黄花寨氧化镁混凝土拱坝设计

熊 杰，徐 江，杨卫中

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002）

黄花寨氧化镁混凝土拱坝设计

熊 杰，徐 江，杨卫中

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002）

黄花寨水电站混凝土拱坝是我国第一座坝高超过100m的外掺碾压氧化镁混凝土拱坝。该拱坝的设计从筑坝材料研究、体型优化、温度场和应力场的仿真分析等方面进行较全面的研究计算工作。在大坝混凝土浇筑过程中，由于混凝土级配、胶材用量、施工进度的变化，通过仿真分析对坝体分缝和温控增设进行调整。经施工期及初期蓄水运行埋设仪器的监测资料，反映拱坝工作状态正常，基本达到氧化镁混凝土拱坝的设计要求。

黄花寨水电站；拱坝设计；碾压氧化镁混凝土；仿真分析；温控

1 概述

黄花寨水电站位于贵州省长顺县境内，是蒙江流域格凸河干流上第三级电站，装机2×30MW。水库正常蓄水位795.5m，总库容1.748亿m3，工程等别为Ⅱ等大（2）型。坝址区多年平均气温15.1℃，极端最高气温34.1℃，极端最低气温-8.5℃。坝址处河床高程703m，宽45m，两岸850m高程以上地形较陡，以下渐缓，呈基本对称的“U”形横向河谷，宽高比2.2，大部分地段基岩裸露，出露地层为石炭系下统摆佐组和中统黄龙群，岩层产状平缓，倾角约15°。

拦河坝最大坝高108m，为碾压混凝土双曲拱坝。为简化坝体混凝土的温控措施，在初步设计阶段提出全坝外掺氧化镁的意见，施工图设计时对此展开了设计研究工作，并委托某单位进行坝体温度场和应力场的仿真分析计算。大坝于2007年2月初浇筑垫层混凝土，4月初开始坝体碾压混凝土施工，由于某些原因的干扰，施工断断续续，2009年4月碾压到759.8m高程，工程停工。至2010年1月复工，9月底开始下闸蓄水，2011年初浇筑至坝顶高程。

2 枢纽布置及拱坝设计

2.1 枢纽布置

枢纽建筑物的布置尽量使坝体结构单一，以减小对大坝施工的干扰，有利于坝体的快速施工。枢纽布置采取厂坝分开、短隧洞引水的布置方案。溢流表孔布置在河床坝段，净宽3m×10m，水力学雾化实验成果表明，表孔泄洪时，雾化雨强小于10m m/h，不影响发电厂区建筑物及设备的安全。枢纽布置见图1。

图1 枢纽平面布置图

2.2 拱坝设计

拱坝分析计算采用A D A SO多拱梁程序，以拱坝体积为目标函数进行优化，几何约束及应力约束为约束函数，根据应力计算的拱端力系成果，进行坝肩抗滑稳定验算，综合比较后确定了椭圆线型拱坝。

在坝体应力要求均匀合理的前提下，为了使拱端形成较大的推力角，椭圆曲线长轴顺河向布置，拱圈曲率半径由拱冠向两岸逐渐减小，使曲线逐渐扁平。拱圈中心角遵循顶部及底部取小值，中下部取大值，适应坝体中下部较大的应力，而中上部曲线扁平化有利于坝肩稳定的特点。由于两坝肩基岩变形模量在不同部位相差较大，为适应其变化情况，水平拱圈由拱冠向两岸沿弧长逐渐加厚，使拱圈应力趋于均匀。最终用于施工的拱坝主要体型参数特征值见表1。

优化后坝体混凝土减少17.7%，约6.3万m3，石方开挖减少17.9%，约5.2万m3。

3 氧化镁混凝土应用设计

3.1 材料优选

氧化镁混凝土拱坝的设计，首先需要优选坝体混凝土的拌和料，诸如水泥、掺合料、骨料、外加剂。在选定拌和料后进行氧化镁混凝土的自生体积变形试验，根据实验获得的变形曲线，对拱坝温度场和应力场进行仿真分析。

