天花板碾压混凝土拱坝通水冷却设计

杨子强，林健勇，周飞平

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况

天花板水电站工程位于云南省昭通市境内的牛栏江上，是牛栏江中下游梯级规划的第7级电站。坝址位于牛栏江支流清水河河口上游约1.5 km的天花板峡谷处，大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 076.80 m，最大坝高107.00 m，拱端最大厚度24.086 m。坝顶拱轴线长159.87 m，最小宽度6.0 m，厚高比0.212。表、中孔相间布置，3个表孔的堰顶高程为1 062.50 m，2个中孔进口高程为1 020.00 m，1个排沙孔进口高程为1 025.00 m。

牛栏江流域除上游部分地区属于北亚热带季风气候外，绝大部分地区属于暖温带高原季风气候，年温差大、日温差小，干湿季节明显。由于地形高差较大，形成了较为明显的立体气候，河谷等地势低的地方温度高，降雨量小，高山区温度低，降雨量大。坝址多年平均气温17.2℃，月平均气温以7月份最高，为25.1℃，以1月份最低，为7.8℃。

拱坝属于薄壳体超静定混凝土结构，混凝土的温度变形和收缩变形应力很大，为坝体施工期的主要荷载。同时，拱坝对外界环境温度变化比较敏感，因此，温控防裂问题成为制约整个工程施工质量和施工进度的关键因素。天花板水电站大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝体受水平建基面及两岸基岩约束作用较强，加之高温季节浇筑强约束区混凝土，增大了温控难度。通过有限元仿真计算分析，结合工程实际施工条件，制定了控制混凝土浇筑温度、约束区浇筑层厚、层间浇筑时间，仓面流水养护、表面保温与保湿、埋设冷却水管等一系列温控防裂措施，其中，以坝体内埋设冷却水管进行分期通水冷却为主要温控手段。

2 通水冷却设计

2.1 基本原则

根据温控计算结果，参考其他已建工程经验并结合本工程实际情况，水管通水冷却过程分为3个阶段：①为削减混凝土初期水化热温升峰值，降低坝体混凝土最高温度，对混凝土进行一期通水冷却；②为减小基础温差和控制上下层温差及内外温差，对混凝土进行中期通水冷却；③为进行诱导缝、横缝封拱灌浆，使坝体混凝土温度降到要求的封拱温度，视情况对混凝土进行封拱前的二期通水冷却。

2.2 冷却水管布置

2.2.1 管材选择及铺设方式

天花板大坝冷却水管管材采用HDPE高强度聚乙烯冷却水管，外直径32 mm，内直径28 mm，拉伸屈服应力≥20 MPa，纵向回缩率≤3%；在20℃，承受不低于10 MPa的液压环向应力情况下，1小时内不应漏水；热传导系数应与混凝土的相当。

考虑碾压混凝土拱坝结构特点和施工方式，天花板大坝冷却水管铺设方式采用平行于拱圈中心线布置，根据坝体结构、仓面面积和施工顺序分为5个区，水管出口统一在下游坝面分区界线两侧伸出。水管布置方式分为单水管出口同侧、单水管出口异侧、双水管出口同侧、双水管出口异侧和单水管串联布置。水管间距基础约束区 （0.4 L高程区域）采用1.5 m×1.0 m （水平×竖直）布置方案，弱约束区和非约束区采用1.5 m×1.5 m （水平×竖直）布置方案，平面布置见图1。

2.2.2 通水冷却控制标准

（1）一期通水冷却。基础约束区一期冷却阶段通水不超过20 d，混凝土早期强度较低，为防止混凝土出现早期裂缝，前期降温幅度不宜过大，因此一期通水分两个阶段进行，即温控阶段通水5 d，冷却水温稍高，为15～17℃，目标温度25℃；温降阶段通水15 d，冷却水温8～10℃，目标温度20～22℃。弱约束区和非约束区一期冷却阶段通水时间为21 d，通水水温15～17℃，目标温度22～24℃。

（2）中期通水冷却。由于本工程基础约束区混凝土在高温季节浇筑，坝体混凝土温度下降难度较大，入冬前如不采取坝体温降措施，坝体温度与外界温度温差较大，易导致过冬时混凝土开裂，因此入冬前视坝体温度情况进行中期冷却，通水水温为15～16℃，目标温度17～19℃。弱约束区和非约束区部位也应视坝体温度情况在入冬前进行中期冷却，通水水温15～16℃，目标温度18～20℃。

（3）二期通水冷却。基础约束区通水水温10～12℃，目标温度为设计要求的对应高程的封拱温度。弱约束区和非约束区视坝体温度情况确定是否进行二期通水及通水水温。如灌区所在高程坝体温度达到要求的封拱温度，则不进行二期通水冷却。

（4）通水冷却时要求将混凝土降温速度控制在日降温1℃以内，通水流量前10 d按不小于1.5 m3/h控制，10 d以后按0.6～0.8 m3/h控制。为使混凝土均匀冷却，进出口水流应每24 h调换一次进水方向。一期冷却末应进行温度回升控制，按目标温度±1℃控制。

3 水管冷却效果分析

根据天花板工程碾压混凝土热学性能试验结果，二级配碾压混凝土绝热温升为19.8℃，三级配碾压混凝土绝热温升为15.4℃。以987 m高程Tb1-9温度计 （位于三级配区）为例对水管冷却效果进行分析。该高程混凝土浇筑时未控制浇筑温度，实际浇筑温度达27℃，如果不采用通水冷却的温控措施，混凝土最高温度将达到40℃以上。具体监测结果见图 2～4。

由图2可知，一期通水冷却起到了很好的消除水化热峰值和控制混凝土温度的作用，冷却水管进出水平均温差为5.5℃，混凝土实际温度与未通水冷却相比下降约10℃，冷却效果显著。

图1 坝体冷却水管典型平面布置 （尺寸单位：cm）

图2 987 m高程坝体温度监测及一期通水冷却温度监测

图3 987 m高程二期通水冷却温度监测

由图3、4可知，二期通水冷却21 d，进出水平均温差为3.4℃。通水冷却前坝体温度约为24℃，经二期通水冷却后，混凝土温度约20℃，下降约4℃，达到坝体封拱温度要求。

图4 987 m高程坝体温度全程监测

天花板大坝不同高程各区冷却水管布置原则基本相同，其他部位冷却水管的冷却效果与本文所述典型部位冷却规律基本相同。

4 结语

天花板碾压混凝土双曲拱坝工程实践表明，采用HDPE高强度聚乙烯水管分期通水冷却措施，有效地控制了混凝土温升，冷却效果良好，各区混凝土基本达到预期的目标温度，大坝没有出现因施工期温度应力引起的裂缝。