山口岩碾压混凝土拱坝温度控制设计.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 1 1 期 山口岩碾压混凝土拱坝温度控制设计 杨志华谢Y - 9 - ( 江西省水利规划设计院 江西南昌 3 3 0 0 2 9 ) 【 摘要】 本文依据 山口岩碾压混凝土拱坝的骨料特性及坝址 区气候条件，结合大坝三维有 限元温度 仿真计算成果，按照适 当从严控制的原则，确定了山口岩碾压混凝土拱坝的温度控制标准及相应的温控 措施 ，并根据大坝观测资料对温控效果进行 了分析评价。 【 关键词】 山口岩水库碾压混凝土拱坝温度控制 V 0 I编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 1 1 0 2 3 【 中图分类号 】T V 6 4 2 4 【 文献标识码 】 B 【 文章编号 】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 3 )l 卜0 0 7 1 0 4 1 工程概况 2 ：基本资料 山口岩水库位于赣江支流袁水上游 ，坝址 以上控 制 集 雨 面 积 为2 3 0 k m2 ，水 库 总库 容 为 1 05X 1 0 m 3 ，是一座以防洪 、供水为主，兼顾 发电、灌溉等综合效益的大 ( I I )型水库。主 要建筑物有大坝 、溢流堰、放空洞、引水隧洞 及发电厂房等 。 大坝为碾压混凝土抛物线双曲拱坝， 最大坝 高 9 9 1 m，坝顶高程为 2 4 7 6 m，坝顶宽度 5 0 m， 坝底最大宽度 3 0 0 m，坝顶弧长 2 6 8 2 3 m，坝体 为全断面碾压 混凝土 。 2 1 气象资料 L 【 J 口岩坝址 区多年年平均气温 为 1 7 3 ，多 年最高月平均气温 2 8 7 ( 7月份) ，多年最低月 平均气温 5 - 3 ( 1月份) ，6 8月份 的月平均气温 均高= F 2 5 ，属高温季节，5月和 9月份的月平 均气温 高于 2 2 ，属次高温季 节 。山 口岩坝 址 区各月的多年平均气温见表 1 。 2 2 碾压 混凝 土热力学指标 ： 坝主体混凝土材料为 R 9 o 2 0 0三级配碾压 混凝 上，其热力学指标 见表 2 。 表 1 山口岩坝址区各月的多年平均气温 表 2 碾压混凝土热力：学指标 弹性模 量 极 限拉 伸值 绝热温升 比热 导温 系数 导热系数 线膨胀系数 强度等级 泊松 比 ( G P a ) ( 1 O ) ( ) ( K J k g) ( X1 0 m z h ) ( K J mh) ( X1 0 ) 届 0 2 0 0 2 0 0 i 75 l 4l 2 4 0 9】 5 06 l 1 2 l 8 9 5 坝体混凝土温度控制标准 根据大坝三维有限元温度仿真计算， 为保证 坝体 应力满足规 范要 求 ， 提 出 了山 口岩碾压 混凝 土拱坝各月份坝体混凝土温度控制标准。 3 1 坝体混凝土允许峰值温度 各月份坝体 内部混凝土峰值温度控制标准 见表 3 。 3 2 坝体混凝土基础温 差 基础 温差 是 指基础 约 束范 围 以 内混凝 土最 高温度与该部位稳定温度 ( 或准稳定温度 ) 之差。 基础温差标准为：强约束区 ( O O 2 L )1 6 ， 一 般 约束区 1 9 。 3 3 坝 体混凝土 内外温差 作者简 介：杨 志华 ( 1 9 7 8年一) ，男，工程师 。 7 l 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 1 1 期 表 3 各月份坝体内部混凝土峰值温度控制标准 单位 ： 月份 浇筑部位 允许温度 1 1 1 2 2 3 4 I 5 1 0 强 约 束 区 坝 体 内 部 混 凝 土 允 许 峰 值 温 度 3 2 3 2 3 2 3 2 l 3 2 一 般 约 束 区 坝 体 内 部 混 凝 土 允 许 峰 值 温 度 3 5 3 5 3 5 3 5 I 3 5 非 约 束 区 坝 体 内 部 混 凝 土 允 许 峰 值 温 度 3 5 3 5 3 6 3 8 l 3 9 内外温差指的是坝块内外两点的温降之差。 