锦屏一级拱坝左岸混凝土垫座温度资料分析

陈 晨 魏 玮 江潜成

（1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；2.河海大学 水利水电学院，南京 210098；3.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌 330099）

锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝是世界上在建的最高拱坝，且坝址地质结构复杂，为改善拱坝坝体应力，合理利用地形条件降低河床开挖施工难度，河床底部设置垫座.对于锦屏以及这样的特高拱坝来说，由于承受巨大的水推力，应力水平高，对坝体的整体性要求高.而垫座直接承受左岸的拱肩推力，其受力特点对混凝土完整性的要求更高，这样才能保证拱坝的安全.锦屏垫座采用常态混凝土浇筑，由于浇筑仓面大，水化热温升高，温控难度高.若控制不当，易产生较大的温度应力，并且容易导致混凝土开裂，裂缝不仅影响垫座外观，还可能影响到拱坝的安全和寿命.为了保证垫座混凝土的完整性、耐久性，同时提高拱坝的安全度，做好拱坝垫座的温度控制极其重要，因此必须加强整个垫座混凝土施工过程中的温度监测工作［1－6］.根据垫座混凝土的施工特点和实际情况，通过对温度资料、温度场的分析，保证温控措施的有效性及垫座在整个浇筑过程中其自身的稳定性，及时发现、掌握、分析垫座混凝土的温度状态，以便及时调整改进温控效果，避免有害情况发生.进一步做好温度监测、温测资料分析工作对保证垫座混凝土的施工质量及完成后期拱坝的施工运行具有重要的意义.

1 工程概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中下游水电开发规划的“控制性”水库梯级，在雅砻江梯级滚动开发中具有“承上启下”重要作用.工程以发电为主，兼顾长江中下游地区防洪等，水库具有年调节能力，对下游梯级补偿调节效益显著.

锦屏一级水电站属于大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物为1级建筑物.其挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程1 885m，正常蓄水位1 880 m，建基面高程1 580m，最大坝高305m，大坝混凝土浇筑总量达252.59万m3，设计装机容量3 300MW，水库库容77.7×108m3，年均发电量162.87×108kW·h，是世界上在建的最高拱坝.该坝址河道狭窄，河流流向N150°E，两岸基岩裸露，为典型的深切V型峡谷，坝址区左岸为反向坡，存在断层（f1，f5，f8，f13）、层间错动带、煌斑岩脉、及深部裂缝等主要地质缺陷，因此在左岸1 730m以上的坝基采用了混凝土垫座置换，来改善坝体应力稳定.

锦屏一级拱坝的垫座是控温难点，垫座设计高程位于大坝左岸拱肩槽1 727～1 885m的高程范围内，设计结构高度158m，混凝土工作量58.2万m3.垫座直接承受左岸1 727m高程以上的拱坝坝肩推力，其受力特点复杂，对混凝土的完整性要求很高；垫座混凝土浇筑仓面大，最大单仓浇筑面积约为2 217m2.工程于2004年开始前期筹建工作，2006年12月4日实现大江截流；截至2012年10月7日，垫座A块浇筑至EL 1 850.0m，垫座B块浇筑至EL 1 855.0m.混凝土垫座布置图见图1.

图1 混凝土垫座布置图

2 垫座温度计监测布置

由于垫座混凝土浇筑仓面较大，整体浇筑极易导致过大温度应力，因此为释放垫座整体应力，垫座混凝土被中部设置的横缝分为A、B两块进行浇筑，温度计测点也根据浇筑的高层分别布置.

A垫座1 730.75～1 753.25.50m 高程之间每隔1.5m 等间距布置4支温度计，1 754.75m、1 757.75～1 772.75m、1 778.75～1 796.75m、1 801.25～1 804.25m高程之间每隔3m等间距布置2支温度计，1 775.75m、1 777.25m高程等间距布置3支温度计，1 759.25～1 805.75m高程之间每隔3m、1 807.25～1 849.25m高程之间每隔1.5m等间距布置1个温度计.截至2012年10月7日，垫座A块浇筑至1 850.00m高程，共埋设了181支温度计.

