官地碾压混凝土重力坝技施阶段温控措施研究.pdf

总第6 9 期 第9 期 2 0 1 0 年9 月 中国水能及电气化 CHI NA WA I ER P O WER&E I JEC r RI 兀C A n0N T O T EL No 6 9 S e p ，2 0 1 0 官地碾压混凝土重力坝技施阶段温控措施研究 杨晨光， 程福安， 孙宝来 ( 中国水电顾 问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 6 1 0 0 0 7 ) 摘要：利用三维有限单元法模拟官地碾压混凝土重力坝典型坝块实际浇筑过程 ，并对大 坝 浇筑 温度 、浇筑层厚度 、通 水冷却等主要 温控措施进行敏 感性分析 ，研 究各主要 温控措 施对混凝 土 内部 温度 以及施 工进度安排 的影 响等 。在此基础 上拟定主要 温控 措施 为 ：浇筑 层厚 3 0 m间歇时间 8 - 1 0天；高温季节约束区浇筑温度 1 7 1 9 ，初期通 1 2 1 4 oC，制冷 水 2 0天 同时采取仓 面喷雾和仓 面保温措 施等。并利 用典型坝段 温控仿 真结果验证该措施 的合 理 性 。 关键词 ：碾压 混凝 土 ：重 力坝 ；温控措 施 ；敏 感性分析 S t ud y o f Te mpe r a t ur e Co nt r o l o f Gua n di RCC M e a s ur e s i n t he De s i g n S t a g e Gr a v i t y Da m YANG C h e n - g u a n g， C HENG F u a n， S U N B a o - l a i ( Hy d r o c h i n a C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r po r a t i o n，C h e n g d u 6 1 0 0 7 2，C h i n a) Ab s t r ac t ： By u s i ng a 3 一D f i ni t e e l e me n t me t h o d ，t he c o ns t r u c t i o n p r o c e s s o f t y p i c a l b l oc k p l a c e me n t o f Gu a n d i h y d r o p o w e r s t a t i o n wa s s i mu l a t e d S e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f ma i n t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s i n c l u d i n g p o u ri n g t e mp e r a t u r e ，p o u ri n g i n t e r v al，l i ft t h i c k n e s s a n d wa t e r c o o l i n g ，w e r e c o n d u c t e d t o un d e r s t a n d t h e i mp a r t o f ma i n t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s o n i n t e r n a l t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e a n d c o n s t r u c t i o n s c h e d u l i n g T h e n ma i n t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s w e r e s u g g e s t e d b a s e d o n t h e p r e v i o u s s t u