天花板碾压混凝土拱坝通水冷却设计.pdf

水 力 发 电 第3 7 卷第6 期 2 0 1 1年 6月 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，北京1 0 0 0 2 4 ) 摘 要 ：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。大坝施工过程 中采取的主要温控措施之一是在 坝体 内埋设冷却水管进行分期 冷却，冷却水管分部位并按结构分区布置 。实践表明，天花板大坝的冷却水管布置及通水冷却方案可以有效控制混 凝土温升 ，冷却效果 良好 。 关键词：碾压混凝土拱 坝；温度应力 ；温控措施 ；水管冷却；天花板水电站 W a t e r Co o fi n g S y s t e m De s i g n f o r Ti a n h u a b a n RCC Ar c h Da m ra n g Z i q i a n g ， L i n J i a n y o n g ， Z h o u F e i p i n g ( H y d roC h i n a B e i j i n g E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ：Be c a u s e t he T i a n hu a b a n RCC Ar c h Da m b e a r s s t r o ng e r r e s t r a i n t s i mp o s e d by t he r o c ks i n da m f o un da t i o n a nd t wo b a n k s ， a n d t h e c o n c r e t e i n s t r o n g r e s t r a i n e d z o n e s w i l l b e p o u r e d i n h o t s e a s o n ， t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l i s i mp o r t a n t On e o f t e mpe r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s i s l a yi n g wa t e r c o o l i ng p i p e s i n d a m bo d y t o c oo l t he c o n c r e t e wi t h p ha s e d man ne r T he p i p e s a y e a r r a n g e d i n d i ff e r e n t z o n e s a c c o r d i n g t o t h e p o s i t i o n a n d d a m s t r u c t u r e Th e p r a c t i c e s h o ws t h a t t h e l a y o u t o f w a t e r c o o l i n g p i p e a n d t h e c o o l i n g p r o g r a ms c a n e f f e c t i v e l y c o n t r o l c o n c r e t e t e mp e r a t u r e Ke y W o r d s： RCC a r c h da m； t e mp e r a t ur e s t r e s s ； t e mpe r a t ur e c o n t r o l me a s u r e ； wa t e r c o o l i n g ； Ti a nh ua ba n Hy d r o p o we r S t a t i o n 中图分类号 ： T v 2 2 2 ( 2 7 4 ) 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 0 5 4 - 0 3 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 k m 的 天 花板 峡谷 处 ，大 坝为 碾压 混凝 土 双 曲拱 坝 ，坝顶 高 程 l 0 7 6 8 0 m。最 大坝 高 1 0 7 O 0 m，拱 端最 大 厚 度 2 4 0 8 6 m。坝 顶 拱 轴 线 长 1 5 9 8 7 m，最 小 宽 度 6 0 T ， 厚 高 比 0 2 1 2。表 、 中孔 相 间 布 置 ，3个 表 孔 的 堰 顶 高程为 1 0 6 2 5 0 m，2个 中孔 进 口高程 为 l 0 2 0 0 0 ru， 1个 排沙孔进 口高程 为 1 0 2 5 O 0 I n。 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 1 7 2 ， 月 平 均 气 温 以 7 月 份 最 高 ，为 2 5 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 圃W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 6 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 收稿 日期：2 0 1 1 - 0 4 0 8 作者简介 ：杨子强( 1 9 8 3 一 ) ，男 ，河北廊坊人 ，工程师，主要从 事坝 工设计工作 第 3 7卷第 6期 杨子强 ， 等 ： 天花板碾压混凝土拱坝通水冷却设计 阶段 ： 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 ： 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 ； 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 HDP E 高 强 度 聚 乙 烯 冷 却 水 管 ，外 直 径 3 2 mm， 内 直 径 2 8 mm，拉 伸 屈 服 应 力 2 0 MP a ，纵 向 回 缩 率 3 ；在 2 0 ， 承 受 不 低 于 1 0 MP a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 I 4， J 高 程 区域 ) 采 用 1 5 mx1 0 m ( 水 平 竖 直 ) 布 置 方 案 ，弱 约 束 区 和 非 约 束 区 采 用 1 5 mx1 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 2 0 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 1 5 1 7 ， 目标 温度 2 5 c c；温 降 阶 段 通 水 1 5 d ， 冷 却 水 温 8 1 0 ， 目标 温 度 2 0 2 2 。