白鹤滩大坝中热与低热水泥混凝土温控对比分析

(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45 km，上接乌东德梯级电站，下邻溪洛渡梯级电站。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，促进地方经济社会发展和帮助移民群众脱贫致富。

白鹤滩水电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m，坝顶厚度14.0 m，最大拱端厚度83.91 m，含扩大基础最大厚度95 m，坝体混凝土方量约803万m3。大坝坝顶弧长约709.0 m，分30条横缝，共31个坝段。高程750.0 m以上基础(1～3号坝段)设混凝土垫座，4～25号坝段底部设扩大基础。大坝不设纵缝，采用通仓浇筑。双曲拱坝坝身设6个表孔+7个深孔+6个导流底孔，布置于拱坝中央的15～22号坝段。拱坝全年施工，施工年限长，施工条件复杂。

白鹤滩工程地处亚热带季风区，干热河谷特征明显，年平均气温21.95℃；多年平均蒸发量2 393.5 mm；年均风速1.7 m/s，年均大风(风速≥17 m/s)日42.8 d。多年观测统计的月平均气温见表1。

表1 多年月平均气温统计 ℃

白鹤滩拱坝混凝土温控主要有以下特点：①坝址区干热河谷气候明显，冬季干燥、风大；②拱坝径向尺寸与类似工程相比较大，体形复杂；③大坝需全年浇筑、全年封拱灌浆，施工条件极其复杂；④拱坝混凝土采用灰岩骨料，材料综合抗裂能力较好；⑤大坝混凝土温控采取智能化控制，包括智能化测温、智能化通水等，专业化要求高；⑥大坝首次全面采用低热水泥，在国内乃至世界上具有开创性意义。

2 混凝土材料试验及计算参数

根据两种水泥材料的混凝土性能试验对比，7 d龄期的低热水泥混凝土强度略低于中热水泥混凝土；28 d 龄期的两种水泥混凝土强度接近；90 d龄期以后的低热水泥混凝土强度增幅较大，甚至较中热水泥混凝土更高。

低热水泥混凝土绝热温升明显低于中热水泥混凝土，且发热速率更慢。C18040低热水泥混凝土在3, 5, 28 d龄期的温度较中热水泥混凝土分别低约4， 3.9，2.2℃。

图1 大坝最高温度控制分区(下游立视)

根据混凝土材料试验结果，拟定计算采用的中热、低热水泥混凝土热力学参数见表2与表3。

表2 中热、低热水泥混凝土热学性能参数

注：t为混凝土龄期，d。

3 温控标准对比

3.1 基础混凝土容许温差

白鹤滩工程规模巨大，因此对大坝混凝土抗裂安全要求高。大坝混凝土超大断面尺寸，受基岩作用强，分别采用约束系数法、有限元法对基础温差应力进行计算，分析其允许温差值。

表3 中热、低热水泥混凝土劈拉强度

采用约束系数法计算，中热、低热水泥混凝土的容许温差值分别为14.53℃与15.48℃。有限元法计算结果显示，中热、低热水泥坝体混凝土基础容许温差分别为16.51℃与15.15℃。

分析两种水泥混凝土的计算成果，白鹤滩拱坝中热、低热水泥混凝土基础容许温差接近，温差控制标准基本一致。

3.2 最高温度控制标准

根据大坝混凝土基础容许温差的对比计算结果，以及对白鹤滩拱坝混凝土抗裂提出的要求，拱坝混凝土采用两种水泥材料的最高温度控制标准相同，即不超过27℃与29℃，控制标准分区如图1所示。

4 抗裂性能对比

混凝土材料试验成果表明，低热水泥混凝土总体上性能较好[1]，但也存在早期强度发展偏慢的问题。采用有限元仿真计算，分析了中热、低热水泥混凝土分期冷却过程中的温度、应力、抗裂安全系数，以及早龄期的混凝土表面抗裂能力，对比2种水泥混凝土的温控抗裂性能。

4.1 整体降温过程中混凝土抗裂安全性

选取河床28号坝段建立三维有限元模型，为更真实地反映边界条件，选取左、右各一个坝段作为计算模型，即27号与29号坝段为28号坝段约束边界条件[2]。三维计算模型见图2。

图2 28号坝段计算模型

计算起始浇筑月份为7月、1月的工况，分别代表高、低温浇筑季节，中热、低热水泥混凝土采用相同的温控措施方案进行模拟，温度、应力计算结果[3]见表4。大坝冷却分3期进行，其中1期冷却主要控制混凝土温度峰值，混凝土浇筑后即可开始；2期冷却主要指拱坝封拱灌浆前的冷却阶段，2期冷却目标温度即为拱坝的封拱温度；为实现缓慢均匀降温，在1期冷却与2期冷却之间设置中期冷却，作为两个冷却阶段的过渡。

