构皮滩水电站拱坝混凝土温度应力分析及控制措施.pdf

水利技术监督 2 0 1 3 年第5期 构皮滩水 电站拱坝混凝 土温度 应力分析及控制措施 姚 国虎 ( 中国水利水电第八工程局有限公司，四川崇州 6 1 1 2 3 7 ) 【 摘要】 拱坝产生裂缝的主要因素是当坝体混凝土 内部及内外温度不同，形成温差进而产生温度应力，当其 超过了混凝土 自身的抗拉应力时导致混凝土出现裂缝。本文针对拱坝结构特点及所处的地理气候状 况，对坝体内部存在温度应力进行了分析，以便根据分析结果采取相应的措施，从而控制混凝土拱 坝裂缝的产生，保证坝体的整体性。 【 关键词】 温度应力分析；控制措施；混凝土拱坝；构皮滩水电站 I D O l 编码 】 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 - 1 3 0 5 2 0 1 3 0 5 0 1 9 【 中图分类号】 T V 6 4 2 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 8 - 1 3 0 5( 2 0 1 3 )0 5 0 0 6 4 0 4 1 概述 2 温度与温度应力控制限值 构皮滩水电站是乌江流域梯级电站之一，年均 设计发电量约 9 7亿度。电站所在地为贵州省余庆 县与湄潭县交界处 ( 构皮滩镇 ) 。该地 区属云贵高 原气候 ，高温季节较长，5 9月份平均气温在 2 0 度以上，每年冬季和春季时有寒潮发生，对混凝土 表面防裂极为不利 。 大坝为双曲拱型混凝土坝，坝顶水平长度为 5 2 5 m ， 顶部高程为 6 4 0 5 m ， 最低基岩面至坝顶高度 为 2 3 2 5 m ，混凝土总量 2 7 2万方。该 电站是迄今为 止喀嘶特地区修建的最大混凝土高拱坝。 整个大坝 从左到右设置 2 7 个坝段， 位于中部的 1 1 1 7 # 为溢 流坝段，其它坝段为非溢流坝段 ( 图 1 ) 。 I l I 口 口 a 口 口 口 。 _ 6 4 图 I大坝立面图 2 1温度控制限值 ( 1 )允许基础温差 。控制基础温差是防止大 坝发生裂缝的主要手段，根据对大坝的实验室模拟 计算分析 ，并考虑电站所在地区的气候环境及相关 规范要求 、工程经验等，大坝混凝土允许基础温差 限值控制见表 1 。弱约束 区在此基础上提高 1 3 控制。 表 1 基础温差允许限值表 控制 长边尺寸 范围 4 5 m 基础强约束区域 ( 0 0 2上 ) 2 2 2 5 l 9 2 2 1 7 1 9 l 6 1 7 基础弱约束区域 ( 0 2 0 4 Z ) 2 5 2 8 2 2 2 5 2 0 2 l 1 9 2 0 注：三 为浇筑块长边尺寸，混凝土为 C 1 8 0 3 5， 单位： ( 2 )坝体内部允许最高温度值。坝体内部混凝 土允许最高温度限值随外部环境温度变化而变化， 溢 流坝段与非溢流坝段最高温度限值也有所不同。 作者简介：姚国虎 ( 1 9 7 6年一 ) ，男，贵州人，高级工程师。 水利技术监督 2 0 1 3 年第 5 期 表 2为利用有限元法计算所得到的不同部位及 不同月份坝体内部混凝土允许最高温度值。 表 2 不同部位及月份坝体内部混凝土允许最高温度值 5 、9月 4 、l O月 3、1 1 月 1 2 2月 6 8月 部位 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 基础强约束区 2 9 3 O 2 9 3 0 2 7 2 4 2 9 3 O 溢流坝段 基础弱约束区 3 2 3 0 2 7 2 4 3 2 脱离基础约束区 3 3 3 0 2 7 2 4 3 6 基础强约束区 3 2 3 2 2 8 2 5 3 2 非溢流坝段 基础弱约束区 3 4 3 2 2 8 2 5 3 5 1 5 #、 2 4 2 7 # 脱离基础约束区 3 4 3 2 2 8 2 5 3 8 基础强约束区 2 9 3 0 2 9 3 0 2 8 2 5 2 9 3 O 非溢流坝段 基础弱约束区 3 2 3 2 2 8 2 5 3 2 6 i 0 # 、 l 8 2 3 # 脱离基础约束区 3 3 3 2 2 8 2 5 3 8 ( 3 )上 下层温差控制范 围。