黄河龙口水利枢纽大坝混凝土温控设计.pdf

3 8 水 利水 电工 程设计D WR t t E 2 0 1 1年 第3 0卷 第2期 黄河龙 口水利枢纽大坝混凝土温控设计 谢坤 朱志强 高 诚赵小娜 摘 要 通过对龙 口大坝进行坝体稳定 温度场 、混凝 土温 度应力 、坝体冷 却水 管 等计 算和分析 ，采取 一些温控措 施，如合理选择材料 、严格 控制混凝土浇筑温度 、合理分层及 控制间歇 期、坝 内埋 设冷却水 管、采取 高温及低 温天 气特殊温控措施等对大坝混凝土温度进行控制。尤其是在坝内埋设冷却水管，通过二期冷却，在较短的时间内使坝 体 温度 降至稳定温度 ，从而保证 了坝体接缝灌 浆的顺利进行 ，效果显著。 关键词 混凝土重力坝 温度控制 冷却水管 接缝灌 浆 龙 口水利枢纽 中图分类号T V 4 3 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 o 1 1 ) 0 2 0 0 3 8 0 4 龙 口水 利枢纽 总库 容 1 9 6 亿 ，电站总装 机容量 4 2 0 MW，属 大( ) 型工程 。枢纽基 本坝型为混凝 土重力坝 ，坝 顶高程9 0 0 m，坝顶全长4 0 8 m，最大坝高 5 1 m，坝体混凝 土总方量约 9 8 万 。 1 基 本 资 料 1 1 气象、水 文 龙口水利枢纽位于东经 1 1 1 。 1 8 、北纬 3 9 2 5 ，地处黄 土高原东北部，属温带季风大陆性气候，冬季气候干燥寒 冷 、雨雪 稀少且多 风沙 ，夏季 炎热 。气 温变化 特点是 季节 变化大，昼夜温差变化大，冰冻时间长，气温骤降频繁， 且骤降幅度大、延续时间长。主要气象、水文资料见表 1 。 表 1 主要气象 、 水文资料统计表 多年各月平均气温值 多年月平均最高气温值 多年月平均最低气温值 多年月平 均地温 多年月平均水温 2 3 4 5 6 5 7 2 0 1 0 7 1 7 8 2 1 9 一 O 7 5 2 1 2 9 l 9 4 2 3- 8 9 7 1 6 8 2 l 5 8 2 O O 一5 9 3 8 1 3 5 2 1 6 2 6 6 O 1 O 1 8 1 1 5 5 2 0 2 7 8 9 1 0 1 2 3 6 2 1 4 1 5 5 8 3 0 2 5 7 2 4 4 l 8 3 l 2 5 3 2 1 8 1 9 8 1 4 0 7 】 一4 2 8 0 2 5 2 1 8 5 1 0 0 6 2 2 5 2 1 7 1 6 8 1 0 4 2 历年 8 O 1 0 1 9 8 1 2 混凝土指标 坝体齿槽 与基 础接 触部 位 采用 抚顺 低 热矿 渣 3 2 5水 泥，基础其他部位采用抚顺 巾热 4 2 5水泥 ，坝体其他 部位 采用大 同 4 2 5普通硅 酸盐水 泥 ，并掺 2 0 3 0 粉煤 灰 ， 采用人工砂石骨料 。混凝土主要力学 、热学指标见表 2 。 表 2 混凝土主要力学 、 热学指标表 1 3 基岩指标 坝址区慕础 以 【 】 厚 、厚 层豹 皮灰 岩为主 ，结构 面 发育，行喷较 硬。岩体的湿抗压强度为 1 1 0 M P a ，弹性模 2 1 M P a ( 水平 ) ，泊松系数取 0 2 5 ： 2 坝体稳定温度场及接缝灌浆温度 2 1 坝体 稳定 温度 场 坝体稳 定温度场 按平 面问题处理 ，满足拉普拉斯方程 。 