高原地区某水电站大坝混凝土温控防裂措施设计

周廷清，吴世勇，朱瑞晨，姜宏军

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

西部青藏高原地区具有丰富的水能资源，但高原地区也存在海拔高、气压低、气温低、昼夜温差大和太阳辐射强烈的特殊气候条件，受这些不利气候因素的影响，温控防裂措施设计对在高原地区建设混凝土大坝显得十分重要。本文结合青藏高原地区的气候特点，对该地区某水电站的温控防裂措施进行设计。

1 项目概况

某水电站工程位于青藏高原地区，电站装机容量约660 MW。拦河大坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶高程约3 450.00 m，最大坝高118.00 m，坝顶总长389.00 m。枢纽布置格局为碾压混凝土重力坝+坝身5 孔溢流表孔和1孔冲沙底孔联合泄洪+坝后式地面厂房，挡水建筑物从左岸到右岸依次划分为左岸挡水坝顶、溢流坝段、冲砂底孔坝段、厂引坝段、右岸挡水坝段[1]。

工程所在区域属高原温带季风半湿润气候区，多年平均气温9.3℃，极端最高、最低气温分别为32.5℃和-16.6℃，昼夜温差大。

坝址区多年月平均气温、极端气温和水温统计情况见表1。

表1 多年平均气温、极端气温和水温统计表 °C

2 筑坝材料设计

水电站大坝筑坝材料选择碾压混凝土重力坝，碾压混凝土是一种干硬性贫水泥混凝土，与常态混凝土相比，具有单位体积混凝土胶凝材料用量少的特点，可降低混凝土的发热量。

通过调整混凝土的配合比，在满足最大胶凝材料的前提下，在混凝土中掺合一定数量的活性材料（如粉煤灰、矿渣等），以替代部分水泥用量，从而降低混凝土的水化热是工程中常用的方法。由于工程所在区域不产粉煤灰，工程所用粉煤灰需从青海、四川、甘肃等外省运入，存在距离远、成本高的困难，因而本工程考虑采用凝灰岩做为掺合料替代部分粉煤灰。

通过对单掺粉煤灰方案、复掺凝灰岩粉和粉煤灰方案、单掺凝灰岩粉方案共3 种方案的混凝土性能和温控方案进行试验分析计算，在满足混凝土性能和降低温控措施要求的条件下，同时考虑工程投资，最终选定复掺凝灰岩粉和粉煤灰方案（其中粉煤灰掺量为30%，凝灰岩粉掺量为30%）。混凝土用凝灰岩粉掺和料技术指标确定为：含水量≤1.0%，0.045 mm 方孔筛筛余≤20%，需水量比≤110%，活性指数≥60%[2]。配合比见表2，力学性能及耐久性试验见表3。

表2 碾压混凝土配合比表

表3 碾压混凝土力学性能及耐久性试验结果表

3 温控防裂措施设计

3.1 原材料要求

（1）水泥温度不宜高于60 ℃。

（2）粗骨料在高温季节采取遮阳，在低温季节采取保温措施，骨料料堆高度应大于6.00 m，宜地笼取料，使得粗骨料温度在高温季节不高于月平均气温，低温季节不冻结、料堆中下部骨料温度不低于3 ℃。

（3）细骨料要常年采取遮雨措施，防止雨水进入成品砂堆，同时低温季节采取保温措施。

3.2 浇筑分层与间歇期

（1）碾压混凝土采用薄层、短间歇、连续浇筑法施工，碾压层厚30 cm，强约束区混凝土碾压升程高度为1.50 m，层间间歇10 d，弱约束区和自由区混凝土碾压升程高度为3.00 m，层间间歇12 d。

（2）根据类似工程经验，当月平均气温低于0 ℃时，碾压混凝土应停止施工以保证施工质量，果多和新疆几个碾压坝均在冬歇期停工，虽然该水电站坝址区月平均气温均大于0 ℃，也初步考虑在12 月 — 次年2 月碾压混凝土停工；常态混凝土继续施工。

3.3 混凝土浇筑温度

根据大坝碾压混凝土的材料参数性能，分浇筑时节和部位分别设定浇筑温度，浇筑温度情况见表4。

表4 大坝混凝土浇筑温度表 ℃

3.4 控制出机口温度

（1）高温季节（4 月上旬 — 10 月上旬）采用骨料预冷、加冰（冷水）拌和等措施控制混凝土出机口温度，强约束区混凝土出机口温度≤8 ℃，弱约束区混凝土出机口温度≤10 ℃，自由区混凝土出机口温度≤13 ℃；低温季节（11 月中旬 — 次年3 月中旬）采取热水拌和等措施提高混凝土出机口温度，混凝土出机口温度应达到10 ℃。

（2）3 月下旬及10 月中旬 — 11 月上旬浇筑混凝土可采取自然拌和。

3.5 通水冷却

（1）冷却水管布置：大坝碾压混凝土基础强约束区水管布置为1.50 m×1.50 m（水平×竖直）方式，弱约束区和自由区混凝土水管布置为2.00 m×1.50 m（水平×竖直）。垫层混凝土水管布置为1.00 m×1.50 m（水平×竖直）。冷却水管距离上游和下游面、廊道和孔口等壁面的距离应在0.50 ～ 0.80 m。冷却水管支管采用蛇形布置，单根蛇形支管的长度不应超过300 m，当同一仓面需要布置多条蛇形支管时，各蛇形支管的长度应基本相当。