水泥选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能及水化热等基本技术参数如表2。

混凝土掺合料选用粉煤灰，经检测，其品质满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（D L/T 5055-1996）中国家Ⅱ级粉煤灰标准。人工骨料采用坝址附近厚层石灰岩扎制，砂的细度要求为中砂，石粉含量按16%～20%控制。

氧化镁采用轻烧氧化镁，要求大于90%。其主要指标等检测试验结果见表3。

表1 拱坝体型参数特征值

表2 水泥物理、力学性能及水化热检测表

表3 氧化镁性能检测表

3.2 混凝土试验

3.2.1 氧化镁压蒸试验

为了了解不同氧化镁掺量对水泥、混凝土的影响，分别进行净浆、砂浆、一级配混凝土压蒸试验。压蒸试验结果见表4～表6。

表4 净浆压蒸试验表

表5 砂浆压蒸试验表

表6 一级配混凝土压蒸试验表

试验结果表明，粉煤灰掺量为60%时，净浆、砂浆、一级配混凝土中氧化镁的极限掺量分别为3.01%、7.65%、8.77%。配合比试验以一级配试验成果为准，对所选掺量乘以安全系数0.85，即粉煤灰掺量为60%时，氧化镁最高掺量为7.53%。混凝土配合比试验氧化镁掺量采用6%。

3.2.2 混凝土配合比试验

坝体三级配混凝土大石、中石和小石的比例分别为30%、40%和30%，二级配混凝土中石和小石的比例分别是60%和40%。混凝土配合比见表7，材料特性见表8。

根据混凝土配合比，开展氧化镁混凝土自身体积变形试验，按不同氧化镁掺量（即0%、5.0%、6.0%、7.0%）、粉煤灰掺量（65%、60%、40%）及不同温度（20℃、30℃、40℃）条件下进行，试验结果见表9、表10、表11。

表7 拱坝混凝土设计配合比

表8 拱坝混凝土材料特性

表9 混凝土自身体积变形性能试验（10-6）（20℃）

表10 混凝土自身体积变形性能试验（10-6）（30℃）

表11 混凝土自身体积变形性能试验（10-6）（40℃）

从现场气象条件出发，考虑其他因素，结合已建氧化镁混凝土拱坝的原型观测资料，研究后采用80μ ε用于仿真计算。

3.3 仿真分析与温控

3.3.1 仿真分析

采用温控仿真分析程序Sa pT i s进行了温度场、应力场仿真计算、计算参数除前述的基本参数外，弹性模量、水化热温升均根据实验数据拟和求得，模型均采用双曲线型，碾压混凝土的绝热温升实验值和拟合值见图2。由于缺乏实验资料，混凝土的徐变参照类似工程的实验数据予以拟合。

图2 混凝土绝热温升曲线

计算单位按照施工组织计划提供的坝体混凝土浇筑计划进行仿真分析，考虑坝址气象条件，冬季较温和，夏季气温高，而坝体一部分混凝土可能在夏季进行浇筑。首先提出全坝不设缝（诱导缝或横缝），在夏季高温季节适当增加通水冷却的方案。其坝体拉应力在允许范围。见图3。

当设计方案提出后，现场进行的混凝土配合比生产性试验出现了问题，由于施工单位混凝土生产系统配备的是连续性混凝土拌和机，其搅拌时间偏短而经厂家现场试验也不能延长，即氧化镁不能在混凝土拌和时掺加。通过在拌和楼外掺氧化镁试验，发现氧化镁掺加不均匀，不能满足要求。故改在水泥厂内掺，即采购氧化镁半成品在水泥厂与水泥熟料共磨，从而使其在水泥中均匀分布，解决了混凝土内氧化镁的均匀性的问题。在与水泥厂家谈判时，厂家囿于行业规定不愿出厂水泥的氧化镁含量过高，最终结果将水泥中的氧化镁含量按水泥的6.5± 0.5%出厂。由此，使得原坝体混凝土设计配合比中氧化镁的掺量达不到设计预期的6%，仅达到2.4～2.9%。根据前期混凝土试验成果、混凝土现场配合比试验及以往氧化镁混凝土拱坝的应用经验，在综合平衡混凝土水化热及混凝土自身体积变形的影响后，将拱坝混凝土设计配合比作相应调整，见表12。通过对坝体氧化镁混凝土配合比的调整，在水化热略微上升的基础上，使氧化镁的掺量达到3.1～3.6%，同时减弱粉煤灰对微膨胀的抑制，尽量弥补由于氧化镁的掺量达不到设计预期而导致的微膨胀量减少。

