黄河龙口水利枢纽大坝混凝土温控设计

谢 坤 朱志强 高 诚 赵小娜

龙口水利枢纽总库容1.96亿m3,电站总装机容量420mW,属大(Ⅱ)型工程。枢纽基本坝型为混凝土重力坝,坝顶高程900m,坝顶全长408m,最大坝高51m,坝体混凝土总方量约98万m3。

1 基本资料

1.1 气象、水文

龙口水利枢纽位于东经111°18′、北纬 39°25′,地处黄土高原东北部,属温带季风大陆性气候,冬季气候干燥寒冷、雨雪稀少且多风沙,夏季炎热。气温变化特点是季节变化大,昼夜温差变化大,冰冻时间长,气温骤降频繁,且骤降幅度大、延续时间长。主要气象、水文资料见表1。

表1 主要气象、水文资料统计表℃

1.2 混凝土指标

坝体齿槽与基础接触部位采用抚顺低热矿渣32.5水泥,基础其他部位采用抚顺中热42.5水泥,坝体其他部位采用大同42.5普通硅酸盐水泥,并掺20%～30%粉煤灰,采用人工砂石骨料。混凝土主要力学、热学指标见表2。

表2 混凝土主要力学、热学指标表

1.3 基岩指标

坝址区基础岩石以中厚、厚层豹皮灰岩为主,结构面发育,石质较坚硬。岩体的湿抗压强度为110MPa,弹性模量2×104MPa(水平),泊松系数取0.25。

2 坝体稳定温度场及接缝灌浆温度

2.1 坝体稳定温度场

坝体稳定温度场按平面问题处理,满足拉普拉斯方程。经计算,确定龙口坝体的边界条件如下:库表水温12.75℃;库底水温10.0℃;上、下游垂直段坝面温度11.1℃;坝顶温度13.27℃;下游坝坡温度12.9℃;下游尾水温度10.19℃;上游地表温度10.0℃;下游地表温度10.19℃。龙口大坝各典型坝段稳定温度场分布见图1。

2.2 接缝灌浆温度

坝体混凝土采用柱状分层分块浇筑方法施工,为使各坝块整体作用,在大坝正式挡水前须对纵缝和部分横缝进行灌浆。考虑到重力坝断面较大,坝体内部稳定温度变化不大,故以稳定温度作为灌浆温度。

大坝灌浆分区面积为200～300m2,最大不超过400m2。根据坝体平面稳定温度场计算成果,提出各典型坝段的接缝灌浆分区,将各分区内稳定温度场的分布加权平均,所得出的平均温度作为各分区的灌浆温度。龙口大坝典型坝段接缝灌浆温度:挡水坝段10.5～12.6℃;副安装间坝段10.0～10.1℃;底孔坝段10.05～10.15℃;表孔坝段10.5～12.7℃;隔墩坝段10.8～12.8℃。

图1 坝体稳定温度场分布图

3 混凝土温度应力分析

3.1 混凝土温度应力计算

3.1.1 基础混凝土温度应力计算

基础混凝土浇筑块的温度应力主要指基础温差所引起的浇筑块中央断面的水平正应力,由两部分组成:

(1)混凝土由浇筑温度降至坝体稳定温度时均布温差所产生的温度应力。

(2)混凝土由非均布的水化热温升所产生的温度应力。

表3列出了多种基础块浇筑方案的温度应力计算结果。

表3 基础块混凝土温度场及温度应力表(L=24m)

3.1.2 气温骤降混凝土表面温度应力及保温计算

坝址区气温骤降频繁、降温幅度大,也会使混凝土表面产生温度应力,从而使混凝土表面产生裂缝。经计算,对于可能出现的气温骤降情况,混凝土表面贴最大厚度为25mm的闭孔泡沫塑料板可满足要求。

3.2 混凝土允许温差和允许最高浇筑温度

3.2.1 基础块混凝土的允许温差

根据基础块混凝土温度和温度应力计算,对不同分缝间距和不同浇筑分层情况,基础混凝土的温度应力以不超过相应标号混凝土的允许拉应力为准。经过计算,确定基础浇筑块的允许温差见表4,此时混凝土浇筑块的高宽比为 H/L=1。当 H/L≤0.5时,允许温差应严加控制。