为了防止坝体出 现贯穿裂缝 ，下部混凝土浇筑超过 2 8 d的，在其上 连续浇筑时， 新老混凝土界面各 自坝块长度的 0 2 5 倍的高度范 围内，其上下层温差按 1 5 2 0 控 制。 2 2温度应力控制标准 ( 施工期) 对于混凝土基础浇筑部位 ，可利用有限元法或 影响线法确定其水平徐变温度应力，按公式 ( 1 ) 确 定其应力控制标准： 6p Ec ( 1 ) K ， 实验结果表 明，坝体混凝土水平徐变温度应力 最大值通常发生在中后期通水冷却结束时。公式 ( 1 ) 计算结果见如表 3 。 根据计算结果，大坝混泥土施工期温度应力都 在许可的范围内。 表 3 施工期温度 ( 室内弹性模量试验成果)应力标准 基础混凝土 龄期 弹模 允许水平应力 强度等级 ( d ) ( i 0 。 P a ) 极限拉伸 ( 1 0 ) 系数 备注 ( 1 0 6 P a) C , a o 2 5 2 8 3 6 9 0 8 2 L 8 1 6 8 脱离基础 C I 舯 2 5 9 0 4 2 8 O 8 8 1 _ 8 2 O 9 约束区 C l 8 o 3 O 2 8 3 6 8 5 0 8 1 8 1 7 3 基础约束区 2 4 - 2 7 # C 1 8 0 3 0 9 0 4 2 8 0 9 I 8 2 1 4 C l 8 0 3 5 2 8 4 0 0 0 8 8 L 8 1 9 6 基础约束区 1 4 - 2 3 # C1 8 0 3 5 9 0 4 4 5 0 9 l _ 8 2 2 3 3 坝体混凝土温度场施工期分布情况 3 1准稳定温度场 根据对 当地水文 气象站 的观测和记 录数据进 行 分 析 ，大 坝 蓄水 后水 库表 面 水 温年 平均 值 取 1 8 ，根据气温多年平均变化情况 ，水库表面水温 年变幅取 i 0 2 C； 对于库水温的变化深度，由于在 坝体中部设置有泄洪中孔，所以取值 7 5 m ：大坝下 游水面年均温度取 1 7 ，年变幅取 1 O 2 ，坝体 下游底部年均水温取 1 4 。 通过对典型坝段 1 4 # 坝段的日标准稳定温度场 进行分析 ( 图 2 、图 3 ) ，混凝土强约束区标准稳定 温度为 1 2 1 4 ， 混凝土弱约束区标准稳定温度 为 1 2 1 6 。 坝体上下游面受水温和外环境气温影 响存在 一 定幅度 的变化坝体内部混凝土温度基本稳定在 1 4 1 7 。 3 2温度在施工期的变化特点及冷却分析 浇筑混凝土后，内部温度受水泥水化热影响逐 渐升高，将会达到一个最高温度峰值，因此在浇筑 后的 1 2 h对坝体进行通水冷却，以削弱混凝土最高 峰值。早期水泥水化热较大 ，浇筑后的 3 5 d内， 内部温度将达到早期最高值，当冷却水吸收的热量 大于水泥水化热热量后，坝体温度逐渐降低。但是 在停止初期冷却通水后，因混凝土内仍有少量水泥 水化热产生，混凝土内部温度会有少量回升。 降温过程见图 4 。 6 5 水利技术监督 2 0 1 3 年第5 期 后期通水 是为 了使坝体混凝土 通过 降温进一 步收缩，使相邻坝段接触面张开到一定宽度 ( 不小 于 2 m m ) ，从而达到对该缝面进行接缝灌浆 的要求 ， 使得对该缝面进行接缝灌浆且坝体温度 回升后，拱 坝 形成一个更加紧密 的整体 ，更好地满足受力要 求 。