允许 内外 温差控制标准为 2 3 5 。 3 4 坝 体混凝土 上下 层温 差 、封拱温度 上、 下层 温差指在老混凝 土 ( 龄期 2 8 d以上 ) 面上下各 0 2 5 L范 围内，上层新浇混 凝土最高平 均温 度 与新浇 混凝 土 开始 浇筑 时 下层老 混凝 土 实际平均温度 之差 。上、下层 混凝土容许温差控 制标准 为 2 0 。封拱温度为 1 7 3 。 4 碾 压 混凝 土温 控措 施 4 1 优化 混凝 土配合 比 选用优质粉煤灰 ，掺 高效缓凝减 水剂 ，通过 优化碾压混凝土配合比，降低水泥用量，从而降 低混凝土绝热温 升 。 根据 山 口岩碾 压混凝土配合 比优选及性 能试验成果 ， m级配碾压 混凝土 的极 限拉伸值 ( 9 0 d )大于 1 4 0 1 0 ，对提 高混凝 土 的抗裂性能有利 ， 但其绝热温升( 9 0 d ) 高 达 2 4 ， 需采 取一 定 的温控 措 施来控 制 混凝 土 内部 峰值 温度 。 4 2 控 制浇筑温度 ( 1 )水 泥 、粉煤灰 等原材料提前组 织进场 ， 以降低 其 出厂温度 。 ( 2 )骨料采 用地 垄取料 ，控 制骨料 堆高大 于 6 m，骨料温度不大于月平均气温 。 ( 3 )混凝 土运输 、传料 设备采取遮 阳 防晒 措施 ，尽量缩短其 暴晒时间 。 ( 4 )高温 季节施工时 ，为了防止热量 倒灌 ， 采 取 喷水 雾等 措施 ，形 成混 凝土 浇筑 仓 面 小气 候，降低仓面温度。合理安排浇筑时段，将混凝 土浇筑尽量安排在早晚和夜间施工。 ( 5 )尽量安排浇筑块尺寸较大、温度控制 较严部位的混凝土在低温季节施工。 4 3 合理安排浇筑分层和层间间歇 碾压混凝土每间歇层浇筑高度一般不小于 3 m，每一碾压层厚度按 3 0 0 mm控制。碾压混凝 土层间施工时间控制在 5 8 h之内， 并且碾压混 凝土从拌和楼 出机 口出来至混凝土在仓面碾压 7 2 完成 ，宜控 制在 2 h之 内。碾压混凝 土间歇层 间 歇 时间控 制在 4 d左 右 ，最长不 能超 过 l 5 d 。除 渡 汛期间和高温期停浇碾 压混凝土外 ，其他时 间 碾压混凝土严禁长 间歇 。 4 4 坝体 内预埋 冷却水管 ( 1 )冷 却水 管布 置原 则 。碾压 混凝土 坝体 内 部 冷 却 水 管 采 用 3 2 mm 聚 丙 烯 塑 料 管 ( P P R) ，管材的导热系数 宜为 1 O W( m ) ， 管壁 厚度 宜为 2 2 5 mm。在仓面上 冷却水管呈 “ S ” 形布置 ， 按 1 5 0 0 mm( 碾压厚度 )l 5 0 0 mm ( 水 管 间 距 )布 置 ， 单根 水 管 长 度 不 宜 超 过 2 00 m 。 ( 2 )初 期通水 冷却 。初期通水 冷却一 般起 削峰作用 ，消减混凝 土 内部 的峰值温度 ，使坝体 内部混凝土 峰值温度不超过 设计要求 的允许值 。 坝体混凝土初期冷却在混凝土碾压完成后 1 2 h 内进行 。 水 管通 水冷 却 时管 内水 温 与管 外 混凝 土温 度相差过大和冷 却速度 过快会产 生裂缝 ， 初期通 水 时冷 却水 管 内水温 与坝 体 内部 的 混凝 土温 度 之 差控制在 2 2 之 内。在通水 冷却 时，坝体 混 凝 土冷却速 率不应超过 1 d 。每隔 2 4 h变换一 次水流方 向，通水流量 为 l 5 1 8 L mi n 。 ( 3 )中期通水冷 却 。中期通水冷 却是 削减 坝体 内外温差 ，预防坝块产 生表 面或深层裂缝 的 有效措施之一 ，也是在后期 冷却前进行浇筑块 的 再 降温 ，降低后 期冷 却容量 。中期通水应根据 施 工进度和封拱灌浆时间而定， 可安排在初期通水 冷却 后立即进行 ，也可安排 在 后期冷却前 2个 月 进行 。中期通水一般采用河 水 ，通水历时为 2个 月左右 ，以坝 体混凝土温度 降至略高于年平均气 温为准 。 ( 4 )后期通 水冷却 。后期通 水是使 混凝土 柱状块达到接缝灌浆温度的必要措施，目的是将 坝体温度降至温控标准中规定的封拱温度 。 