B垫座高程1 730.75～1 753.25m之间每间隔1.5m等距布置4支温度计，1 754.75～1 759.25m高程、1 781.75～1 783.25m 高程之间每间隔1.5m 等距布置3支温度计，1 760.75～1 804.25m高程之间每间隔1.5m布置2和1支温度计交替布置，1 805.75～1 853.75m高程间每隔1.5m布置1支温度计，在B垫座区域埋设了157支温度计测值中，锦屏A、B垫座共布置338支温度计.垫座温度计测点布置如图2～4所示.

3 垫座温度计测温时间

混凝土从浇筑到硬化需要一个过程，特别是降温至大气温度过程比较缓慢，根据垫座混凝土水泥水化热升温的特点，测温时间分为4个阶段：①从浇筑完成后2h第一次测温开始，7d内每2h监测一次；②从第8d开始至第21d，每4h就监测一次；③第22d开始每12h监测一次；④90d以后每天监测一次.

4 垫座温度计监测数据分析

4.1 降温幅度及速率控制标准

垫座混凝土分一期冷却、中期冷却、二期冷却3个阶段进行混凝土冷却降温，各温度控制阶段应严格控制混凝土的降温幅度及降温速率.具体控制标准见表1.

表1 垫座混凝土各阶段降温控制表

为使各阶段的降温尽可能均匀平顺，同时降温速率满足要求，各期冷却降温时间不宜低于表1规定值.

4.2 温度计测值变化规律

根据垫座温度计监测数据，由于A、B垫座1 730.75m高程监测序列较长，有较强的规律性，故选取A、B垫座1 730.75m高程温度监测资料作典型分析，分别绘制A、B垫座1 730.75m高程各个测点的混凝土温度－时间过程线（如图5～8所示），并列出A、B垫座1 730.75m高程测点特征值统计表（表2～3）.

图7 B垫座1 730.75m高程 TA－1730.75－1～4测点温度计测值过程线

图8 B垫座1 730.75m 高程，TB－1730.75－1测点温度计测值过程线

表2 A垫座1 730.75m高程各测点温度计特征值统计表

表3 B垫座1 730.75m高程各测点温度计特征值统计表

1）由1 730.75m高程典型温度过程线及特征值表分析，垫座混凝土的降温过程分为4个阶段：①垫座混凝土下料浇筑开始时通水冷却，由于水化热作用，混凝土温度逐渐升高，刚浇筑部分温度快速上升，达到最高温度后，继续通水冷却，温度较快速下降，少数测点一期冷却降温最大速率超过设计一期冷却降温最大速率0.5℃／d；②一期冷却以后，为了控制混凝土一期冷却结束以后的温度回升，通过中期冷却的缓慢降温，减小混凝土二期冷却时的降温幅度，一期冷却结束后即进入中期冷却阶段，中期冷却阶段的温降较为缓慢，降温速率均超过设计最大中期冷却降温速率0.3℃／d.中期冷却有效地消除了二期冷却前的回温带来的不利影响，降低了开裂的风险；③中期冷却结束后，混凝土温度略微上升，为了达到混凝土温度降低至设计封拱温度的要求，对垫座混凝土采取二期通水冷却，二期冷却阶段，混凝土温度降低速度较为缓慢，部分测点的二期冷却降温速率稍高于设计最大二期冷却降温速率0.3℃／d；④温度降至目标二期冷却温度（12～15℃）后停止二期冷却，此后混凝土温度趋于稳定.

2）A、B区垫座1 730.75m高程测点相比较：由于相同高程B垫座先进行浇筑，故B垫座4测点先达到最高温度，并且由于B垫座3月份浇筑时的外界温度低于A垫座6月份浇筑时的温度，所以同一高程B垫座4测点最高温度低于A垫座4测点的最高温度，B垫座一期冷却平均结束温度也略低于A垫座，A、B高程之间通水冷却结束后的平均温度相差不大，且各高程处温度从上游至下游基本相等.

