亚碧罗碾压混凝土重力坝温控方案初步设计

张怀芝 吴朝月 段大琪 文胜良

1 工程概况

亚碧罗水电站位于怒江中游河段,是怒江中下游梯级规划的第7个梯级,坝址距离昆明市约616 km,工程是以发电为主的水电枢纽工程,电站装机容量为2 100 MW,水库正常蓄水位1 079 m。拦河坝为碾压混凝土重力坝,坝顶高程1 082.00 m,最大坝高165.00 m,为高碾压混凝土坝；坝顶宽度18 m,坝顶轴线长度374 m,混凝土坝共18个坝段,最大横缝间距为25 m,最小横缝间距18 m。坝体混凝土工程量约240.5×104m3,其中碾压混凝土约200.7×104m3。

2 基本资料及计算参数

2.1 气象、水温资料

根据福贡站、泸水气象站资料统计,亚碧罗坝址多年平均气温16.9℃,极端最高气温37.5℃,极端最低气温-2.8℃,多年平均水温14.2℃,多年平均地温18.8℃,多年平均风速1.9 m/s。年平均降雨量1 199 mm,年平均相对湿度为71%,多年平均风速为1.9 m/s。

各月气温、水温具体见表1。

表1 亚碧罗水电站坝址处气温及水温资料℃

2.2 混凝土材料及分区

坝体上游面及下游水面以部位采用二级配富胶凝碾压混凝土作为主要防渗体,中部及下游水面以上部位采用三级配碾压混凝土。基础垫层采用1.5 m厚的常态混凝土。考虑到大坝碾压混凝土施工期比较长,承受荷载晚的特点,混凝土强度设计龄期采用180 d。

2.3 混凝土及基岩物理参数

根据亚碧罗工程试验资料,温度场仿真计算采用的物理参数试验值见表2。

表2 亚碧罗温度场仿真计算参数

2.4 坝体施工进度安排

按第3年7～10月份顺序开始各坝段基础部位混凝土浇筑,除结构需要或特殊情况外,碾压层厚度采用每层30 cm的通仓薄层连续铺碾,一般强约束区连续升程为1.5 m,弱约束区和非约束区连续升程为3.0 m,层间间歇为5～7 d。第5年11月中旬导流隧洞下闸封堵。第6年1月第1台机组正式投产发电。

3 稳定温度场

3.1 边界条件

裸露在大气中的坝体面受日照影响,取19℃；库前水温见表3；下游水垫搪底部水温14.6℃,表面水温17.1℃,中间取直线变化；坝体建基面温度按上游坝踵和下游坝趾处水温,中间取直线变化(见表3)。

表3 年平均库前水温

3.2 稳定温度场

坝体稳定温度场计算成果如图1。

图1 坝体稳定温度场

4 温度控制标准

4.1 基础温差控制标准

当碾压混凝土28 d龄期极限拉伸值不低于0.70×10-4时,其碾压混凝土坝基础允许温差见表4。当基础约束区常态混凝土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,短期间歇均匀浇筑上升的浇筑块、基础允许温差见表4规定的数值。

表4 混凝土基础允许温差 ℃

4.2 新老混凝土温差

考虑到本工程的重要性,控制标准如下。

(1)约束区混凝土原则上不允许长间歇,但是,一旦出现间歇大于28 d时,控制碾压混凝土新老温差不大于13℃；垫层常态混凝土新老温差不大于16℃。

(2)非约束区新老混凝土温差控制标准为15℃。

4.3 内外混凝土温差

碾压混凝土的内外温差控制不超过17℃,常态混凝土的内外温差控制不超过21℃。

4.4 最高温度控制标准

坝体混凝土允许最高温度取决于稳定温度、基础温差、内外混凝土温差和新老混凝土温差等。目前,在设计及施工中为了便于控制,一般均以坝体最高温度作为控制参数。亚碧罗大坝不同部位混凝土允许最高温度控制标准见表5。

表5 坝体混凝土允许最高温度控制标准 ℃

5 不稳定温度场仿真计算与温控方案设计

5.1 三维仿真计算

建基面高程以下基岩厚度取1.5倍坝高,上下游方向取1.5倍坝高。离散坝体及坝基岩体采用空间8节点等参实体单元,坝段铅直向单元层厚0.5 m,上下游方向分为10层单元,上下游面附近较密,中心较稀。整个坝段模型共剖分单元11 600个,节点9 018个,其中大坝坝体剖分单元10 940个,基岩结构剖分单元660个。