经计算 ，确定龙 口坝体的边界条件如下：库表水温 l 2 7 5 ；库底水温 1 0 0 o C；上、下游垂直段坝面温度 1 1 1 ； 坝顶温度 l 3 2 7；下游坝坡温度 1 2 9；下游尾水温度 l 0 1 9 o C；上游地表温度 1 0 0；下游地表温度 l O 1 9。 龙口大坝各典型坝段稳定温度场分布见图 l 。 2 2 接缝灌浆温度 坝体混凝 土采用 柱状分层 分块 浇筑方 法施工 ，为 使各 坝块整体作用，在大坝正式挡水前须对纵缝和部分横缝进 行灌浆。考虑到重力坝断面较大，坝体内部稳定温度变化 不大，故以稳定温度作为灌浆温度。 大坝灌浆分 区面积为 2 0 03 0 0 m 2 ，最大不超过 4 0 0 r n 2 。根据坝体平面稳定温度场计算成果，提出各典型坝段 的接缝灌浆分区，将各分区内稳定温度场的分布加权平均， 所得出的平均温度作为各分区的灌浆温度。龙 口大坝典型 坝段接缝灌浆温度：挡水坝段 1 0 5 1 2 6；副安装间坝 段 1 0 01 0 1 o C；底 孔 坝段 1 0 0 5l 0 1 5 q c；表 孔 坝段 1 0 5l 2 7 ；隔墩坝段 1 0 8 1 2 8 谢坤等 黄河龙 口水 利枢 纽大 坝混凝 土温 控设计 3 9 )副安装间坝段 fd ) 主安装间坝段 ( 底孔坝段 图 1 坝体稳定温度场分布图 1隔墩坝段 3 混 凝 土 温 度 应 力 分 析 的 浇 嚣 娄 婀 均 布 温 差 3 1 混凝土温度应力计算 所产生的温度应力。 3 。 1 1 基础混凝土温度应 力计 算 ( 2 )混凝土 由非均布的水化热温升所产生的温度应力 。 基础混凝 土浇筑块 的温度 应力 主要 指基 础温差 所引起 表 3列出 了多种基础块浇筑方案的温度应力计算结果 。 表 3 基础块 混凝土温度场及温度应力表 ( L= 2 4 m) 3 1 2 气温骤降混凝土表面温度应力及保温计算 坝址区气温骤降频繁、降温幅度大 ，也会使混凝土表 面产生温度应力，从而使混凝土表面产生裂缝。经计算， 对于可能出现的气温骤降情况，混凝土表面贴最大厚度为 2 5 m m的闭孔泡沫塑料板可满足要求。 3 2 混凝土允许温差和允 许最 高浇筑温 度 3 2 1 基础块混凝 土的允许温差 根据基础块混凝土温度和温度应力计算 ，对不同分缝 间距和不 同浇筑分层情 况 ，基础 混凝土 的温度应 力 以不 超 过相应标号混凝土 的允许拉 应力 为准。经过计 算 ，确定 基 础浇筑块的允许温差见表 4 ，此时混凝土浇筑块的高宽 比 为 HI L=1 。当 0 5 时 ，允许温差应严加控制 。 表 4 基础混凝土允许温差 3 2 2 基础块混凝土允许最高浇筑温度 由坝体不稳定温度场计算成果可求得强、弱约束区内 最高温升和允许 温差 ，部分浇 筑块分 层方案 的允许 最高浇 筑温度计算结果见表 5 。 表 5 允许最高浇筑 温度 3 3 浇筑块内部各月允许温差和允许最高温度 混凝土内外温差应小于 2 0 2 5，对于脱离了基础约 束 的混凝土也应适 当控制 内部 最高温 度。混凝 土各月 的允 许温差和允许最高温度见表 6 。 