三河口碾壓混凝土拱壩溫控設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王家明，郭 恒，燕軍樂

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710010)

1 概述

三河口水利樞紐位于漢江支流子午河峽谷段，樞紐包括水庫工程、電站工程、泵站工程及壩后連接洞。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高為141.5 m，水庫總庫容為7.1億m3。

三河口拱壩具有“一高一長一大”的特點(diǎn)，是繼萬家口子碾壓混凝土拱壩后國內(nèi)第二高碾壓混凝土拱壩；壩頂軸線弧長為472.15 m，是目前已建碾壓混凝土拱壩中弧長最長的；壩體混凝土總量為110萬m3，同樣處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。但是，這些因素疊加起來，卻對大壩溫控設(shè)計(jì)及施工帶來很大困難。為此，工程人員對三河口碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了大量的研究[1-3]，通過三維有限元模擬提出了大壩施工期的溫控指標(biāo)，并對澆筑溫度和通水冷卻等進(jìn)行分析計(jì)算。但這些研究未能系統(tǒng)地總結(jié)三河口碾壓混凝土拱壩溫控方面的技術(shù)成果。鑒于此，本文結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)總結(jié)了三河口碾壓混凝土拱壩的溫控設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工和動態(tài)監(jiān)測等方面的溫控技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研究成果可供工程人員參考借鑒。

2 碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)是碾壓混凝土壩體溫控防裂的首要問題。崔進(jìn)[4]統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)碾壓混凝土拱壩壩體混凝土配合比指標(biāo)，指出壩體內(nèi)部三級配碾壓混凝土水膠比控制為0.47～0.55，二級配防滲區(qū)為0.42～0.50。人工骨料三級配碾壓混凝土砂率為32%～34%，二級配砂率為36%～38%。三級配碾壓混凝土粉煤灰摻和料摻量為50%～60%，二級配為50%～55%。

三河口拱壩碾壓混凝土包括壩體內(nèi)部C25三級配混凝土和上下游防滲區(qū)C25二級配混凝土，按照設(shè)計(jì)要求(強(qiáng)度等級、級配、抗?jié)B等級、抗凍等級、密度和極限拉伸值等)，在現(xiàn)場完成了碾壓混凝土配合比試驗(yàn)，最終確定了碾壓混凝土配合比參數(shù)(見表1)，對應(yīng)的碾壓混凝土熱、力學(xué)參數(shù)見表2～表3。

表1 碾壓混凝土配合比參數(shù)

表2 碾壓混凝土熱學(xué)參數(shù)

表3 碾壓混凝土力學(xué)參數(shù)

2 壩體結(jié)構(gòu)分縫設(shè)計(jì)

一般而言，碾壓混凝土拱壩一般每40～80 m設(shè)置1條橫縫(或誘導(dǎo)縫)?？紤]到三河口壩址區(qū)河道較寬，拱壩壩軸線長度超過了400 m，壩體分縫問題需詳細(xì)研究。經(jīng)調(diào)研，國內(nèi)已建的碾壓混凝土拱壩中，壩頂弧長超過400 m的有3座：萬家口子、善泥坡和白蓮崖大壩[5-7]。其中萬家口子拱壩最大分縫段長度為82.96 m，善泥坡拱壩最大分縫段長度為48.30 m，白蓮崖拱壩最大分縫段長度為49.00 m。三河口拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為盡量減少分縫，在初步設(shè)計(jì)階段只設(shè)置了4條橫縫和4條誘導(dǎo)縫(見圖1)，其中表孔壩段全長為85.9 m，但經(jīng)三維有限元溫度及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算，表孔壩段下游靠近壩基區(qū)域溫度應(yīng)力超過了允許值，不能滿足設(shè)計(jì)要求。為此，設(shè)計(jì)人員在表孔壩段增設(shè)1條橫縫(見圖2)，將壩段分縫長度控制在50 m以內(nèi)，經(jīng)計(jì)算，溫度和應(yīng)力指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 三河口拱壩壩體分縫示意

3 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

1) 基礎(chǔ)容許溫差

《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]指出，碾壓混凝土壩的基礎(chǔ)容許溫差值需根據(jù)工程的具體條件經(jīng)溫度控制設(shè)計(jì)后確定。三河口拱壩澆筑塊邊長為40～50 m，經(jīng)分析并結(jié)合朱柏芳[9]給出的建議值范圍，碾壓混凝土的基礎(chǔ)容許溫差控制見表4。

表4 三河口拱壩碾壓混凝土基礎(chǔ)容許溫差

2) 最高溫度

根據(jù)基礎(chǔ)容許溫差標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合三維有限元溫度及溫度應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果，三河口拱壩碾壓混凝土最高溫度控制指標(biāo)見表5。

表5 壩體最高溫度控制指標(biāo)

