三河口高碾压混凝土拱坝基础垫层混凝土温控措施研究

赵 玮,王 栋

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

三河口碾压混凝土抛物线拱坝坝顶高程为646.0 m,坝底高程504.5 m,坝基开挖底部河谷跨度约105 m,设计最大坝高141.5 m,拱冠梁剖面坝顶宽9.0 m,坝底厚37.0 m。大坝体型采用双曲拱坝,大坝厚高比0.29,坝顶宽度9 m,坝基最大宽度37 m。大坝坝体为三级配的C25碾压混凝土,坝基设2.0 m厚C25常态混凝土垫层,垫层混凝土总方量约6 000 m3,设计分为5块浇筑,每块垫层顺水流方向长度37 m,宽度约21 m～25 m。

三河口坝址多年平均温度为12.8℃,其中1月多年平均温度为1.2℃,7月多年平均温度为24.2℃,各月平均气温详见表1。根据现场混凝土试验,三河口拱坝垫层混凝土热力学指标详见表2。

表1 三河口坝址各月多年平均气温统计表 单位:℃

表2 三河口拱坝垫层混凝土热力学指标汇总表

1 计算分析模型设计

研究三河口高拱坝基础垫层混凝土温控措施,是保证垫层混凝土浇筑质量,以及确定垫层以上大坝碾压混凝土填筑时段的重要基础。研究基础垫层混凝土温控的重点是低温和高温季节的混凝土浇筑问题,特别是位于基础强约束区的混凝土浇筑温度控制。因此,如何解决好大坝垫层混凝土施工时段、施工进度与混凝土温度控制措施之间的问题,需进行深入地仿真计算分析研究。

混凝土绝热温升和弹性模量计算方法:

混凝土绝热温升T(℃)与龄期τ拟合关系式:

(1)

混凝土弹性模量E(GPa)与龄期τ拟合关系式:

(2)

三河口拱坝温度场与温度应力仿真计算采用三维有限元法,地基所取范围为沿坝体的上下游、左右岸及底部均延伸1.5倍坝高。计算坐标系:顺水流方向为Y方向,向下游为正;坝高方向为Z方向,向上为正;沿左、右岸方向为X方向,指向右岸为正。大坝基础垫层混凝土厚度2.0 m,基础垫层单元2 000个,节点3 025个,计算模型见图1、图2。

图1 三河口拱坝坝基整体计算模型图

图2 三河口拱坝坝基垫层计算模型图

2 研究方案和设计控制标准

2.1 研究方案

三河口拱坝基础垫层混凝土计划7月20开始施工,结合大坝基础混凝土入仓特点,垫层混凝土施工按D-3→D-1→D-5→D-2→D-4顺序进行施工,基础垫层分区见图3。

图3 大坝基础垫层分区图

三河口拱坝基础垫层具体工期安排及施工方法见表3。

表3 三河口拱坝河床坝段垫层混凝土施工特性及计划工期统计表

研究三河口拱坝垫层混凝土浇筑方案如下:

方案1:混凝土浇筑采取自然入仓方式,浇筑温度为月平均气温。

方案2:混凝土浇筑采取自然入仓方式,浇筑温度为月平均气温,并采取通水冷却温控措施,水管间距1.0 m×1.0 m,通水温度为20℃。

方案3:混凝土浇筑采取控制浇筑温度为18℃,并采取通水冷却温控措施,水管间距为1.0 m×1.0 m,通水温度为20℃。

方案4:混凝土浇筑采取控制浇筑温度为16℃,并采取通水冷却温控措施,水管间距为1.0 m×1.0 m,通水温度为20℃。

方案5:混凝土浇筑采取控制浇筑温度为14℃,并采取通水冷却温控措施,水管间距为1.0 m×1.0 m,通水温度为20℃。

温控计算分析方案汇总见表4。

表4 三河口拱坝基础垫层温控计算分析方案汇总表

2.2 温度控制标准

根据《混凝土重力坝设计规范》,当基础约束区混凝土28 d龄期的极限拉伸值不低于0.85×10-4时,对于施工质量均匀、良好,基岩与混凝土的变形模量相近,短间歇均匀上升浇筑的浇筑块,基础容许温差可采用表5。

表5 常态混凝土基础容许温差 单位:℃

三河口拱坝底宽37 m,位于30 m～40 m之间,故本次温控计算所取基础容许温差为16℃～19℃。准稳定温度场坝体内部平均温度为13.5℃,根据坝底宽度插值计算得出本工程容许最大温度值为30.4℃。结合工程重要性,基础垫层混凝土内外温差控制为16.0℃,混凝土浇筑块容许最高温度为30.0℃。