施工期从下往上逐层浇筑混凝土时,上下游边界暴露于大气中,为第三类边界条件；蓄水后上游面按库前不同高程水温取值,下游面与尾水接触部分按尾水温取值,与水接触部分为第一类边界条件,否则仍为第三类边界条件。左右两侧的散热可按绝热条件处理,属于第二类热学边界条件。坝顶暴露面随浇筑高度上升,间歇期间属第三类边界条件。

5.2 温控方案及计算成果分析

一般而言,大坝的温控方案应尽可能满足简单易行、经济合理以及安全可靠等要求。对于碾压混凝土重力坝而言,温控设计的重点在于控制基础温差、内外温差和新老温差,控制混凝土最高温度,以此达到防裂的目的。在该思想的指导下,展开了以下多种方案(见表6)的仿真计算研究。

表6 温控仿真计算方案

参考同类工程,根据经验初拟温控方案1、2,经仿真计算,其最大温度包络图见图2和图3,各部位最大温度值见表6,具体分析如下。

方案1:7月初开始浇筑,则垫层混凝土浇筑时气温高,计算表明最高温升达到33.1℃,超过了最高温度控制标准要求。强约束区浇筑时为8～10月,最高温升为32.5℃,远超过该部位27℃的控制标准。弱约束区最高温升达到30.2℃,超过该部位允许最高温度标准。非约束区混凝土最高温度达34.9℃,仍高于最高温度控制标准。

方案2:10月初开始浇筑,则垫层混凝土浇筑时气温仍比较高,计算表明最高温升达到31.3℃,超过最高温度控制标准要求。强约束区混凝土浇筑时则遇到低温季节,最高温温升为27.6℃,稍高于最高温度控标准。弱约束区浇筑时间为2～5月份,最高温升达到32.0℃,超过该部位29.0℃允许最高温度标准。非约束区坝体混凝土浇筑则遇高温季节,如图3计算结果显示,坝体中上部大面积的区域最高温升均超过34℃允许最高温度控制标准。

通过对方案1、2的仿真计算及分析,可知:高温及次高温季节浇筑时混凝土温升超标严重,需针对性地加强该时段的温控措施；另外,垫层也需进一步严格温控措施。因此,针对性地设计了温控方案3、4(见表6中所示)。其仿真计算结果见图4和图5,各部位最大温度值见表6。

方案3:如图4最大温度包络图所示,强约束区大部分区域为27.7℃,最大值达28.1℃,超过了允许最高温度27℃的控制标准。由于该部位混凝土浇筑时间为8～10月份,因此需进一步加强高温季节约束区温控措施。其余部位基本满足最高允许温度控制标准。

方案4:如图5最大温度包络图所示,弱约束区大部分区域为28.5～31℃,最大值达32.1℃,超过了允许最高温度29℃的控制标准。由于该部位混凝土浇筑时间为12～翌年3月份,因此需进一步加强低温季节约束区温控措施。其余部位基本满足最高允许温度控制标准。

通过对方案3、4的仿真分析,可知:对于高温及低温季节施工的约束区混凝土需进一步严格温控措施,因此针对性地设计了温控方案5、6(见表6中所示)。其仿真计算结果见图6和图7,各部位最大温度值见表6。

方案5:如图6最大温度包络图所示,垫层最大温度为27.1℃,强约束区最大为27.1℃,弱约束区为24.0～25.9℃,非约束区为25.9～33.8℃,均满足表5中的各部位允许最高温度控制标准。

方案6:如图7最大温度包络图所示,垫层最大温度为26.3℃,强约束区最大为23.5℃,弱约束区为23.5～28.0℃,非约束区为28.0～33.1℃,均满足表5中的各部位允许最高温度控制标准。

5.3 合理的温控方案

通过以上对亚碧罗碾压混凝土重力坝各温控方案的设计及其仿真分析可知,方案5、6为合理的温控方案,因此,确定出了亚碧罗大坝混凝土温控合理的方案,详见表7。

6 结 语

碾压混凝土重力坝温控设计的重点在于控制基础温差、内外温差和新老温差,但在设计及施工中为了便于把握,一般将其化为坝体最高温度作为控制参数,以达到温控防裂的目的。本文利用三维有限元法,对亚碧罗碾压混凝土重力坝温度场进行了多种温控方案的仿真计算分析,以坝体混凝土允许最高温度为控制标准,最终确定了合理的温控方案。

表7 亚碧罗大坝混凝土工程合理的温控方案

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 朱伯芳.有限单元法原理与应用(第2版)[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

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4 王志国,包日新.玄庙观碾压混凝土拱坝温度控制设计[J].水利水电工程设计,2008,27(1):20-22.

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