表4 28号坝段基础约束区各期冷却温度、应力计算

注：表中σx为顺河向应力；k为安全系数，即混凝土劈拉强度除以拉应力值。

经分析计算得出如下结果。

(1)中低热水泥混凝土最高温度均能满足最高温度控制标准，同等条件下，低热水泥较中热水泥混凝土最高温度低约1.6℃，且整个坝段的高温区范围明显缩小。

(2)在1期降温阶段，低热水泥混凝土因温度峰值低，降温幅度也较小，1期冷却末拉应力水平相对较低，各工况下的低热水泥混凝土最大拉应力较中热水泥混凝土低 0.21～0.29 MPa，对应的混凝土抗裂安全系数高约 0.3。

(3)中期冷却阶段，中、低热水泥混凝土的降温幅度在相同条件下，控温阶段拉应力水平缓慢下降，中热水泥混凝土的应力降幅更明显，在中期冷却末拉应力达到最大值。各工况下的低热水泥混凝土最大拉应力较中热水泥混凝土低 0.23～0.40 MPa，随着混凝土强度的提高，低热水泥混凝土的抗裂安全系数增大至 2.4以上，中热水泥混凝土抗裂安全系数则在 1.9左右。

(4)2期冷却末，混凝土温度降至封拱温度，混凝土拉应力达到峰值，抗裂安全系数也降到最低。低热水泥混凝土各工况下的最大拉应力达到1.63～1.66 MPa，相应的抗裂安全系数为 2.2左右。中热水泥混凝土拉应力增大，在1.78～1.90 MPa左右，安全系数降低为1.8左右。

4.2 早龄期混凝土表面抗裂安全性

因低热水泥混凝土具有早期强度偏低的特点，遭遇昼夜温差大、气温骤降、寒潮等天气时可能面临表面拉应力超标的问题。采用平面有限元精细模型，计算早龄期混凝土气温骤降时的表面应力，分析中热、低热水泥混凝土的抗裂能力。计算模型见图3，模拟的气温骤降模式见图4。

图3 气温骤降温度应力分析精细模型

图4 气温骤降曲线

混凝土表面温度应力计算结果见表5，各龄期混凝土的允许拉应力见表6。在2 d气温骤降10℃的条件下：

(1)混凝土龄期为3～90 d时，中热、低热水泥混凝土的温度应力均较大；在不采取保温措施的条件下，均超过允许拉应力，不满足设计要求。

表5 气温骤降引起的混凝土表面最大拉应力计算

表6 各龄期混凝土允许拉应力 MPa

(2)混凝土龄期为3 d和7 d时，低热水泥混凝土的表面应力值较中热水泥混凝土分别低0.39，0.3 MPa，但由于低热水泥混凝土的抗拉强度更低，其应力超标比例更大；在不采取保温措施条件下，低热水泥混凝土的拉应力明显低于中热水泥混凝土。

(3)采取保温措施后，当等效散热系数达到5 kJ/(m2·h·℃)时，中热、低热水泥混凝土各龄期的应力大幅减小，且明显低于混凝土允许拉应力值，可见保温对于减小混凝土表面拉应力的作用显著。

由以上对比分析可见，保温对于早龄期混凝土尤为重要，相同龄期下尤其是7 d以前，低热水泥混凝土拉应力值较低，但其混凝土强度值也更低，因此拉应力更容易超标。保温措施需比中热水泥混凝土的要求更高，才可满足表面抗裂安全要求。针对白鹤滩工程特点，混凝土拆模后，应立即进行保温，表面需采用厚度不低于3 cm的保温苯板(或其他等效材料)进行系统保温；在气温骤降期间，应推迟拆模，或在模板外侧覆盖保温材料。

5 结 论

(1)低热水泥混凝土在1期冷却、中期冷却产生的拉应力均低于中热水泥混凝土，抗裂安全系数相对更大。虽然低热水泥混凝土早期强度低于中热水泥混凝土，但低热水泥混凝土因温度峰值低、降温幅度相对较小，在通水冷却降温阶段抗裂安全系数仍大于中热水泥混凝土。对于长周期应力而言，2期冷却末仍然是拉应力水平最高、安全系数最低的时刻，是温控防裂的重点。

(2)低热水泥混凝土因其绝热温升低、发热较慢，混凝土最高温度得到有效控制，采用基本相同的温控方案，低热水泥混凝土内部拉应力水平更低，抗裂安全裕度更大。

(3)与中热水泥混凝土相比较，早龄期低热水泥混凝土在气温骤降等短周期温度作用下表面抗裂安全系数更低，表面拉应力更容易超标，所需的保温措施要求更强。