4 0 水 利 水 电2 1 2 程 设 计D W R t l E 2 0 1 1 年 第 3 0卷 第 2期 3 4 新老混凝土上 、下层允许温差 在老混凝土 ( 龄朗超 过2 8 d ) 面上 浇筑新 混凝 土时 ，新 混凝土受老混凝 土的约束 一 I ： 、下层温差 越大 ，新 老混凝 土中产生 的温 度应 力也 越大 一 卜、下层 温差 控制 标准 为 ： 新浇混凝土的温度应力应小于混凝土允许拉应力。经计算， 在老混凝土面上浇新混凝土，薄层短间歇均匀上升时，上、 下层允许 温差 为 l 8，浇 筑块 侧面 长期暴 露时 应小 于 1 5 ；薄层长 间歇时 一 I 、下层允许 温差为 l 4。 3 5 相邻坝块允许高差 由于坝址区气候恶劣，为减少坝块侧面暴露时间，各 坝块应尽量均匀上升 ，避 免高差过 大 ，相邻 坝块允许 高差 为 6 9 n ，寒冷季节尤应严格控制 。 4 坝 内混 凝 ： 令却 系 统设 计 接缝灌浆前要将坝体温度降至稳定温度，若靠 自然冷 却 时间太长 ，由于工期 的限制 ，坝体冷 却不 能仅靠 自然冷 却，必须采取人工强迫冷却措施，使坝体温度在较短的时 间内降至稳定温度。采用在坝内分层埋设冷却水管，在后 期通低温水加速坝体降温，同时利用冷却水管进行混凝土 浇筑初期 的通水冷却 ，以削减水泥水化热温升。 采用有 限单元法对混凝 土温度场 及应力场 进行仿 真计 算 ，选取 2 2种计算 工况 ，分 别对 电站坝段 、隔墩坝段 、底 孔坝段等典型坝段冷却水管的间距、埋设方式 、通水温度 和时问、气温和浇筑温度、混凝土问歇期 、混凝土表面保 温等方面进行计 算。通过对各方案的计算结果进行分析， 确定坝体冷却水管的布置和要求。 4 1 坝体冷却水管布置 冷却水管均采片 j 非镀锌普通焊接钢管 ( 黑铁管) ，总管 和干管 的规格分别为 3 2 5 m i l l 8 I1 1 l ( 外径 壁厚 ) 和 2 1 9 1 t n l T l 6 I l if t ，铺 设 _在 各浇 筑 层 中 的蛇 形支 管 规 格 为 D N 2 5 1 1 1 1 1 1： 冷却支 管的布置 一般为 1 0 m1 5 m和 1 5 m1 5 m ( 水管层距 水管水平 问距 ) 。当浇筑层 厚度 为 1 01 5 1 1 1 时，在层中间铺设 1 层冷却支管；当浇筑层厚度为 2 0 3 0 m时 ，在层中问铺设 2 层冷却支管。 4 2 一期冷却和二期冷却 4 2 1 一期冷却 一 期冷却主要有以下几点要求： ( 1 )通水水温：一期冷却通入的冷却水与混凝土温度 之差不得超过 2 5，在 6 8月份采用天然河水通水降温， 其余季节采用深井水 ( 水 温约 为1 3) 通水降温。 ( 2 )通水时间 ：为 l r 削 减水化 热温 升 ，需及 时进行 一 期通水冷却 当浇筑温度为5 9时，在浇筑后 1 2 d 开 始通水 ；当浇筑温度 为 1 0 1 2时 ，在 浇筑后 0 5 d开 始 通水；当浇筑温度超过 1 3时，通水时间应尽可能早。一 期冷却通水时间持续 l 5 2 0 d 。 ( 3 )混凝土降温速度不宜过快 ，日降温幅度不应超过 1 q C。 4 2 2 二期冷却 二期冷却主要有以下几点要求： ( 1 )通水水温 ：二期冷却通人的冷却水与混凝土温度 之差不得超过 2 5。 