后期 冷却应在封拱前 1 个月开始， 通水结束以坝体达 到封拱温度为准。后期冷却一般采用河水冷却。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 l 1 期 4 5 低温季 节保 温措施 ( 1 )坝面和仓面保温 。坝面保温是为了有 效 防止 气温 骤 降使 坝体 混凝 土 产 生裂缝 而 采取 的措施 。如果气温骤 降 ，坝体表层 混凝土温 降梯 度较大 ，易在 混凝 土表层先形 成表层裂缝 ，后期 极有可 能发展延伸 、 逐步加大 。 当遇气温骤 降(日 平均气温 2 3 d连续下降超过 6 C)时，所有新 浇混凝土 需要采取适 当有 效 的表面保温措 施 。 表 面保温后的混凝土表面等效防热系数 不大于 2 4 3 KJ m2 o h 。 ( 2 )坝体 孔洞和 廊道保温 。考虑 到坝 体放 空洞和廊 道 口等部位超 冷现象和应 力集 中 ， 控制 混凝土最 高温度 比一般 的基础约束块低 ( 约 3 4 ) 。因此 ，需加 强上述 部位 的表 面保温 措施 。 工 程上 一般 将 聚苯 乙烯泡 沫 塑料板 贴 在模 板 内 侧进行保温 。尽量在孔洞过水之前经过中期冷 却 ，把混凝土 温度 降到 设计规 定温度 ，减少过水 时的混凝 土 内外温差 。 ( 3 )控制 混凝土 拆模 时间 。大 体积混凝 土 拆 模 时 间除满 足 混凝 土拆 模 时需 要 的强度 要 求 外，还需满足温度控制要求 。在气温骤降时和寒 冷气温条 件下不 能拆模 。当遇寒潮 天气或气温低 于零摄氏度时适 当延长拆模时间约 2 d ，并应尽 量安排在 白天气温较 高时段进行拆模 。 4 6下闸蓄水温度 下 闸蓄水时水温过低 会对坝体上游表 面混 凝土产生冷击 ，使坝体上游面产 生表面 裂缝 。故 水库在 下 闸蓄 水时要求 蓄水水温 不低 于 1 0 ， 水库蓄水水位 宜缓慢上 升 。 5 温度控制效果分析 选取埋设于坝体 内部编号为 T A 6 、T A z 3 两只 温度计的监测数据进行分析。温度计 T A 6 埋设高 程 为 1 5 4 5 m，该仓碾压 混凝土在 3月底浇筑 ， 未采取温控措施，其温度过程线见图 1 。由图 1 可 知 ，该仓 混凝土 的入 仓温度 为 2 4 ，最高温 度 为 3 4 ，经过 1 2个 月后混凝 土 自然冷却至稳 定温度场 。温 度计 T A z 3 埋设 高程 为 1 6 0 5 m。该 仓碾压混凝 土在 5月 中旬 ( 次高温季节 )浇筑 ， 采取 了 地垄取 料、遮 阳防晒、通水冷却等温控措 施，其温度过程线见图 2 。由图 2可知，混凝土 入仓温度 为 2 2 ，最 高温度 为 3 6 ，经 过 7个 月后混凝土冷却至稳定温度场。 通过对 T A 6 、 T A z 3 的温度过程线对比分析表明：( 1 )5月中旬 ( 次 高温季节)浇筑的混凝土入仓温度低于 3月底 ( 低温季节)浇筑的混凝土入仓温度约 2 ，说 明采取 的温控措施能有效地降低混凝土 的浇筑 初始温度。( 2 )混凝土浇筑后及时进行了初期冷 却 ，削峰效果 明显 ，降温速度较快 ，混凝土冷却 到稳定温度场的时间缩短了近 5 个月， 有效地控 制 了混凝土 内部的最高温度 。 ； 、 、 温度 ： ) 图 1 T 。 温度时序曲线变化图 时阊 ( 年一 月) 、 、 图 2 T 温度时序曲线变化图 时阐 ( 年一 月) 7 3 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 3年第 1 1 期 6 结语 一，应引起高度重视。 ( 1 )山 口岩 碾压 混凝土拱坝 温度控 制措施 经 济合 理 ， 能够有 效控 制坝 体 混凝 土 的最 高温 度 ，满足混凝 土抗裂要求 ，对类似工程 具有一定 参考 借鉴作用 。 ( 2 )碾 压混凝 土拱坝一般 采用通仓 浇筑 ， 温 度控制是保证工程 质量和进度 的关键措 施之 ( 上接第 6 7页)特性，采取相应的技术措施， 对渠道 冻害进 行综合防 治， 提 高其综合使用寿命 和运营 经济效益 。 