北疆某雙曲拱壩封拱時機選擇及封拱灌漿效果分析

盧冰華

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

為防止混凝土產(chǎn)生裂縫，混凝土拱壩必須設(shè)置橫縫，為使拱壩成為一個整體受力結(jié)構(gòu)，橫縫必須進(jìn)行接縫灌漿。灌漿時壩體溫度應(yīng)降到設(shè)計封拱溫度值?？p的張開度不宜小于0.5mm[1]。嚴(yán)寒地區(qū)一般年平均氣溫較低，封拱溫度也較低，夏季氣溫與封拱溫度之差較大，夏季灌漿時外界氣溫對灌漿效果影響也較大。高溫季節(jié)進(jìn)行接縫灌漿時，應(yīng)做好表面保護(hù)，以防止外界熱量倒灌[2]。因此，為防止壩體產(chǎn)生裂縫以及保證封拱灌漿效果，選擇封拱溫度和封拱灌漿時機尤為重要。

1 工程概況

本工程主要任務(wù)是調(diào)節(jié)控制山口斷面徑流，具有灌溉和發(fā)電等綜合效益。大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m。壩址區(qū)氣候條件較惡劣，氣候干燥，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，氣溫年較差懸殊，日較差明顯，寒潮出現(xiàn)次數(shù)多。多年平均氣溫為5.0℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-41.2℃[3]。

本工程拱壩體型屬薄殼結(jié)構(gòu)，對外界氣溫和水溫的變化比較敏感，壩內(nèi)溫度變化較大，因此，壩體接縫灌漿對壩體溫度、灌漿時機選擇、施工期溫度控制都提出了更高的要求。

2 封拱溫度

2.1 封拱溫度選擇原則

溫度荷載是拱壩的一項主要荷載[4]，由拱壩運行期溫度場與封拱溫度場差值確定，不同封拱溫度方案，其溫度荷載是有差異的，這種差異對壩體應(yīng)力產(chǎn)生影響。合理確定封拱溫度，有利于改善拱壩應(yīng)力、位移、壩肩穩(wěn)定以及接縫灌漿質(zhì)量等。封拱溫度的選擇應(yīng)遵循以下原則。

(1)根據(jù)拱壩結(jié)構(gòu)選擇封拱溫度。封拱溫度的擬定以壩體穩(wěn)定溫度場為基礎(chǔ)，通過與封拱溫度的組合調(diào)整，可達(dá)到改善壩體結(jié)構(gòu)受力的目的。

(2)根據(jù)溫控要求選擇封拱溫度。在混凝土降溫至設(shè)計封拱溫度過程中將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，除對混凝土最高溫度進(jìn)行限制外，還應(yīng)選擇合適的封拱溫度，以降低壩體混凝土溫控難度。

(3)根據(jù)施工水平選擇封拱溫度和封拱方案。封拱溫度選擇應(yīng)和壩體冷卻系統(tǒng)相匹配，不人為設(shè)定封拱溫度梯度差，減少施工難度。

2.2 穩(wěn)定溫度場

在考慮壩體永久保溫的條件下，通過典型壩段與全壩段相結(jié)合的方式進(jìn)行長系列三維有限元溫控仿真分析，提出拱壩穩(wěn)定溫度場。拱壩穩(wěn)定溫度等值線圖見圖1。

圖1 拱壩穩(wěn)定溫度等值線圖

從穩(wěn)定溫度場等值線可以得出，拱壩穩(wěn)定溫度為6～8℃。

2.3 設(shè)計封拱溫度

拱壩設(shè)計中，封拱溫度場是拱壩溫度荷載計算的起點。溫度荷載是拱壩的一項主要荷載，拱壩溫度荷載是指經(jīng)過接縫灌漿壩體已形成整體后的溫度荷載[5]。合理的確定封拱溫度，有利于改善拱壩的應(yīng)力、位移、壩肩穩(wěn)定以及接縫質(zhì)量等。因此，確保接縫灌漿時壩體溫度達(dá)到設(shè)計封拱溫度十分重要。