表4 基础混凝土允许温差 ℃

3.2.2 基础块混凝土允许最高浇筑温度

由坝体不稳定温度场计算成果可求得强、弱约束区内最高温升和允许温差,部分浇筑块分层方案的允许最高浇筑温度计算结果见表5。

表5 允许最高浇筑温度℃

3.3 浇筑块内部各月允许温差和允许最高温度

混凝土内外温差应小于20～25℃,对于脱离了基础约束的混凝土也应适当控制内部最高温度。混凝土各月的允许温差和允许最高温度见表6。

表6 混凝土各月的允许温差和允许最高温度℃

3.4 新老混凝土上、下层允许温差

在老混凝土(龄期超过28 d)面上浇筑新混凝土时,新混凝土受老混凝土的约束,上、下层温差越大,新老混凝土中产生的温度应力也越大。上、下层温差控制标准为:新浇混凝土的温度应力应小于混凝土允许拉应力。经计算,在老混凝土面上浇新混凝土,薄层短间歇均匀上升时,上、下层允许温差为18℃,浇筑块侧面长期暴露时应小于15℃;薄层长间歇时,上、下层允许温差为14℃。

3.5 相邻坝块允许高差

由于坝址区气候恶劣,为减少坝块侧面暴露时间,各坝块应尽量均匀上升,避免高差过大,相邻坝块允许高差为6～9m,寒冷季节尤应严格控制。

4 坝内混凝土冷却系统设计

接缝灌浆前要将坝体温度降至稳定温度,若靠自然冷却时间太长,由于工期的限制,坝体冷却不能仅靠自然冷却,必须采取人工强迫冷却措施,使坝体温度在较短的时间内降至稳定温度。采用在坝内分层埋设冷却水管,在后期通低温水加速坝体降温,同时利用冷却水管进行混凝土浇筑初期的通水冷却,以削减水泥水化热温升。

采用有限单元法对混凝土温度场及应力场进行仿真计算,选取22种计算工况,分别对电站坝段、隔墩坝段、底孔坝段等典型坝段冷却水管的间距、埋设方式、通水温度和时间、气温和浇筑温度、混凝土间歇期、混凝土表面保温等方面进行计算。通过对各方案的计算结果进行分析,确定坝体冷却水管的布置和要求。

4.1 坝体冷却水管布置

冷却水管均采用非镀锌普通焊接钢管(黑铁管),总管和干管的规格分别为325mm×8mm(外径×壁厚)和219.1mm×6mm,铺设在各浇筑层中的蛇形支管规格为DN25mm。

冷却支管的布置一般为1.0m×1.5m和1.5m×1.5m(水管层距×水管水平间距)。当浇筑层厚度为1.0～1.5m时,在层中间铺设1层冷却支管;当浇筑层厚度为2.0～3.0m时,在层中间铺设2层冷却支管。

4.2 一期冷却和二期冷却

4.2.1 一期冷却

一期冷却主要有以下几点要求:

(1)通水水温:一期冷却通入的冷却水与混凝土温度之差不得超过25℃,在6～8月份采用天然河水通水降温,其余季节采用深井水(水温约为13℃)通水降温。

(2)通水时间:为了削减水化热温升,需及时进行一期通水冷却。当浇筑温度为5～9℃时,在浇筑后1～2 d开始通水;当浇筑温度为10～12℃时,在浇筑后0.5 d开始通水;当浇筑温度超过13℃时,通水时间应尽可能早。一期冷却通水时间持续15～20 d。

(3)混凝土降温速度不宜过快,日降温幅度不应超过1℃。

4.2.2 二期冷却

二期冷却主要有以下几点要求:

(1)通水水温:二期冷却通入的冷却水与混凝土温度之差不得超过25℃。①当混凝土初温Tc＞30℃时,先通不低于17℃的冷却水;待混凝土温度降至30℃时,改通10～8℃的冷却水;待混凝土温度降至24℃时,再改通4～2℃的冷却水直至混凝土达到稳定温度;②当混凝土初温24℃＜Tc≤30℃时,先通10～8℃的冷却水;待混凝土温度降至24℃时,改通4～2℃的冷却水直至混凝土达到稳定温度;③当混凝土初温Tc≤24℃时,直接通4～2℃的冷却水直至混凝土达到稳定温度。

(2)通水时间:采用分层通水,由低到高,逐层进行。二期冷却一般在混凝土龄期超过半年以后才进行。

不同坝段各区的稳定温度值即为二期冷却结束通水时要求坝体达到的温度,二期冷却即按此标准来控制通水结束时间。坝段停止通水后的实际温度与规定的稳定温度之差不得超过±0.5℃。

