措施下，常态混凝土的温度应力满足控制标准，但其内外温差仍然不能满足ACI规范所建议的17 ℃。根据温度应力的仿真结果，混凝土的最高温度可以放宽到48 ℃，在该条件下，温度应力不会超过允许抗裂拉应力。在此情况下，通过控制浇筑温度和坝体一期通水冷却的综合措施可以满足温控要求。