拱壩封拱溫度的擬定是以壩體穩(wěn)定溫度場為基礎(chǔ)，通過改變某些部位的封拱溫度來調(diào)整溫度荷載值，達(dá)到改善壩體結(jié)構(gòu)受力目的。根據(jù)溫控方針計算結(jié)果，壩體穩(wěn)定溫度為6～8℃，沿高程設(shè)置具有一定梯度的封拱溫度[6]。該封拱溫度是考慮壩體封拱時，壩體平均溫度等于壩體穩(wěn)定溫度場溫度。即認(rèn)為接縫灌漿時的壩體混凝土絕熱溫升已經(jīng)結(jié)束，混凝土水化熱作用已經(jīng)結(jié)束，壩內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定，此時壩體溫度荷載僅為運行期外界溫度變化引起的壩體溫度變化帶來的溫度荷載。結(jié)合溫控計算穩(wěn)定溫度場等值線圖，各壩段封拱溫度詳見表1。

3 封拱灌漿時間選擇

3.1 封拱灌漿條件

拱壩縫拱灌漿對灌漿時間、壩體溫度、接縫張開度等均有一定的規(guī)定和要求。在研究拱壩接縫灌漿時間時，應(yīng)考慮以下問題。

(1)壩體混凝土應(yīng)具有足夠的強度，即灌區(qū)兩側(cè)壩塊混凝土齡期宜大于6個月，在采取有效冷卻措施的情況下也不小于4個月。

(2)接縫內(nèi)漿液體應(yīng)具有足夠強度以承受縫面上的正應(yīng)力，要求灌漿面漿液結(jié)石達(dá)到28天齡期后方可擋水。

(3)接縫灌漿時，灌區(qū)兩側(cè)混凝土絕熱溫升已經(jīng)基本結(jié)束，即混凝土水化熱作用已經(jīng)結(jié)束，即壩體年平均溫度等于壩體穩(wěn)定溫度。

(4)基礎(chǔ)壩塊應(yīng)滿足基礎(chǔ)允許溫差。

(5)接縫張開度不宜小于0.5mm。為了防止在接縫灌漿后橫縫重新被拉開，規(guī)定以壩體穩(wěn)定溫度為灌漿封拱溫度。

表1各壩段封拱溫度表單位：℃

3.2 壩體冷卻

壩址區(qū)氣候條件惡劣，夏季炎熱，冬季嚴(yán)寒，氣溫年較差懸殊，多年平均氣溫為5.0℃。根據(jù)氣候特點，壩體混凝土施工期為每年4月中旬～10月中旬，其它時間混凝土停澆，間歇期約5個月。

根據(jù)溫控仿真計算成果，在封拱灌漿前對壩體分別進(jìn)行前期、中期、后期冷卻，使壩體混凝土溫度分期逐漸降至設(shè)計封拱溫度，為實現(xiàn)具有梯度要求的封拱溫度場，使冷卻水垂直河流方向布置[7]，避免溫度下降過快產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力，從而減少壩體混凝土開裂風(fēng)險。

前期冷卻在混凝土澆筑時開始，時間20天，采用6～8℃的人工制冷水(或河水)冷卻，以控制壩體混凝土最高溫度；中期冷卻在每年9月下旬對5、6、7月澆筑的混凝土進(jìn)行二次冷卻，采用6～8℃的人工制冷水(或河水)冷卻，將壩體混凝土溫度降低8～10℃；后期冷卻安排在封拱灌漿前，采用冬季0～2℃的河水冷卻，將壩體混凝土溫度冷卻至封拱溫度。

3.3 嚴(yán)寒地區(qū)封拱前后期冷卻和灌漿時機

3.3.1 特點

一般溫暖地區(qū)拱壩封拱只需滿足上述必要條件即可進(jìn)行，與之相比，嚴(yán)寒地區(qū)封拱灌漿有較大差別，特點如下：

(1)冬季混凝土停澆時間長，6月份以后澆筑的混凝土在入冬前因齡期達(dá)不到要求而無法進(jìn)行后期冷卻和封拱灌漿工作。

(2)壩體穩(wěn)定溫度場較低，如本工程為6～8℃，采用人工制冷水進(jìn)行冷卻，會因冷卻水和混凝土溫差過小無法使壩體混凝土降至設(shè)計封拱溫度，只能選擇天然低溫河水冷卻。