(3)为了防止坝体混凝土出现裂缝,混凝土降温速度不应过快,开始通水后的混凝土日降温幅度不应超过1℃。

(4)为了使接缝能充分张开,保证已灌接缝不至因灌浆层以上的混凝土降温产生的温度应力而拉开,要求灌浆层顶面以上有一定附加高度的混凝土与灌浆层同时冷却至相应的灌浆温度。其附加冷却层高度至少为1个灌浆层。

(5)同一接缝两侧坝段、同一灌浆层的上下游两个灌区均应同时冷却,以避免坝段内出现过大的温差。

5 主要温控措施

混凝土坝温度控制设计的目的是防止或者减少混凝土裂缝的发生,温度控制是保证大坝质量的关键因素之一。主要采取以下温控措施:

(1)合理选择材料。采用中、低热水泥,选用合理的混凝土级配,并掺入粉煤灰(掺量控制在30%以内)、加气剂和塑化剂等外加剂。

表7 混凝土浇筑温度 ℃

(2)严格控制混凝土浇筑温度。大体积混凝土结构浇筑温度应满足表7的要求,并采取有效措施控制后期的温度上升,混凝土内外温差应满足表8中规定的允许值,以 防止产生温度裂缝。

表8 混凝土温差允许最高温度℃

(3)合理分层、控制间歇期。在坝体齿槽和强约束区,采用层厚1.0m先浇筑3层,然后浇筑若干层厚1.5m的方式,层间间歇时间为5 d左右;在坝体弱约束区,浇筑层厚度为1.5～2.0m,间歇时间5～7 d;在坝体非约束区,浇筑层厚度为3.0～4.0m,间歇时间7～10 d。

电站坝段横缝间距30m,上、下游方向85.8m,由于其孔洞多、结构尺寸差别大、薄壁结构多,同时受尾水管等结构的影响,基础高差起伏大,因此不宜采用分纵缝的浇筑施工方法。为了保持厂房结构的整体性,改善结构的受力条件,减小厂房基础应力,防止裂缝,方便施工,电站坝段采用以错缝为主、铺以宽槽的综合浇筑方案。在低温季节当相邻块体的温度降到稳定温度时回填宽槽,使之成为整体。

(4)埋设冷却水管,进行通水冷却。

(5)高温天气混凝土温控措施。①降低混凝土浇筑温度,如对骨料进行预冷、冷却拌和水、用冰片或碎冰代替不超过90%的拌和水、在模板或硬化混凝土表面连续均匀地喷洒水等措施;②将混凝土浇筑尽量安排在早晚和夜间气温较低的时间段;③运输混凝土的工具应有隔热遮阳措施,缩短混凝土的暴晒时间;④有条件的部位采用表面流水冷却的方法进行散热;⑤养护期内混凝土的表面温度在任何24 h内的变化不应超过8℃,如温度变幅较大,应采用覆盖保温措施;⑥采用地拢从料堆底部取料,降低骨料温度;⑦在暴露于太阳和干风吹的新混凝土表面应采用湿麻袋覆盖保护,并加盖1层防雨布。

(6)低温天气混凝土温控措施。每年11月～次年3月,或日平均气温低于5℃,或最低气温稳定在-3℃以下时,按低温季节混凝土施工进行控制。主要采取的措施如下:①混凝土浇筑温度不得低于5℃;②新浇混凝土表面至少在浇筑后15 d里保持温度不低于5℃,并在规定养护期内不受冰冻影响;③不应在温度低于1℃的前1层混凝土面或地面上浇筑混凝土;④采用保温模板或加保温材料;⑤在浇筑完成底孔流道的第1个寒冷期,应临时封堵流道及孔洞,防止对流冷空气对流道混凝土产生不利影响;⑥寒冷季节来临之前,尽量减小相邻坝块高差及侧面暴露时间,严格控制拆模时间,防止表面混凝土产生过大的温度梯度。

6 结 语

龙口大坝通过合理选择材料、严格控制混凝土浇筑温度、合理分层及控制间歇期、坝内埋设冷却水管、采取高温及低温天气特殊温控措施等对大坝混凝土温度进行控制,大坝混凝土浇筑完成2年以来未见深层裂缝,表面裂缝也不多,可见本工程的温控设计是合理的。尤其是在坝内埋设冷却水管,在现场一期冷却供水条件不足、高温天气制冷设备不完善等实际存在的不利情况下,通过水管二期冷却,在较短的时间内使坝体温度降至稳定温度,从而保证了坝体接缝灌浆的顺利进行,效果显著。