当混凝 土初温 3 0时 ，先通 不低于 l 7的冷却水；待混凝土温度降至 3 O时，改通 1 0 8的冷却水；待混凝土温度降至2 4时，再改通4 2的冷却水直至混凝土达到稳定温度 ；当混凝土初温 2 4 o CT 3 0时，先通 1 0 8的冷却水；待混凝土温 度降至 2 4时，改通 42的冷却水直至混凝土达到稳 定温度 ；当混凝 土初温 2 4时 ，直 接通 42的 冷却水直至混凝土达到稳定 温度 。 ( 2 )通水时间：采用分层通水，由低到高，逐层进行。 二期冷却一般在混凝土龄期超过半年以后才进行。 不同坝段各区的稳定温度值即为二期冷却结束通水时 要求坝体达到的温度，二期冷却即按此标准来控制通水结 束时间。坝段停止通水后 的实际温度 与规定 的稳定 温度之 差不得超过 0 5 o C。 ( 3 )为了防止坝体混凝土出现裂缝，混凝土降温速度 不应过快 ，开始通水后的混凝土 E t 降温幅度不应超过 1。 ( 4 )为了使接缝能充分张开，保证 已灌接缝不至因灌 浆层以上的混凝土降温产生的温度应力而拉开，要求灌浆 层顶面以上有一定附加高度的混凝土与灌浆层同时冷却至 相应的灌浆温度。其附加冷却层高度至少为 1 个灌浆层。 ( 5 )同一接缝两侧坝段、同一灌浆层的上下游两个灌 区均应 同时冷却 ，以避免坝段内出现过大的温差 。 5 主 要温 控 措施 混凝土坝温度控制设计 的 目的是 防止或 者减少 混凝土 裂缝的发生，温度控制是保证大坝质量的关键因素之一。 主要采取 以下温控措施 ： ( 1 )合理选择材料。采用 中、低热水泥，选用合理的 混凝土级配，并掺入粉煤灰( 掺量控制在3 0 以内) 、加气 剂和塑化剂等外加剂。 表 7 混凝土浇筑温度 ( 2 )严格控制混凝土浇筑温度。大体积混凝土结构浇 筑温度应满足表 7的要求 ，并采取有效措施控制后期的温 谢坤等 黄 河龙 口水 利枢纽 大坝 混凝 土温控 设计 4 1 ( 3 )合理分层、控制间歇期。在坝体齿槽和强约束 区，采用层厚 1 0 m先 浇筑 3 层 ，然后浇筑若 干层 厚 1 5 r n 的方式，层问间歇时间为 5 d左右；在坝体弱约束区，浇 筑层厚度为 1 5 2 0 m，间歇时问 57 d ；在坝体非约束 区，浇筑层厚度为 3 0 4 0 m，间歇 时问 7 1 0 d 。 电站坝段横缝 间距 3 0 m，上 、下游方 向 8 5 8 m，由于 其孔洞多 、结构尺 寸差别 大 、薄壁结 构多 ，同时受尾 水管 等结构的影 响 ，基础 高差起伏 大 ，因此 不宜采 用分纵 缝 的 浇筑施工方法。为了保持厂房结构的整体性 ，改善结构的 受力条件，减小厂房基础应力，防止裂缝，方便施工，电 站坝段采用 以错缝 为主 、铺 以宽 槽 的综 合浇 筑方案 。在低 温季节当相邻块体的温度降到稳定温度时回填宽槽，使之 成 为 整 体 。 ( 4 )埋设冷却水管 ，进行通水冷却 。 ( 5 )高温天气混凝土温控措施。降低混凝土浇筑温 度，如对骨料进行预冷、冷却拌和水、用冰片或碎冰代替 不超过 9 0 的拌和水、在模板或硬化混凝土表面连续均匀 地喷洒水等措施；将混凝土浇筑尽量安排在早晚和夜间 气温较低 的时间段 ； 运输混凝 土的工具 应有 隔热遮 阳措 施 ，缩短混凝土的暴晒 时间 ；有 条件 的部位采 用表 面流 水冷却的方法进行散热 ；养护期内混凝土的表面温度在 任何 2 4 h内的变化不应超过 8，如温度变幅较大，应采 用覆盖保温措施；采用地拢从料堆底部取料，降低骨料 温度 ；在暴露于太阳和 干风吹 的新 混凝 土表面 应采用 湿 麻袋覆盖保护 ，并加盖 1 层 防雨布 ， ( 6 )低温 天气 混 凝 土 温控 措 施。