3) 內(nèi)外溫差

混凝土壩出現(xiàn)的裂縫絕大部分是表面裂縫，表面裂縫產(chǎn)生的主要原因是內(nèi)外溫差過大。因此，控制內(nèi)外溫差是防止混凝土表面裂縫的關(guān)鍵?！痘炷凉皦卧O(shè)計(jì)規(guī)范》[10]指出，一般工程內(nèi)外溫差可按照15℃～25℃控制。根據(jù)三河口拱壩仿真計(jì)算結(jié)果，碾壓混凝土內(nèi)外溫差不宜超過16.5℃。

4) 上下層新老混凝土溫差

碾壓混凝土壩施工，通倉澆筑面積大，工序復(fù)雜，1倉混凝土澆筑完后，需等待較長時(shí)間才能進(jìn)行第2倉混凝土澆筑，此時(shí)，由于下層老混凝土已處于溫降過程，而新澆筑混凝土處于溫升階段，可能產(chǎn)生較大的新老混凝土溫差，導(dǎo)致層間結(jié)合產(chǎn)生裂縫。為保證新老混凝土層間結(jié)合質(zhì)量，三河口拱壩的碾壓混凝土上、下層溫差不宜大于17℃。

4 溫控措施

4.1 澆筑溫度

根據(jù)三河口拱壩不同區(qū)最高溫度要求，結(jié)合大壩澆筑方案，采用仿真計(jì)算對不同澆筑溫度進(jìn)行對比分析，確定澆筑溫度。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 三河口拱壩碾壓混凝土各月澆筑溫度 ℃

按照設(shè)計(jì)要求的混凝土澆筑溫度，現(xiàn)場對混凝土澆筑前采取了相應(yīng)的溫控措施。

1) 控制出機(jī)口溫度

現(xiàn)場混凝土制備中，設(shè)計(jì)要求碾壓混凝土出機(jī)口溫度控制在12℃以內(nèi)。而現(xiàn)場試驗(yàn)表明，碾壓混凝土自然拌和條件下，11月—次年2月碾壓混凝土出機(jī)口溫度均低于12℃，其他月份均高于12℃。為此，通過采取加制冷水和冰屑、粗骨料二次風(fēng)冷的措施可將各月出機(jī)口溫度控制在12℃以內(nèi)(見表7)。

表7 三河口拱壩碾壓混凝土混凝土出機(jī)口溫度 ℃

2) 控制預(yù)冷混凝土溫度回升

混凝土出拌合站后，經(jīng)過運(yùn)輸、入倉、攤鋪、碾壓等工序，在此過程中，必須嚴(yán)格控制混凝土溫度回升。三河口碾壓混凝土采用自卸汽車和膠帶機(jī)運(yùn)輸入倉，通過遮陽措施在高溫季節(jié)控制混凝土運(yùn)輸過程溫度回升。入倉后，采取噴霧保溫措施[11]，在倉面上空形成1層霧狀隔熱層，減少在澆筑過程日照強(qiáng)度，霧滴水分蒸發(fā)降低倉面環(huán)境溫度和降低混凝土澆筑溫度回升。

4.2 通水冷卻

三河口拱壩采取預(yù)埋冷卻水管進(jìn)行通水冷卻。按照設(shè)計(jì)要求，冷卻水管采用金屬管或可彎曲的塑料管，其導(dǎo)熱系數(shù)λ≥1.0 kJ/(m·h·℃)，單根水管的長度不大于250 m。冷卻水管按蛇形布置，間排距見表8。

表8 三河口拱壩碾壓混凝土冷卻水管布置

通水冷卻分為3個(gè)階段：初期冷卻要求通水水溫為18℃，通水時(shí)間不超過20 d，初期冷卻混凝土日降溫幅度不超過1.0℃。中期冷卻為每年9—10月，9月份通水水溫為18℃，10月份通水水溫為14℃，要求混凝土內(nèi)部溫度冷卻至20℃。后期冷卻為拱壩接縫灌漿前30 d進(jìn)行，通水溫度為8.0℃，要求壩體混凝土內(nèi)部溫度冷卻至封拱灌漿溫度12℃～15℃。

施工過程中，三河口拱壩配備了3臺ACW3840冷水機(jī)組，每臺冷水機(jī)組控制高度為50 m，同時(shí)采用移動式冷水站對出水進(jìn)行循環(huán)利用。為達(dá)到混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)，高溫季節(jié)新澆混凝土初期通水水溫控制在10℃左右，低溫季節(jié)新澆混凝土采用天然河水通水冷卻，通水時(shí)間為15 d。10月初對高溫季節(jié)澆筑混凝土進(jìn)行中期冷卻，采用天然河水冷卻30 d。后期冷卻通水水溫控制在6℃～8℃，通水時(shí)間為30 d。

4.3 混凝土表面保護(hù)

三河口拱壩地處秦嶺南麓，月平均氣溫最高為23.8℃，最低為1.9℃。結(jié)合壩址氣候條件及施工情況[12-13]，工程人員對混凝土表面進(jìn)行了保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