由于氧化镁掺量的降低，混凝土的微膨胀达不到设计预期，通过充分论证，采用60μ ε重新进行仿真分析。首先对施工方案进行复核，由于氧化镁的补偿不足，较多部位拉应力超标，需要进行调整。第二次计算结果，确定设两条横缝，见图4。采用该方案施工，取消了坝体通水冷却措施。设计按二次仿真分析提供的方案，对施工图进行修改。

图3 坝体无缝、中面最大拉应力等值线图（单位：MP a）

表12 拱坝混凝土施工配合比

图4 坝体设两条缝、中面最大拉应力等值线图（单位：MP a）

由于各种原因，坝体混凝土浇筑过程不够顺利，当上升到760m高程时，全面停工。一年以后开始复工继续进行工程建设，对此又再次进行仿真分析。计算单位结合设计意见，提出在770m高程增加两条诱导缝的方案，见图5。

大坝按第三次仿真分析后的方案施工完成。

3.3.2 温控措施

氧化镁混凝土拱坝通过氧化镁自生体积变形产生的补偿作用，作为混凝土的主要温控措施。但是在高温季节浇筑混凝土时，辅以其他的一些常用的简易温控手段也是必要的，设计要求黄花寨拱坝在高温季节施工中采用如下一些温控措施：

（1）尽可能降低混凝土出机口温度。对拌和系统的水泥罐和煤灰罐设管路喷水，在拌和系统的骨料仓上空安装防晒网，减少太阳光对骨料的直射，降低出机口混凝土的温度。

（2）防止混凝土运输过程中温度回升。对运输混凝土的自卸汽车安装帆布棚，将车上混凝土全部覆盖，减少太阳光直射引起的温度回升。

（3）仓面施工控制。高温天气时，在太阳光的照射和大风条件下，采用仓面喷雾降温，并用麻袋和彩条布覆盖，保持仓面混凝土一直处于湿润状态。

4 结语

黄花寨碾压氧化镁混凝土拱坝施工过程中，在700m高程时停工9个月，在759.8m高程时停工13个月。虽然设计方案也随着进行调整，但实际坝体的温度场和应力场总是难以完全模拟，不利的因素还是存在的。

由于业主提前投产的生产目标需要，2010年9月大坝浇筑至795.5m高程（正常蓄水位）时，水库下闸蓄水。此时上部坝体混凝土温度未降到封拱温度，同时由于诱导缝部位混凝土是2010年4月开始浇筑，还未经过一个低温季节，经测缝计观测，除两条横缝740m高程以下有0.2m m的张开度外，其余部位尚未发现有张开的迹象，因此，大坝在未进行横缝灌浆的情况下蓄水运行。目前，大坝温度已接近封拱温度，计划在入冬以后，进行横缝及诱导缝灌浆。

黄花寨大坝是第一座坝高超100m采用全坝外掺氧化镁混凝土筑坝技术设计建成的拱坝，设计根据施工进度的变化，利用仿真分析手段，进行多次方案调整，将不利因素影响尽可能降低，使工程顺利建设完成。黄花寨氧化镁混凝土拱坝的设计对类似工程具有一定的借鉴意义。

图5 坝体设四条缝、中面最大拉应力等值线图（单位：MP a）

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1672-2469（2015）05-0098-07

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.031

熊 杰（1974年—），男，高级工程师。