每 年 1 1月 次年 3 月 ，或 日平均气温低 于 5 ，或最低 气温 稳定在 一3以 下时，按低温季节混凝土施工进行控制。主要采取的措施 如下 ：混凝土浇筑 温度不得低 于 5 o C；新 浇混凝 土表 书 讯 面至少在浇筑后 1 5 d 里 保持温度不低 于 5 ，并 在规定养 护期 内不 受冰冻影 响 ；不应 在温度低 于 1的前 1 层混 凝土 面或地 面上浇 筑混凝 土 ；采用保 温模板 或加保 温材 料 ；在浇筑完成底孔 流道 的第 1 个 寒冷期 ，应 临时 封堵 流道及孔 洞 ，防止对流冷空气对 流道混凝土产生不利影 响 ； 寒冷季节来 临之 前 ，尽量减小 相邻坝块 高差及 侧面暴 露 时间 ，严格控制拆模 时间 ，防止表 面混凝 土产生 过大 的温 度梯度 。 6 结语 龙 口大坝通过合 理选择 材料 、严格 控制 混凝土 浇筑温 度 、合 理分 层及 控制间歇期 、坝 内埋 设冷 却水管 、采 取高 温及低 温天气特殊温控措施 等对大坝混凝 土温度进行控 制 ， 大坝混凝土浇筑完成 2年 以来 未见深 层裂 缝 ，表 面裂 缝也 不多，可见本工程的温控设计是合理的。尤其是在坝内埋 设冷却水管，在现场一期冷却供水条件不足、高温天气制 冷设备不完善等实际存在的不利情况下，通过水管二期冷 却，在较短的时间内使坝体温度降至稳定温度，从而保证 了坝体接缝灌浆的顺利进行，效果显著。 作者简介 谢坤 女 工程 师 中水 北方勘测设计研 究有 限责任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 朱 志强 男 高级工程 师 天津市水务局 天津3 0 0 0 7 4 高诚 男 助理工程 师 中水 北方勘测设 计研究有 限责 任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 赵小娜女 高级工程 师 中水北 方勘测设 计研 究有 限责 任公 司 天津3 0 0 2 2 2 ( 收 稿 日期2 0 1 1 0 31 6 ) 欢迎订 阅 碾 压式土石坝设计 由中国工程设计大师林昭编写的 碾压式土石坝设计 一书 已出版发行 。本 书包括碾压式 土石 坝设计 的全部 内容 ：枢纽 布置；各种断面和适用条件；各种筑坝材料及填筑标准的确定 ；对各种坝基的处理方法；土石坝 与岸坡接头以及与混凝土 建筑物的连接型式；坝体结构 ；各种有关计算( 如渗流、坝坡稳定、沉降、坝体应力应变等) ；土石坝抗震及监测等。 本书内容力求精练、实用 ，基本涵盖了土石坝设计的所有内容，不仅介绍必要的计算公式、图表和设计指标范围值 ， 还根据作者数十年的实践经验 ，并参照一些技术文献和国内外大量土石坝工程实例，用相当多的篇幅阐述各种坝型的优缺 点和特色、筑坝材料的选择、坝基处理措施 、抗震和活断层上筑坝的工程措施等，指出设计应该注意的各个方面，实用性 比较强，可供从事土石坝设计的技术人员及大专院校水工结构专业的师生参考。 本书定价 ：1 9 8 O元。预购者，直接邮汇至 水利水电工程设计 编辑部，地址：天津市河西区洞庭路 6 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