d y a s f o l l o w s ：s e t t i n g l i ft t h i c k n e s s 3 0 m，c o n s t r u c t i o n i n t e r mi s s i o n 8 -1 0 d ，a n d c o n t r o l l i n g p l a c i n g t e mp e r a t u r e o f 1 7 l 9 c o o l i n g wa t e r o f 1 2 -1 4 C s u p p l i e d c o n t i n u o u s l y t h r o u g h t h e p i p e s i n c o n c r e t e d u ri n g t h e e a r l y p e ri o d o f c o n s t ruc t i o n f o r 2 0 d i n h o t s e a s o n ，a s we l l a s t e mp e r a t u r e i n s u l a t i o n a n d c u ri n g o f c o n c r e t e s u r f a c e S i mu l a t i o n r e s u l t o f t y p i c a l d a m s h o w s t h a t me a s rue s s u g g e s t e d a l e r e a s o na b l e a n d e ffe c t i v e f o r c o n s t r uc t i o n Ke y wo r d s： RCC；g r a v i t y d a m；t e mp e r a t ur e c o n t r o l me a s u r e s ； s e n s i t i v i t y a n a l y s i s 中图分 类号 ：T V 6 4 2 3 文 献标识 码 ：A 文章编 号 ：1 6 7 3 8 2 4 1 ( 2 0 1 0 )0 9 - 0 0 3 4 0 5 收稿 日期：2 0 1 0 - 0 8 1 9 作者简介 ：杨晨光 ( 1 9 8 3 一) ，男 ，工程 师。E m a i l ：c h f u a n 1 6 3 t o m 总第6 9 期 杨晨光，等 ：官地碾压混凝土重力 坝技施阶段温控措施研究 3 5 官地水 电站位于 四川省凉 山彝族 自治州西 昌 市和盐源县交 界的打罗村境 内，系雅砻 江卡拉至 江河 口河段水 电规划五级开发方式 的第 三个梯级 电站 。该地干湿季分明 ，温差较大 ，温控需重点 研究。 大 坝 为 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 ，坝 顶 高 程 1 3 3 4 m，正常蓄水位 1 3 3 0 m，最大坝高 1 6 8 m，最 大底 宽 1 5 3 2 m。大 坝 混凝 土 总 方 量约 3 4 4 5万 m ( 其 中 R C C约 2 9 2 7万 m ) 。整个坝体共 2 4个 坝段 坝轴线 长 5 1 6 m， 自左 至右分别 布置左岸 挡水坝段 、左侧 中孔坝段 、河床溢流坝段 、右侧 中孑 L 坝段 、右岸挡水坝段 。 碾压混凝土坝 由于采用水泥用量少 的干硬性 混凝土和薄层碾压连续浇筑方法施工，其与用传 统 的柱状 浇筑法施工 的常态混凝 土坝在水化热 、 散热条件和方式、温度应力的主要影 响因素等方 面有明显不 同。为发挥碾压混凝土连续浇筑快速 施工的优点 ，通常无纵缝通仓浇筑或横缝 间距较 大 从而浇筑块较长 ，上下层温差和基础温差引 起 的应力均较大 。另外 碾压混凝土发热历时也 较长 ，温升缓慢 ，自然 温降时间也长 ，尤其是通 仓浇筑的坝 。无接触灌浆前的二期冷却，有时要 几十年的天然冷却才能达到坝体稳定温度，所以 内外温差将在相 当长 的时间内起控制作用【 1 I 2 。制 定合适 的温控标准及控制措施是 防止大坝裂缝最 有效手段3 l。 