弱约 束 区 和非 约束 区一 期 冷却 阶段 通 水 时 间 为 2 1 d通 水 水 温 1 5 1 7 c Ic， 目标 温 度 2 2 2 4。 I I I ( 2) 中 期 通 水 冷 却 。 由 于 本 T 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 ； 温 为 1 5 -1 6 o C 目 标 温 度 1 7 1 9 。 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1 5 l 6 ， 目标 温 度1 8 2 0 。 ( 3 )二 期 通 水 冷却 。基 础 约 束 区通 水 水 温 1 0 1 2 ， 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 o C以 内 通 水 流 量 前 1 0 d按 不 小 于 1 5 m3 h 控 制 ， 1 0 d 以 后 按 0 6 0 8 m h控 制 。 为 使 混 凝 土 均 匀 冷 却 ， 进 出 口 水 流 应 每 2 4 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 l 9 8 三 级 配 碾 压 混 凝 土 绝 热 温 升 为 1 5 4 。 以 9 8 7 m 高 程 T h 1 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 2 7 ， 如 果 不 采 用 通 水 冷 却 的 温 控 措 施 ， 混 凝 土 最 高 温 度 将 达 到 4 0 c ( = 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 c c， 混 凝 土 实 际 温 度 与 ： 米通 水 图 1 坝 体冷 却 水 管 典 型 平 面 布 置( 尺 寸 单 位 ：e m) W m P r P o u e r V o 1 3 7 ， 6固 水 力 发 电 2 0 1 1年 6月 p 趟 检测时间 圈 2 9 B 7 m 高程坝体温度监测及一期通水冷却温度监测 q q q 宁 g g g g g g g g g 昌 昌 g 8 零 g 8 鲁 昌 g 霉 6 6 古 古 8 古占 古 古 古 古 8 3 古 古 g g g g g 苫 g g g g 5 g 苫 g g g g g 若 苫 g 检测时间 图 3 9 8 7 m 高程二期通水冷却温度监测 冷却相 比下 降约 1 0 ，冷 却效果 显著 。 由 图 3、4可 知 ，二 期 通 水 冷 却 2 1 d ，进 出水 平 均 温 差 为 3 4 。通 水 冷 却 前 坝 体 温 度 约 为 2 4 50 4O 3O 20 霸1 0 昌 S 星 2 三 2 三 2 =蒜 P 。 ,I 高 舄 i 蠢 日期 嘉。 图 4 9 8 7IT 高程坝体温度全程监测 ，经 二 期 通 水 冷 却 后 ，混 凝 土 温 度 约 2 0 ，下 降 约 4 ，达 到 坝 体 封 拱 温 度 要 求 。 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 HD P E 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 。 ( 责任编辑焦 雪梅 ) - 。- - - 。 - - - , i t ,- - 4 D - - - 。 - 。 。 - - - - 。- 卜 - - - - - - - - ( 上 接 第 1 9页 ) 表4 调整后的碾压混凝土施工配合比 仓 面混凝 土不易泛浆 、碾压效果不理想 。现场对施工 配合 比进行 了调 整 ，胶凝材 料略 增加 2 k g左 右 ，用 水 量 和 小 石 的 含 量 略 有 增 加 砂 率 根 据 现 场 情 况 进 行 动 态 调 整 。 第 二 个 升 层 9 7 4 6 9 7 8 7 1T I 高 程 的 碾 压 混 凝 土 施 工 ，增 加 了 一 台 振 动 碾 ，使 混 凝 土 入 仓 后 能 得 以迅 速 平 仓 、碾 压 ，效 果 较 为 理 想 。具 体 调 整 后 的施 工配合 比见表 4。 经过 调 整 的施工 配合 比与 可研 阶段 的设 计 配合 比 相 比 较 ，C2 0 ( 二 ) 碾 压 混 凝 土 节 省 胶 凝 材 料 8 k g ，C 2 0 ( 三 )碾 压 混 凝 土 节 省 胶 凝 材 料 2 0 k g ，经 济 效 益 明 显 ， 同 时 进 一 步 降 低 了 坝 体 施 工 过 程 中 混 凝 土 的 温 升 。 3 结语 天 花 板 水 电 站 碾 压 混 凝 土 拱 坝 混 凝 土 配 合 比 是 工 程 的 关 键 技 术 问 题 ，关 系 到 大 坝 安 全 运 行 、施 工 期 温 度 控 制 、 工 期 和 工 程 造 价 等 许 多 方 面 。 天 花 板 圈W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 6 水 电站 工 程 的混 凝土 由于 采 用强 度高 的 白云 岩作 为 混 凝 土 粗 、细 骨 料 ，使 得 混 凝 土 具 有 抗 压 强 度 、 抗 压 静 弹 性 模 量 较 高 ：极 限 拉 伸 值 较 低 、抗 裂 性 能 稍 差 ：混 凝 土 耐 久 性 稍 差 ；水 泥 等 胶 凝 材 料 用 量 偏 高 而 导 致 绝 热 温 升 偏 大 等 特 性 。 根 据 对 天 花 板 水 电站 混凝 土 特性 的认 识 和大 坝设 计 、材 料设 计 等多 方 面 技 术 发 展 的 应 用 ，设 计 、科 研 和 施 工 单 位 对 大 坝 混 凝 土 设 计 标 准 和 混 凝 土 配 合 比进 行 了 优 化 。 主 要 包 括 ：大 坝 混 凝 土 龄 期 采 用1 8 0 d ； 降 低 混 凝 土 极 限 拉 伸 值 的 要 求 ； 下 游 表 面 混 凝 土 抗 冻 强 度 等 级 为 F 5 0等 这 些 混 凝 土 指 标 的 优 化 使 得 大 坝 混 凝 土 的 设 计 达 到 了 更 为 先 进 的 水 平 。 以 此 为 基 础 进 行 的 混 凝 土 配 合 比 C 2 0 ( 二 ) 碾 压 混 凝 土 节 省 胶 凝 材 料 8 k g；C 2 0 ( 三 )碾 压 混 凝 土 节 省 胶 凝 材 料 2 0 k g ，进 一 步 降 低 了 坝 体 施 工 过 程 中混 凝 土 的 温 升 。保 证 了 工 程 顺 利 施 工 ，综 合 经 济 效 益 十 分 显 著 。 ( 责任编 辑周 晓蔚 ) p 碉嚣