渡口坝水电站拱坝混凝土温度控制

白 伟 张志雄

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 重庆 400020)

渡口坝水电站工程位于重庆市奉节县新政乡梅溪河上游河段,是梅溪河梯级水电站的龙头水库。工程以发电为主,兼有旅游、防洪等综合效益的Ⅲ等中型工程。水库总库容 9854万 m3,属年调节水库。电站装机容量 129MW,多年平均发电量4.35亿 kW◦h。大坝设计为抛物线形混凝土双曲拱坝,最大坝高 108.5m,坝顶弧线长284.123m,拱冠梁底厚 20m,厚高比 0.184,弧高比 2.62。拱坝共分 16个坝段,设 3层廊道、1个电梯井,在坝顶布置 3孔 12.0m×13.0m(b×h)溢流表孔。拱坝混凝土工程量为 20.5万 m3,工程计划于 2011年完建。

1 设计条件

(1)气温。渡口坝坝址多年平均气温 16.8℃,极端最高气温 39.8℃,极端最低气温 -9.2℃,全年最低月平均气温 5.3℃,最高月平均气温 27.1℃。

(2)水温。坝址区无长序列实测水温资料,仅有 2004～2007年大坝下游康乐镇断面及罗汉大桥断面表层水温监测数据,其中多年月平均气温 20.6℃。

(3)混凝土施工配合比。基础约束区混凝土强度等级为 C9025,三级配水胶比 0.5、粉煤灰掺量 30%、用水量 100kg/m3、水泥用量 140kg/m3、粉煤灰用量 60kg/m3,四级配水胶比 0.5、粉煤灰掺量 30%、用水量 80kg/m3、水泥用量 112kg/m3、粉煤灰用量 48kg/m3;除了基础约束区均为 C9020,三级配水胶比 0.46、粉煤灰掺量 30%、用水量102kg/m3、水泥用量 155kg/m3、粉煤灰用量 67kg/m3,四级配水胶比 0.46、粉煤灰掺量 30%、用水量82kg/m3、水泥用量 125kg/m3、粉煤灰用量53kg/m3。

(4)热学性能。水泥采用中热水泥,粗细骨料为无碱活性的灰岩人工骨料。混凝土热学性能采用武汉大学试验成果。

2 坝体准稳定温度场

2.1 水库水温分析

根据纬度与水温相关关系,库表年平均水温值取 18.8℃,根据表层水温监测数据拟合后,水温年变幅为 8.4℃。考虑进水口出水扰动影响水库水温深度为 20m,水库变温层深度取 70m,库底水温取 13℃。下游水深较浅,水温主要受太阳辐射热影响,下游水面年平均水温 17.3℃,年变幅8.4℃,下游底部年平均水温 13.5℃。坝体下游混凝土表面年平均温度为 19.5℃,年变幅 10.2℃。在溢流面等不受日照影响的部位,混凝土表面温度按气温取值,即年平均温度 16.8℃ ,年变幅8.4℃。坝顶及上游水面以上坝面气温参照下游坝面气温取值。

2.2 准稳定温度场

应用三维有限元程序计算大坝运行期的准稳定温度场。

处于水面以下的基础强约束区混凝土准稳定温度为 12～14℃,基础弱约束区为 12～16℃。处于水面以上的基础约束区混凝土内部准稳定温度为13～17℃。坝体上下游面主要受水温和气温影响,而坝体各高程内部温度为 14～17℃,基本趋于稳定。

以准稳定温度场作为温差计算的起点,对大坝施工期温度场和温度应力进行仿真模拟分析,全面系统地分析其温度及温度应力,确定坝体各部位在不同时段、不同季节的温控标准,提出切合实际的,从简单到复杂的温控措施。

2.3 封拱温度

根据坝体准稳定温度场的分析和计算,拱坝接缝灌浆封拱温度为:高程 470.00～514.50m之间为 12℃;高程 514.50～550.50m之间为 13℃;高程 550.50～578.50m之间为 16℃。

3 温控标准

3.1 温度控制标准

(1)基础允许温差。基础容许温差按河床坝段和岸坡坝段、不同混凝土强度等级分别提出。根据有关规范及工程经验,经计算分析拟定拱坝基础混凝土允许温差见表 1(L为浇筑块最长边尺寸)。

表 1 基础允许温差标准 单位:℃

(2)上下层温差标准。在龄期 28d以上的老混凝土面上浇筑混凝土时,老混凝土面以上 0.25L范围内的新浇混凝土应按上下层温差控制,温差标准为 16.0℃。老混凝土面以上新浇混凝土应短间歇均匀上升,避免再次产生老混凝土。

(3)内外温差。控制拱坝混凝土内外温差不超过 18℃。

(4)坝体设计允许最高温度。根据温差标准和坝体准稳定温度确定的各坝段不同浇筑月份容许最高温度见表 2。当浇筑部位出现老混凝土时,最高温度还应满足上下层温差控制标准。