(3)由于天然河水的溫度在冬季才能降到0～4℃，所以應(yīng)根據(jù)河水的溫度選擇后期冷卻和灌漿時機。

3.3.2 時機

根據(jù)以上特點，可以確定本工程后期冷卻和灌漿時機。

(1)受冷卻水制約，后期冷卻和封拱灌漿只能安排在冬季進(jìn)行。

(2)本工程所在河流河水溫度在11月中旬至來年4月上旬為0～4℃，因此后期冷卻時機應(yīng)在此范圍選擇。結(jié)合河流水文情勢，后期冷卻具體范圍為11月中旬～次年3月中旬。

(3)根據(jù)封拱灌漿對混凝土齡期要求，4月～6月澆筑的混凝土在本年度11月中旬進(jìn)行后期冷卻和封拱灌漿工作，7月～10月澆筑的混凝土在來年3月中旬進(jìn)行冷卻和封拱灌漿工作。

(4)由于河水溫度較低，可以適當(dāng)?shù)貙误w混凝土溫度進(jìn)行超冷1～2℃。

(5)后期冷卻完成后，立即進(jìn)行封拱灌漿工作。

3.4 拱壩封拱灌漿安排

拱壩壩軸線弧長為319.65m，橫縫采用“一刀切”形式的垂直平面分縫，共設(shè)置21道橫縫，將大壩分為22個壩段，每條橫縫間距約為15m。

依據(jù)年度混凝土澆筑情況，結(jié)合初期蓄水要求(2014年9月下旬壩前水位602.0m)、后期冷卻及封拱灌漿要求，采用分期冷卻和灌漿的方法，全壩段同期封拱灌漿頂高程一致。封拱安排具體見表2。

表2 橫縫灌漿情況統(tǒng)計

4 封拱灌漿效果分析

4.1 灌漿成果及分析

拱壩通過封拱灌漿使壩體具有連續(xù)整體性，要求壩縫具有與壩體混凝土相同的力學(xué)強度、有較好的抗?jié)B性等。灌漿結(jié)束28天后，對含縫芯樣的膠結(jié)率、漿液縫內(nèi)充填率、結(jié)石厚度、壓水實驗呂榮值等項目進(jìn)行檢查。要求膠結(jié)率大于80%，充填率大于95%，結(jié)石厚度不小于0.5mm。

對已完成的灌區(qū)橫縫，選取了5個檢查孔進(jìn)行了鉆孔取芯和壓水試驗詳見表3、表4。檢查孔巖芯圖詳見圖2?？p內(nèi)膠結(jié)率達(dá)到100%，充填率達(dá)到100%，結(jié)石平均厚度3mm，透水率很小，滿足設(shè)計要求。

表4 5～12#壩段接縫灌漿檢查孔壓水成果

表3 5～12#壩段接縫灌漿成果

圖2 8JF- 2檢查孔巖心圖

4.2 灌漿效果及評價

結(jié)合灌漿要求和溫控需要，對重點壩段進(jìn)行了溫度和橫縫開合度的監(jiān)測。6#、9#、13#壩段各高程的壩體溫度監(jiān)測成果如下，并與設(shè)計封拱溫度進(jìn)行了對比。

大壩橫縫測縫計灌漿前后開合度變化見表5(測縫計距上、下游表面2m)。

從表5可以看出，各灌區(qū)灌漿封拱前的張開度及灌漿后的增開度基本上能滿足設(shè)計要求。封拱以后橫縫變形趨于穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨著溫度變化而發(fā)生開合變化，說明縫隙兩邊的壩體已經(jīng)連接起來，成為一個連續(xù)整體，達(dá)到了封拱灌漿的目的。

表5 灌漿前后橫縫測縫計開合度特征值統(tǒng)計

5 結(jié)論

本工程壩址區(qū)氣候條件十分惡劣，對混凝土澆筑、冷卻、保溫、封拱都是嚴(yán)峻的考驗。以壩體穩(wěn)定溫度場為基礎(chǔ)，考慮溫控要求和施工強度，合理確定具有梯度要求的設(shè)計封拱溫度，結(jié)合封拱灌漿條件、壩體冷卻以及嚴(yán)寒地區(qū)封拱灌漿特點選擇封拱灌漿時機。

通過本工程實踐及監(jiān)測資料顯示，沿高程確定的封拱溫度梯度是合理的，結(jié)合壩址區(qū)氣候特點和壩體澆筑情況對壩體進(jìn)行前、中、后期冷卻措施效果較好，封拱灌漿時機選擇比較合理，封拱效果滿足設(shè)計要求，類似工程可以借鑒。