3）A、B垫座所有测点综合分析：①A垫座区域181个测点温度计测值均未超过设计允许的最高温度；一期冷却结束后温度低于设计下限的温度计有126，占69.61%；温度没有高于设计上限的温度计，可以看出一期冷却结束温度偏低；一期冷却最大降温速率超过设计标准的温度计有114，占62.98%，但超标幅度较小.中冷温度范围不符合设计标准的有15支，占8.28%，中冷最大速率超过设计标准的有42支，占23.20%，超标幅度较小.二期冷却最大降温速率超过设计标准的温度计有94支，占51.93%，超标幅度相对不大；②B垫座区域已埋设的157支温度计测值中，有1支超过设计允许的最高温度，占0.63%；一期冷却结束温度低于设计下限的温度计有131支，占83.43%，一期冷却结束温度高于设计上限的温度计5支，占3.18%，可以看出一期冷却结束温度偏低；一期冷却最大降温速率超过设计标准的温度计有124支，占78.98%.中冷温度范围不符合设计标准的有57支，占36.04%；中冷最大速率超过设计标准的有98支，占62.42%.二期冷却最大降温速率超过设计标准的温度计有84支，占53.50%.

4.3 温度场分布分析

依据2012年9月29日温度计测值绘制出A、B垫座的纵剖面温度等值线图，如图9～10所示.

图9 A垫座温度等值线图

图10 B垫座温度等值线图

根据施工期温度场计算成果，经分析可以看出：

1）A垫座最高温度是30.9℃，出现的位置是高程1 747.75m，出现的时间为A垫座施工期的第1 221d，主要原因是此部分垫座混凝土刚浇筑不久，内部大量水化热尚未散发出去，混凝土中心温度较高，混凝土绝热温度较浇筑温度高，且环境温度也较高.B垫座最高温度是20.9℃，出现的位置是高程1 753.75m，出现的时间为B垫座施工期的第1 295d.主要原是此部分坝体混凝土浇筑仅有40d，内部水化热尚未完全散发出去，环境温度也较高.

2）截至2012年9月30日，A垫座1 815.5m高程以下混凝土、B垫座1 820m高程以下混凝土浇筑已有很长时间，垫座内部温度基本处于稳定状态，经过一期冷却、中期冷却、二期冷却后，混凝土中心温度较低，一直保持在12～15℃左右，且几乎不受外界环境温度影响.A垫座1 833.5m高程以上部分，浇筑完成时间较短，部分高程一期冷却期还未结束，混凝土内部大量水化热还没有散发出去，温度较高，垫座温度基本上随高程的增加呈台阶形变化.B垫座1 838.0 m高程以上部分，浇筑完成时间稍长，一期冷却阶段基本结束，垫座内部混凝土温度基本处于19～21℃之间.

3）A垫座1 815.5m高程以下和B垫座1 820m高程以下部分，混凝土浇筑完成时间已久，二期冷却已经结束，且混凝土温度趋于稳定，垫座混凝土由表及里温度逐渐降低，垫座表面温度梯度大，垫座内部的温度梯度小，主要原因是由于环境温度对垫座表面混凝土的温度影响较大，对垫座内部混凝土的温度影响较小，表面温度约比内部温度高2～3℃.垫座1 833.5m高程以上部分与浇筑期龄有关，混凝土中心部位散热慢，靠近表面处受环境温度影响散热快，A垫座1 833.5m高程以上混凝土由表及里温度逐渐升高，靠近表面温度梯度大，垫座内部的温度梯度小.随着时间的推移，经过一期、中期、二期冷却，垫座1 833.5m高程以上部分混凝土中心温度也会逐渐降低.由于垫座表面混凝土受气温影响较大，故夏季表面温度高于内部温度.总的来说，锦屏垫座浇筑完成部分已基本处于稳定状态，温降速率较为缓慢，温度测值沿高程和水平方向的变化均较平稳，温差在空间上的梯度较为均匀，故温度应力较小，减少了微裂缝的产生，进一步保证了垫座的安全性和稳定性.

5 结 语

通过研究发现锦屏一级拱坝温控的关键在于垫座混凝土温度的控制以及混凝土温降空间和时间的梯度控制.对施工以来锦屏一级拱坝垫座的温度监控资料进行分析，同时绘制施工期垫座混凝土的温度场图并进行变化规律分析，确定了垫座在整个浇筑过程中和浇筑完成以后，其自身的稳定性能够得到保证，最终确定垫座的安全性和稳定性，保证锦屏一级拱坝后期施工运行的永久安全.此方法可用于验证拱坝垫座施工期温控方案验证能否满足大坝温控标准，为施工指导提供依据具有重要的意义.

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