3 1 渠 基换填措施 渠基 换填 措 施是通 过 采用 非 冻胀 性土 质 置 换 渠床 冻 胀性 土 的抗冻 胀措 施 ， 以改善 基土 条 件 ，达 到减 少或消除冻胀灾 害的 目的 。此法 在渠 道 工程中应用较 为广泛 且效果较好 ， 尤 其当渠道 附近换填料储量 能够满 足工程需求 时，其工程经 济效益较 为明显。通常将渠床冻胀性地 基土置换 成非冻胀性 的砂 、卵石 、碎石等填 料，或在渠床 地基土中添加憎水性物质， 以达到降低或避免渠 床地基土 发生冻胀灾害 。 3 2保 温措施 通过 采用合理 的保温材 料，改善渠床地基 土 运行环 境，减 少冻深 ，进而达到削减渠床 地基土 冻胀 量的 目的。从工程实 际运 行经验 可知 ，当保 持渠床 地基土温度在 0 C以上 时，地基 土 中的水 分就不会出现冻结问题 。 由此就不可能出现体积 膨胀 问题 ，进而可 以避 免冻胀 灾害发生 。通常采 用将工业保温材料 ( 如 ： E P S聚苯 乙烯泡沫 塑料 、 P U 聚胺 脂材料等 )敷设在渠床及 渠道 坡面上 ， 以达到保温 防冻胀 目的 。 3 3 改 变水分迁移 通 过合 理 的 阻水措 施 来破 坏渠 床地 基 土 中 水分 的迁移通 道 ，减少或避 免出现冻胀灾害 。 3 3 1 合理回填粗颗粒材料 在渠床基础周边回填具有阻水特性的砂、 卵 石、矿渣等粗颗 粒材料 ，以破 坏渠床堤基 土的毛 细管 ， 进而避免或减 少冬季冻结过程 中堤 基土水 分迁移补给的效应，达到防冻胀 目的。 3 3 2 隔水封 闭法 通过在设计过程 中采用 复合土工 防渗膜 、塑 7 4 参考文献 朱伯芳大体积混凝土温度应力及温度控制 M ，北京：中 国 电力 出版 社 ，1 9 9 8 龚 召 熊主编 水 工混 凝 土 的温 控 与防 裂 【 M ，北京 ：中 国水 利 水 电出版 社 ，1 9 9 9 料布等 防渗材料 ， 将 渠床地基 土与防渗衬砌体 和 渠道流 水进行有效 隔离 ，不但 可 以保证渠床地基 土 中的水分不增加或增 加速度 非常缓慢 ，同时又 可以隔离外来水 的补给 ，达到阻水防冻胀 效果 。 3 4防冻措施优 化设计 结合英尔 力克干渠 0 + 0 0 0 4 + 3 1 0 段工程特 性 ， 推荐采用渠 基换填措施和聚 苯乙烯 泡沫 塑料 的保温措施两 种方案 。其中 ，渠 基换填措施采用 非冻胀性土质 置换渠床 冻胀性土 的抗冻胀 措施 ， 换填材料 采用碎石 。按 S L 2 3 -2 0 0 6 渠系工程 抗冻胀设计规 范第 3 3 1条 规定 ，粗粒土 中粒 径小于 O 0 7 5 mm 的土粒重量 不得大于土样 总重 量 的 1 0 。渠床 置换 比值选 5 0 计算 后 ， 换填 深 度分 别 为 ：阴面 上 ( 下 )为 0 4 0 m；底面 为 0 3 5 m；阳面上 ( 下 )为 0 3 0 m。保温措施 为 E P S 聚苯 乙烯 泡沫塑料保温材 料 ，厚度 为 0 1 m。 由 于 本 地 区 碎 石 料 场 距 英 尔 力 克 干 渠 0 + 0 0 0 4 + 3 1 0工程 区较 近 ，采取碎 石垫层 比苯板 保温措施更 为经济 。 故优选换填碎 石的抗冻胀措 施 。经对计算 数值进行 分析 ，同时为施工方便 ， 本次设计对渠道不同部位置换层厚度取相同值， 即：渠底 、阴坡 、阳坡 乙 均取 0 4 0 m。参照工程 区附近 已实施 工程 的经 验和 本渠 道 的实 际情 况 考虑， 现浇混凝土板方案渠道全断面防冻层厚度 取 为 4 0 c m。 参考文献 1 s L 1 8 2 O 0 4 渠 道 防渗 工程 技术 规 范 S 北京 ：中 国水 利 水 电出版 社 ，2 0 0 4 2 S L 2 3 -2 0 0 6 渠 系 工程 抗冻 胀 设计 规 范 E s 7 北京 ： 中 国水 利水 电出版 社 ，2 0 0 6 3 刘 世 春 ， 张力 平 混 凝 土衬 砌渠 道 抗 冻胀 设计 特 点 J 水 利水 电科 技 进 展 ，2 0 0 8( 8) ： l l 7 一 l 1 9