1 基本资料 坝址气象水文资料见表 1 。坝体用到十余种 混凝 土 表 2 3给 出坝体 内部所 用 到主要 碾压 混凝 土热 力 学参数 。其 中绝 热温 升按 双 曲线 公 式模拟 。 2 温控标准及主要温控技术要求 ( 1 ) 内部 混凝 土最 高 温度 控制 标 准 。混 凝 土允许最高温度取决于稳定温度 、基础温差 、内 外温差 和上下层温差等。为便 于施工管理 ，通常 将温差控制标准等转化为坝体混凝土 的允许最 高 温度 ，并作为控制指标 ，详见表 4 。 ( 2 ) 表 面混 凝 土保 护标 准 。气温 骤 降来 临 表 1 气 象水 文资料 R 帅 2 5 三0 0 0 3 7 3 4 0 9 7 7 9 T = 1 7 8( 1 - e x p( - o 5 5 4 t 9) ) R 9 0 2 0 三0 0 0 2 9 7 2 5 0 9 2 7 7 T = 1 6 9( 1 - e x p( - 0 5 3 7 ) 中国水能及 电气化 第9 期 表 4 内部 主要 混凝 土允许最 高温 度 表 5 不 同浇筑 层厚 下的 混凝 土最高 温度成果 单位 ： 之前 对龄期未 满 6 O天 的碾 压混凝土 、变态混 凝土 和龄期未满 2 8天 的普通 混凝土 可采用 l 0 8 k J m h 保 温材料 进行全面保护 ( 侧面和表 面 ) ，并对棱 角部位采取加 强措施 。 日平 均气温 低于 3 或最低气温低 于一 3 时 ，对龄期未满 2 8 天的混凝土进行 保温。 ( 3 )相邻浇筑块高差控制。坝体相邻块高差 不大于 1 2 m碾压混凝土相邻块混凝土浇筑时间 间歇不大于 2 1天 。 3 主要温控措施对 比研究 对于大体 积通仓浇筑的碾压混凝土 ，主要是 利用控制混凝土浇筑温度 ，混凝土表面散热 ，以 及通水冷却等温控措施把内部混凝土最高温度控 制在容许范 围内，并结合表面混凝土养 护等措施 以防止大坝危害性裂缝 的发生 。然而温控措施 的 制定不仅要考虑施工期内部混凝土 的温度分布及 变化等因素 ，同时也要兼顾施工难度以及施工进 度安排等。在温控标准基本确定的情况 下 ，如何 选择合适 的温控措施 使得 内部混凝 土温度既能 满足要求 且在施工上也切实可行是制定温控措 施最需要考虑的事情 。 现结合混凝土参数及 实际边界条件等 ，利用 有限元法给 出各 主要温控措施 的仿 真分析对 比， 包括浇筑层厚度 、浇筑温度 、间歇时 间、通水温 度及冷却时间等。并由此得出一些规律性的认 识 据此初步制定 官地水 电站施工 期温控措施 ， 指导施工 。 3 1 浇筑层厚 对 于采取 通仓 连 续浇 筑 的碾 压混 凝 土 ，浇 特征温度( q C ) 混凝 土浇筑层厚度 ( m ) 1 1 5 2 2 3( 双) 筑层厚 度 的选取 不仅 对最 高温度 和 温度应 力有 显著 的影 响 也 影 响大坝施 工 工期 。现采 用有 限元 法分别 对 1 0 m 3 0 m浇 筑层 厚情 况 进行 计 算 比较分 析 。其 中：气 温取 年平均 1 8 6 C，地温 取年平均 2 1 2 ：浇筑温度取 l 8 ，浇筑 间歇期 7天；初期通 1 4 C 冷却水 1 5天 ，冷却水管水平 间距 1 5 m，铅直向间距根据浇筑层厚度确定 。 浇筑层厚分别取 1 0 、1 5 、2 0 、3 0 m进行计 算 ，有 限元法 算得各 方案最 高温 度成果 如表 5 。 由表 5所示的散热效果对 比分析可知 ： ( 1 ) 混凝土 最高 温度 随浇 筑层 厚 度 的减 小 而 降低 ，降低 浇筑 层厚 度能有 效 降低混 凝土 最 高温度 。 ( 2 ) 表面 自然散 热 效果 随浇 筑层 厚 度 的增 加而降低。浇筑的季节不同 ，层面散热的效果 也 不同 ，浇筑气温越低 ，层面散热效果越好 ，冬季 的层面散热效果 比夏季高出一倍 以上 ：在高温季 节 环境温度较高 ，表 面散热效果相对将较 不理 想 ，因此有必要在高温季节采用水管冷却 。 ( 3 )对 于 3 m的浇 筑层厚度 ，采用双 层水管 冷却 ( 水管垂直间距都是 1 5 m) 的降温效果要优 于单层水管 虽然 浇筑层厚度提高一倍 ，但最高 温度却 只增加 了 1 4 9 。 3 2 浇筑温度 正确选择大坝混凝土 的浇筑 温度是 防止混凝 土开裂 的关键。对温控而言 ，浇筑温度越低 ，混 凝 土 的最高 温度 就越低 ，对 混凝 土 的抗 裂越 有 利 。但是 ，浇 筑温 度 的降低需 要 高 昂的降温 费 用 从骨料的预冷 ，到加冰拌和等一系列降温措 施 温降越多 费用越高。因此浇筑温度的选择 需要综合考虑最高温度 限制 、费用 和技术上的可 总第6 9 期 杨晨光 ，等 ：官地碾压混凝土重力坝技施阶段温控措施研究 3 7 行性等各种 因素 ，在满足温度要求 的前提下 ，尽 量 采 用 较 高 的浇 筑 温 度 。 浇 筑 层 厚 度 通 常 为 1 5 3 m。为选 择合 适 的浇 筑 温度 ，分 浇筑 层厚 1 5 m 及 3 O m情况 进行 了不 同浇筑 温度 的最高 温 升计 算 。其 中 ：基 础 约束 区浇 筑层 厚 取 1 5 m， 非约束 区取 3 0 m；浇筑时 间选在有代 表性的夏 、 冬和春秋 季 ，即 7月 、1月 、及 l 1月 ，相应 的 气温为 2 3 c = 、1 1 和 1 4 6 C，浇筑 间歇期 7天 。 通 水 采 用 1 4 制 冷 水 l 5天 ，冷 却 水 管 间距 ： 1 5 1 5 m ( 水平x 垂直) 。 浇筑温 度取为 1 4 2 0 分 别进 行计算 ，有 限元计算成果如下表 6 。 表 6 不 同浇筑温 度 时的混凝 土最 高温 度成果 根 据不 同浇筑温度的最 高温度成果可知 ： ( 1 ) 浇 筑 层 厚 1 5 m 时 ，浇 筑 温 度 每 提 高 1 混凝土最 高温度约增 加 0 3 0 5 ；浇筑 层 厚 3 0 m 时 ，浇 筑温度 每提 高 1 C，混 凝 土最 高 温度 约增加 0 5 0 7 C。可 见 ，对于 浇筑层 较 厚 情 况 ，较 低浇筑温度对 控制最 高温度较为有 效 。 而浇筑层较薄时 ，表面散热效果体现的更为明 显 控制浇筑温度对减小最高温度效果相 比浇筑 层较厚情况要小 。 ( 2 )分析结果 知 ：对于 3 m层厚 ，基础强约 束 区混凝土 浇筑 温度 不超 过 1 8 ，弱约 束 区混 凝土 浇筑温 度不 超过 2 0 ，最 高温 度能 满 足相 应温控要求 。 3 3 浇筑层 间歇期 碾压混凝土发热一般较 常态 混凝 土缓慢 。在 有水管冷却等措施情况下其最高温度通 常出现在 浇筑后 5 7天 ，超过 7天以后 ，温升呈下降趋势。 选 择合 理 的浇 筑 间歇对 控制 混 凝 土最 高 温 度 、施工强度 、工 程工期有重要意义 。间歇期 过 短势必增加混凝 土生产 、浇筑 、碾压 、立模 、拆 模 的强度 。过长 的层 间问歇会对新老混凝土结合 不利 ，增加层 间结合处理难度 ，并影 响到混凝土 浇筑的施工工期。同时，基础约束区长问歇 ，在 遇到气温骤降等极端天气下更容易导致过大温度 应力 而产 生裂 缝 。为选择 合适 的浇 筑层 间歇 时 间 对各个 时间段浇筑 的混凝土分别进行 了不 同 浇筑 间歇 时间下 的最高 温度计 算 。其 中 ：浇 筑 温度 取 l 8 ，冷 却 水 管 间距 ：1 5 m 1 5 m，冷 却水温度 1 4 ，冷却通水时长 1 5天。 表 7 不同浇筑 间歇的混凝土最高温度成果 为 研 究 不 同间歇 期 的影 响 ，选 取 了 1 5 m、 3 O m两 种浇 筑层厚 ，分别 对 1 月 、7月 、1 1月 三 个典 型月 份不 同进 行不 同 间歇期 浇筑 方案 下 的混凝 土最 高温 度 的计算 。综 合考 虑浇筑 进度 安 排及 规范 建议 取值 ，初 步拟定 不 同方案 间歇 期 时 间 为 3 l 4天 各 方 案最 高温 度计 算 结 果 见表 7 。 根据不 同浇筑 间歇期 的最高温度成果可知 ： ( 1 ) 较 长 的浇 筑 间歇期 可 以增 加混 凝 土表 面散热效果 因而 间歇期越长混凝土最高温升越 低 。