1) 表面養(yǎng)護(hù)

設(shè)計(jì)要求，混凝土在澆筑過程中應(yīng)采取措施保持倉面濕潤，對混凝土永久暴露面養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于 28 d?，F(xiàn)場施工中，針對高溫季節(jié)澆筑的混凝土，倉面在終凝后開始采用自動噴淋系統(tǒng)噴水養(yǎng)護(hù)，直至上層混凝土開始澆筑為止。上、下游壩面采用花管長流水掛壁持續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。

2) 表面保溫

設(shè)計(jì)要求，大壩倉面采取臨時(shí)保溫，上、下游壩面采取全年保溫，保溫后的混凝土表面等效放熱系數(shù)β≤5.0 kJ/(m·h·℃)?，F(xiàn)場施工中，大壩倉面采用3 cm厚的聚乙烯保溫卷材外套塑料防雨布進(jìn)行保溫，上、下游壩面采用3～4 cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板進(jìn)行全年保溫。

5 溫度監(jiān)測

為了掌握施工中碾壓混凝土的溫度變化情況，及時(shí)調(diào)整溫控措施，達(dá)到混凝土防裂要求，三河口拱壩在施工期間沿壩軸線方向布設(shè)5個(gè)溫度監(jiān)測橫斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面上，沿高程方向每隔15 m水平布置2～4支溫度計(jì)。本文選取了高程EL527 m、EL545 m、EL560 m和EL574 m共48支溫度計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析。

1) 最高溫度

選取的4個(gè)高程切面均處于非約束區(qū)，其中EL.527 m和EL.574 m為高溫季節(jié)澆筑的混凝土，高程EL.545 m和EL.560 m均為低溫季節(jié)澆筑的混凝土。4個(gè)高程的不同位置最高溫度監(jiān)測統(tǒng)計(jì)見表9～表12。

由表9～表12可知，高溫季節(jié)澆筑的高程EL.527 m和EL.574 m處的溫度計(jì)最高溫度分別為42.2℃和33.4℃。低溫季節(jié)澆筑的高程EL.545 m和EL.560 m處的溫度計(jì)最高溫度分別為27.9℃和28.1℃。從最高溫度分布規(guī)律來看，高溫季節(jié)澆筑的混凝土(EL.527 m 和EL.574 m)的最高溫度較高。從最高溫度分布位置來看，最高溫度集中出現(xiàn)在距離壩體表面2 m的位置；從最高溫度出現(xiàn)時(shí)間來看，最高溫度多出現(xiàn)在4～7 d。

表9 EL.527 m不同位置最高溫度監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

表10 EL.545 m不同位置最高溫度監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

表11 EL.560 m不同位置最高溫度監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

表12 EL.574 m不同位置最高溫度監(jiān)測統(tǒng)計(jì)

從最高溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，高程EL.527 m的壩內(nèi)混凝土溫度很難滿足溫控設(shè)計(jì)要求。通過原因排查和數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)致混凝土溫度較高的主要原因是澆筑過程冷水機(jī)組和噴霧設(shè)施出現(xiàn)了故障。通過更換設(shè)備后，高程EL.545 m、EL.560 m和EL.574 m澆筑的混凝土最高溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2) 通水冷卻

本文選取了初期通水冷卻的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)要求初期冷卻通水通水時(shí)間不超過20 d，混凝土日降溫幅度不超過1.0℃。施工期3個(gè)高程不同位置混凝土降溫速率變化情況詳見表13～表15。

表13 EL.527 m不同位置初期通水冷卻監(jiān)測數(shù)據(jù)

表14 EL.545 m不同位置初期通水冷卻監(jiān)測數(shù)據(jù)

表15 EL.560 m不同位置初期通水冷卻監(jiān)測數(shù)據(jù)

由表13～表15可知，初期冷卻通水后，壩體溫度逐漸降低，降溫幅度為0.9℃～11.4℃，所測點(diǎn)位的降溫速率為0.27～0.73℃/d，均在1℃/d以內(nèi)，表明初期通水冷卻能夠滿足設(shè)計(jì)要求，不用調(diào)整溫控措施。

6 結(jié)語

本文對三河口碾壓混凝土拱壩的溫控設(shè)計(jì)方案及施工期溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析總結(jié)：①混凝土的溫控防裂宜從初期壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)著手考慮，通過三維有限元模型模擬拱壩施工過程中的溫度場及溫度應(yīng)力場，找出混凝土容易出現(xiàn)裂縫的薄弱區(qū)，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和溫控方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。②施工期的溫度監(jiān)測至關(guān)重要。測點(diǎn)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)反映壩內(nèi)混凝土的溫度變化情況，便于工程人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫控設(shè)計(jì)方案的不足和施工過程中暴露的問題，隨時(shí)調(diào)整施工方案，保證碾壓混凝土的溫度處于受控狀態(tài)。