表 2 坝体设计允许最高温度

(5)坝段高差控制。混凝土施工中,各坝块应尽量均匀上升,相邻坝段高差不大于 12m,整个拱坝上升最高和最低坝段高差控制在 30m以内。

3.2 施工期应力控制标准

根据相关规范计算了不同强度等级的混凝土在不同龄期时的允许拉应力,同时比较了用抗拉强度计算的应力控制标准。施工期应力控制标准见表3。

表 3 施工期混凝土温度应力标准 单位:MPa

4 温控措施

4.1 优选混凝土原材料与配合比优化设计

混凝土的良好性能首先要从原材料选择和优化配合比入手。选用强度等级为 42.5的中热水泥,并掺 30%的Ⅱ级粉煤灰以降低水泥用量。选用弹性模量较小、极限拉伸系数适中、热膨胀系数较小的灰岩作为人工骨料,并优选复合外加剂。大坝混凝土主要采用四级配,进行混凝土配合比优化设计,降低混凝土单位水泥用量,以减少混凝土水化热温升并延缓水化热发散速率,提高混凝土抗裂能力。

4.2 控制拌和楼出机口温度

散装水泥运至工地的入罐最高温度不超过65℃,控制混凝土细骨料的含水率在 6%以下,且含水率波动幅度小于 2%。根据浇筑部位、浇筑月份等因素选择混凝土出机口温度,高温季节拌和楼设计出机口温度为 11℃。通过对混凝土骨料进行预冷,并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出机口温度。

4.3 降低浇筑温度

为防止浇筑过程中的热量倒灌,需加快混凝土的运输、吊运和平仓振捣速度。3～11月运输过程中宜对吊罐等运输设备采取保温措施,以减少运输过程中温度回升。浇筑过程中上坯混凝土覆盖时间必须控制在 4 h之内。根据浇筑部位、浇筑月份等因素,采取恰当的隔热保温措施,保温材料的等效热交换系数 β≤15k J/(m2◦h◦℃)。浇筑仓内气温高于 25℃时需要采取仓面喷雾措施,喷雾后浇筑仓内气温较外界气温至少降低 3℃。尽量避免高温时段浇筑混凝土,应充分利用低温季节和早晚气温低的时段浇筑。高温季节强约束区混凝土最低浇筑温度控制在不超过 16℃。

4.4 控制浇筑层厚及间歇期

在满足浇筑计划的同时,应尽可能采用薄层、短间歇、均匀上升的浇筑方法。根据浇筑部位、浇筑月份等因素控制浇筑层厚和间歇期,高温季节 (4～10月)层厚为 3m,低温季节(11月 ～翌年 2月)层厚可为 1.5～3m。控制混凝土层间间歇期,对 1.5m层厚,层间间歇一般按 5～7d控制;对 3m层厚,层间间歇一般按7～10d控制。

4.5 通水冷却

(1)冷却水管布置。冷却水管采用外径 32mm的 HDPE塑料管,局部区域采用外径 2.54cm的金属管,水管间距一般采用 1.5m×1.5m(水平间距×垂直间距),必要时水管间距采用 1.0m×1.5m或 1.0m×1.0m。

(2)一期通水冷却。一期通水冷却通水时间高温季节不少于 21d,低温季节不少于 15d。前10d通水流量 1.2～1.8m3/h,10d后通水流量 0.5～1.0m3/h。水流方向每 24h变换一次。一期冷却蛇形管入口处水温采用 11±1℃。进口水温与混凝土最高温度之差不超过 23℃。一期冷却结束时的混凝土温度要求为 24±1℃。

(3)中期通水冷却。开始中期冷却的混凝土需同时满足混凝土龄期不小于 60d和混凝土温度高于一冷结束时温度标准。中期冷却在每年的 10～11月进行,中期冷却进口水温与混凝土最高温度之差不超过 15℃。中冷结束标准为混凝土温度冷至 21±1℃。中期冷却最大降温速率每天小于 0.5℃。

(4)二期通水冷却。尽量利用低温季节进行二冷,如在高温季节进行二期冷却,需要加强坝面保温减小内外温差与热量倒灌。同一批二冷的各坝段二冷区范围内的冷却管圈应同时开始二冷,沿高程有适当的温度梯度,即所有冷却管圈通水开始时间相差不超过 1天。第一次二期通水冷却高程范围包括拟灌区、盖重区和过渡区;第二次及以后的二期通水冷却高程范围包括盖重区和过渡区。二期冷却进口水温与二冷前闷水测温得到的混凝土最高温度之差不超过 15℃。二期冷却蛇形管入口处水温一般为 6～10℃。

4.6 混凝土表面保护及保温

龄期小于28d的混凝土暴露面必须进行表面保护,保护标准为等效热交换系数 β≤9kJ/(m2◦h◦℃)。日平均气温 2～3d内连续下降超过 8℃或日气温变幅大于 12℃时,龄期小于 90d的混凝土暴露面也应进行表面保护。对于坝体上下游永久暴露面,在高温季节进行二期冷却时还要进行保温,故对坝体上下游永久暴露面,一直粘贴或覆盖保温材料保护至水库蓄水前。

1 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制 [M].北京:中国电力出版社,1999.

2 刘德富,黄达海,田斌,著.拱坝封拱温度场及温控优化 [M].北京:水利水电出版社,2008.

3 朱伯芳 .大体积混凝土非金属水管冷却的温降计算[J].水利水电技术,1997,(6).

4 胡秀全,李富,王伟奇.大体积混凝土温度裂缝的预防与处理措施 [J].黑龙江水专学报,2004,31(2).