但 靠增加 间歇期来提 高表面散热效 果有 限， 当间歇期 超 过 5 7天 以后 对 降低 最高 温度 的 作用有 限。 ( 2 ) 浇筑层 越 厚 ，表 面散 热效 果越 弱 ，且 增加 间歇 时间对降低最高 温度 的作用衰减越 快 。 因此 对 于浇筑 层较 厚情 况 ，在满 足浇筑 强 度情况 下可缩短 间歇 ( 不小 于 5天 ) 从 而提高浇 筑进 度 中国水能及电气化 第9 期 3 4 冷却水温和通水 时间 影响通水冷却效果的因素包括冷却水温、通 水 持续 时间 、水管 间距 、通水 流量 等 。一 般说 来 采用 较低 的水 温及 较大 流量 能取 得更好 的冷 却效果 但 过低 的水 温 会 导致 温 降 速率 过 大 ， 在水 管周 围 的混凝 土 中产生 较 大 的拉 应力 ，可 能产生 温度裂缝 。因此 在制 定混 凝 土温控 方案 时 ，需 要 在考 虑 浇筑 的其 它 重要 因素 的 同时 ， 制 定合 适 的水 管 间距 并 选择 合 适 的冷 却 水 温 、 流量及相应 的通水时长 。 为减小通水冷却敏感 性分析工作量 ，水管间 距及 流量不 做敏感 性分 析 ，考虑 到实 际浇筑 所 需通水能力 ，水管 间距初步定 为 1 5 mx 1 5 m，通 水流 量初步定 为 1 2 1 5 m3 h 。水温及 通水持 续 时间通过对 比研究分析拟定 。 其它主要计算参数如下 ：边界条件设置为绝 热 。浇筑温度 2 O 计算成果见表 8 。 不 同水温及通水 时长 的冷却效果 分析表 明 ： ( 3 ) 对 于碾 压 混 凝 土 ，由 于其 发 热 缓慢 ， 持续时间长 ，且绝热温升小 的特点 ，在通水 的选 择上 ，应尽量选择能够满足温控标准条件下水 温较高 而通 水 时间较 长 的方 案 从 而 避免前 期 温降过 大 。而后期 温度容易反弹 的问题。 4 结语 综合 以上对 主要温控措施 的敏感性分析 。并 结合 快速 施工 的需 要 ，在 满足 温控 标准 的基础 之上拟定主要温控措施如下 ： ( 1 ) 浇筑层厚采用 3 0 m，浇筑间歇 8 1 O天。 ( 2 )3 l 0月浇筑 温度基础约束区 1 7 1 9 ， 初期 通 l 2 1 4 制冷 水冷 却 2 0天 ：非约束 区浇 筑温度不大于 2 3 ，初期通 1 6 制冷水冷却 2 0 天 ，采取仓 面喷雾和仓面保 温措施 。 ( 3 ) 1 1月 翌年 2月 ，混凝土 自然人仓 ( 即 以该月 平均气温+ 2 为浇筑温度 ) 。初 期通天然 河水冷却 】 5 2 0天 。 表 8 不 同冷 却水温 、通 水时 长混凝 土最高 温度成 果 ( 1 ) 在其 它条 件一 致情 况下 ，冷却 水 水温 越低，内部混凝土达到最高温度越低 ，降温幅 度及 降温速率也 越大 。冷却水温采用 7 时 ，虽 算 得最 高温度最 小 ，但 最 大砼 水温 度过大 ，达 到 2 1 6 2 3 CC同时 降温 幅度及 降温 速率也 均 较 大 ，易导致裂缝 产生 。冷却 水温采用 l 0 l 4 时，最大砼水温差相应较小 ，混凝土最高温度 及温降速率 等也都基本满足温度控制要求 。 ( 2 ) 通 水 时间 的选择 ，原则 上 是在 混凝 土 最 高温度后 再冷 却一 段 时 间 ，保 证混 凝 土后 期 水化温 升不超 过前期 的最 高温 度 。一 期冷 却 时 间约在 1 O l 5天。 对 于以上提出的主要温控措施 。经官地水 电 站 典型 坝段进 行 了三维 有 限元 温度 以及 温度应 力 仿真计 算 ，并验 证 了该 套 温控措 施 能够满 足 大坝技 施 阶段 温控 标准 。并 以此 为基础 制定 了 更为详细的温控措施 ，指导施工。 参考文献 ： 【 1 】朱伯芳 大体积混凝 土温度应 力与温度控制【 M 】 北京 ： 中 国电力 出版社， 1 9 9 9 【 2 朱伯芳 大体 积混凝土非金属水管冷却的温降计算【 J 水 利水 电技术， 1 9 9 7 【 3 丁宝瑛 混凝土坝温度控制设计的优化田， 水利学报， 1 9 8 2