2.3 应力控制标准

根据三河口拱坝坝体混凝土弹性模量和极限拉伸值计算的允许拉应力见表6。

表6 常态混凝土28 d和90 d龄期允许拉应力

3 大坝准稳定温度场计算成果分析

根据三河口拱坝基础垫层施工进度安排及混凝土热力学参数和外界气温等基础资料,对大坝的准稳定温度场采用有限元进行了仿真计算,1月份的准稳定温度场见图4,7月份的准稳定温度场见图5,准稳定温度场计算结果符合一般规律。从图可以看出,大坝坝体内部稳定温度为13.5℃左右。

图4 大坝1月份准稳定温度场云图(单位:℃)

4 非稳定温度场计算成果分析

根据混凝土热力学参数和大坝施工进度安排,对三河口碾压混凝土拱坝基础垫层进行了全过程温度场有限元仿真计算。计算结果得到了不同方案在基础垫层不同坝段的最高温度值,5种计算方案最高温度、稳定温度、最大温差、基础容许温差值详见表7。

表7 5种计算方案最高温度、稳定温度、最大温差、基础容许温差值 单位:℃

从计算成果可以看出:

(1) 方案1、方案2和方案3在D-3、 D-1、 D-5、 D-2 、D-4的最大温差均大于基础容许温差(16.0℃～19.0℃),不满足温控设计要求。

(2) 方案4控制浇筑温度为16℃,并采取通水冷却措施,在D-5、 D-2 、D-4最大温差为18.4℃,接近于基础容许温差的最大值。

(3) 方案5控制浇筑温度为14℃,并采取通水冷却措施,最高温度30.5℃,基本满足温控设计要求,故方案5为温控设计推荐方案。

5 应力场计算成果分析

根据三河口水库工程碾压混凝土拱坝温度场仿真计算结果,分别对5种方案进行了温度徐变应力仿真计算。温度应力是温度变化引起的应力,主要包括温差、徐变和自生体积变形产生的应力。由于计算成果数据量很大,整理成果时进行了必要的简化。基础垫层于9月1日、9月15日、10月1日、10月15日、11月1日不同坝段最大应力值见表8—表12。

表8 9月1日基础垫层最大应力值 单位:MPa

表9 9月15日基础垫层最大应力值 单位:MPa

表10 10月1日基础垫层最大应力值 单位:MPa

表11 10月15日基础垫层不同坝段最大应力值 单位:MPa

表12 11月1日基础垫层不同坝段最大应力值 单位:MPa

从计算成果可以看出,各方案基础垫层最大拉应力出现在混凝土浇筑后7 d～14 d天左右,且最大拉应力值差异较大,方案5拉应力值最小。由于11月份外界气温相对较低,内外温差大,因此,11月1日5个方案的温度应力最大值均比其他时间的大。在9月1日、9月15日、10月1日,方案5的温度应力均小于0.9 MPa。10月15日方案5最大温度应力为1.17 MPa,小于垫层混凝土28 d龄期的允许应力1.60 MPa,混凝土垫层不会产生裂缝。11月1日方案5最大温度应力值为1.87 MPa,大于垫层混凝土28 d龄期的允许应力1.60 MPa(本工程混凝土安全系数为1.65),混凝土垫层产生裂缝风险很大。因此,经计算分析,认为在10月15日之前浇筑垫层上部碾压混凝土为宜。

6 结论及建议

根据5个方案的计算研究分析结果,方案5最高温度和最大应力满足要求,因此,方案5为推荐方案,所采取的温控措施为推荐温控措施。根据温控计算分析和实际,10月15日之前填筑碾压混凝土为佳。

根据工程实际,结合计算分析,在7月、8月份浇筑垫层常态混凝土时,宜采用仓面喷雾,流水养护和搭遮阳棚等措施,以降低外界气温的影响。另外,在低温季节来临之前,对已浇混凝土上、下游面采用砂卵石进行回填,以提高混凝土表面温度值。

三河口拱坝为国内第二高碾压混凝土双曲拱坝,大坝混凝土方量超过100万m3,为国内同类大坝混凝土体积第一,工程建设难度大。为确保大坝安全可靠、施工方便,大坝基础垫层混凝土的施工控制极为关键,通过研究分析,确定了垫层混凝土浇筑采取控制浇筑温度为14℃,并采取通水冷却温控措施,水管间距为1.0 m×1.0 m,通水温度为20℃,确定了垫层混凝土上部碾压混凝土在10月15日之前填筑为宜,可以为其他工程拱坝设计提供有价值的参考。