一般通 6 C8 冷水，使坝体冷却至设计灌浆 温度 1 2 1 3 。 4 施工期坝体温度应力分析 4 1施工期温度应力 通过计算 ，位于基础约束区混凝土，水平向徐 变温度应力最大值为 0 5 5 1 3 9 M P a ，设计允许温 度应力为 2 2 3 M P a ，满足要求。 4 2施工期综合应力 施 工期 ，受温度荷 载的影响及坝体 自重的作 用 ，坝踵部位基本处在压应力状态 ；沿坝踵铅直 向 上 ，因后期通水温降作用，局部灌区沿拱 圈方向出 现 了带状的拉应力 区， 最大主拉应力为 0 8 5 M P a ( 相 应的有 限元等效拉应力为 0 4 4 M P a ) ，这些主拉应 力主要 由横 向正应 力所 引起 ；在河床坝段 的坝 踵 处，呈现出最大主压应力，其值为 3 6 1 M P a( 相应 有限元等效压应力为 1 9 2 M P a ) 。因此蓄水前大坝 的有限元最大等效应力均较小。 5 结 论 ( 1 )根据水泥水化热产生情况 ，在浇筑后的 4 d天左右 ，将会出现混凝土早期最高温度 。大坝基 础强约束区早期平均最高温度在 2 0 1 3 O 3 之间，弱约束区在 2 3 5 3 0 6 之间。 ( 2 )进入低温季节后 ，对 内部温度较高 的坝 段进行通水，从而降低 内部与其表面的温差，防止 坝体 出现温度裂缝。混凝土冷却温度按 2 2 控制 ， 通水时间为 2 6 4 9 d 。 ( 3 )后期通水 ，指在接缝灌浆前，对混凝土 通水 ，使混凝土温度 降低至要求灌浆允许温度。对 于温度要求为 1 2 1 3 的部位，采用 6 C8 冷水 ：对灌浆温度为 1 5 的灌区，在 1 2 3月时， 只用江水即可 。 ( 4 )参照坝体仿真应力计算成果，混凝土温 度徐变应力发生在坝体基础约束区，最大值出现在 混凝土后期通水冷却结束时，其变化值在 0 5 5 1 3 9 M P a之 间，满足要求 。 参考文献 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 中国电力出版 社 1 9 9 9 3 ( 上接 第4 9页) 凝土温控防裂工作。对浇筑仓面实行严格的盯仓 检 查，模 板、埋件必须有专人看 守，模板在浇 筑 过程 中必须挂线检查 ，严格按仓面工 艺设计组 织 施 工 。 4 3进度保障措施 ( 1 )制 定科学可行的施工方案，合理安排施 工工期 ，每天检查进度落实情况并及时解决相关 问 题 ；对可能出现 的情况制定详细的施工应急预案， 并做好相应 的人员、机械、物资准备。 ( 2 )及时做好技术交底 ，避 免因技术服务 不 到位出现返工，影响施工进度。 ( 3 )做好施工设备的检修与保养工作，提高 设备使用保证率 。 ( 4 )在允许的情况下尽可 能的安排多个施工 作业面同时施工，减少人员、机械设备 的窝工；做 好工序之间的衔接工作 ，充分做好每一道工序 的准 备工作，尽可能的避免施工准备 占用直线工期。 ( 5 )合理安排材料计划，做到适度超前；加 快物资采购工作，保证施工现场的各种原材料储备 与施工进度、强度相适应。 5 结 语 在业主 、设计 、监理等有关方面 的大力支 持 和协 助下 ， 金家坝 项 目部采 用 的管棚方案 已顺利 清理 了 引水隧洞 的塌方渣体 ，方案可行 ，安全可 靠 ，取得 了较为 满意 的效果 ，受到 了业 内单位 的 广泛好 评 。 本文总结 了金家坝 水 电站引水隧洞地 质塌方 处理方案设计及施工方法 ，指出 了重点难 点，并提出施工过程中安全、质量、进度的保障 措施 ，旨在总结成功经验 ，为类似工程事 故提供 参考借鉴 。 67