（2）一期通水冷却：①混凝土下料浇筑即可开始一期通水冷却，冷却时间20 d 左右，水温10 ～ 12 ℃。前10 d流量为 1.5 ～ 2.5 m3/h，后 11 ～ 20 d 流量 0.8 ～ 1.2 m3/h。每24 h 改变一次通水方向，同时要求最高温度峰值过后最大日降温速率≤0.5 ℃/d，通水温度与混凝土温度相差不大于20 ℃。②一期冷却控温目标：一期冷却消减混凝土温度峰值。混凝土最高温度应满足要求，一期冷却结束时混凝土温度20 ℃左右，一冷降温幅度不大于8 ℃。③一冷结束后进行控温，控温时间30 ～ 60 d。

（3）中期冷却：①为了防止一期冷却结束后混凝土温度的回升，减小后期的温降，实现混凝土“小温差、慢冷却、早保护”的温控理念，一期冷却完后应进行必要的控温，高温季节（4 月上旬 — 10 月上旬）浇筑的混凝土入冬前进行必要的大面积中期降温；②中期进口水温为12 ～ 15 ℃，通水流量为0.6 ～ 1.0 m3/h，最大日降温速率≤0.3 ℃/d，保持混凝土温度缓慢降到15 ～ 16 ℃；③通水水温与混凝土内部温度之差不超过15 ℃。中期通水前通过闷温测出坝体温度，复核并保证通水水温满足水温与混凝土的温差要求。

3.6 表面保温和养护

工程使用的聚苯乙烯板要求导热系数≤0.158 kJ /（m · h · ℃），吸水率≤1%，表观密度≥32 kg/m3，并有阻燃性能。长间歇混凝土仓面或台阶形混凝土表面间歇期铺设保温被后需要铺设聚乙烯（PE）薄膜，厚度0.6 mm。

3.6.1 坝体上下游表面及侧面保温措施

坝址区常年日变温差大，混凝土浇筑过程中应常年采用保温材料进行保护。10 月中旬 — 次年4 月中旬期间浇筑上下游面混凝土，采取钢模板内贴保温材料（5 cm 厚的聚苯乙烯板），同时在钢模板外侧嵌贴保温材料（固定在模板上，3 cm 厚聚苯乙烯板）；其余季节（4 月下旬 — 10 月上旬）上下游表面采用5 cm 厚的聚苯乙烯板保温。相邻坝段由于浇筑高程不同形成的临空面以及大坝廊道、底孔等孔洞部位采用3 cm 厚的聚苯乙烯板保温。

3.6.2 仓面正常间歇条件下表面保温措施

对于10 月中旬 — 次年4 月中旬浇筑混凝土，铺设4 cm 厚保温被进行仓面保温，仓面靠近上下游位置混凝土采用6 cm 厚保温被进行仓面保温。其余季节（4 月下旬 — 10月上旬）仓面采用2 cm 厚保温被进行仓面保温，仓面靠近上下游位置混凝土采用4 cm 厚保温被进行仓面保温。

3.6.3 仓面长间歇条件下表面保温措施

为保障低温季节长间歇期（12 月 — 次年2 月）坝体仓面不出现温度裂缝，需要采取6 cm 完全干燥的保温被，但考虑到保温被材料较易吸水，故需采取15 cm 厚大坝保温被（或同等效果的聚苯乙烯保温卷材）进行仓面保温，且长间歇前坝体浇筑高度需达到6.00 m 以上，保温材料表面铺设聚乙烯（PE）薄膜进行防水防风。

3.6.4 其余部位表面保温措施和养护措施

低温季节浇筑的混凝土应适当推迟拆模时间，气温骤降期间不允许拆模。大坝廊道、底孔等孔洞部位，除按要求进行保护外，应及时的进行孔口封闭，防止形成风道。蓄水前，拆除大坝上游保温板，检查裂缝情况，并根据裂缝性状，分别进行处理。

4 温控计算分析验证

根据拟定的温控措施方案，对9#溢流坝段和5#岸坡坝段2 个典型坝段进行温度应力分析，计算结果见表5，计算结果显示2 个典型坝段的基础强约束区最高温度和温度应力最小安全系数均满足规范要求[3]。温度、应力包络线见图1、图 2。

表5 典型坝段各特征点稳定和顺河向应力峰值表

图1 9#溢流坝段温度和应力包络线图

图2 5#岸坡坝段温度和应力包络线图

5 结 语

由于工程区属于高原气候区，存在海拔高、气压低、平均气温低、最高最低气温差别大、昼夜温差大和太阳辐射强烈等特点，因而对大坝大体积混凝土的温控防裂措施要求更为严格。本工程在借鉴高原地区类似工程的经验，合理选择筑坝材料和温控防裂措施方案，并通过计算分析进行验证，大坝的温度应力满足规范要求。