四川省某水电站导流明渠导墙混凝土温控设计及防裂研究.pdf

2 0 1 1 年第 4期 ( 第 3 9卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 4 2 01 l ( T o d a l N o 3 9 ) 文章编号： 1 0 0 77 5 9 6 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 0 6 0 4 四川省某水电站导流明渠导墙混凝土温控设计及防裂研究 黄勇 ， 雷运华 ， 王小波 ， 王卫喜 ( 1 黑龙江省水利 水电勘测设计研 究院 ， 哈尔滨 1 5 0 0 8 0； 2 中国水 电顾 问集 团成都勘测设计研究院 ， 成都 6 1 0 0 7 2 ； 3 河北省大清河管理处 ， 河北 保定 0 7 1 0 5 1 ) 摘要 ： 四川省某水电站采用明渠导流， 明渠左导墙为混凝土结构， 截面尺寸较大， 根据当地气候等条件， 有必要对左导墙进行温控 设计及防裂研究。 关键 词 ： 水电站； 明渠导墙； 混凝土浇筑； 控温设计； 防裂 中图分类号： T v 5 5 1 1 l 文献标识码： A Te mpe r a t ur e Co n t r o l De s i g n a n d Cr a c k Co nt r o l Re s e a r c h o n Gu i de W a l l Co nc r e t e o f Di v e r s i o n Cha n n e l f o r a W a t e r Po we r S t a t i o n i n S i c hu a n Pr o v i nc e HUANG Yo n g ，L EI Yunhu a ，W ANG Xi a ob o ，W ANG W e ix i ( 1 H e i l o n g j i a n g P r o v i n c e Wa t e r C o n s e rva n c y a n d H y d r o p o w e r I n v e s t i g a t i o n ， D e s i g n& R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H a r b i n 1 5 0 0 8 0 ， C h i n a ；2 C h e n g d u I n v e s t i g a t i o nDe s i g n & Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n e s e Wa t e r C o n s e rva n c y a n d Hy d r o pe w e r C o n s u l t a t i o n G r o u p ， C h e n g d u 6 1 0 0 7 2， C h i n a ； 3 D a q i n g h e Ma n a g e m e n t D e p a r t m e n t o f H e b e i P rov i n c e B a o d i n g 0 7 1 0 5 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Di v e r s i o n c h an n e l s are u s e d t o d i v e r t fl o w s f o r a h y d r o p o w e r s t a t i o n i n S i c h u a n P rov i n c e， i t s l e ft g u i d e w a l l i s ma d e o f t h e c o n c r e t e wi t h a l a r g e d i me n s i o n i n c r o s s s e c t i o n Ac c o r d i n g t o t h e l o c a l c l i ma t e ，i t i s n e c e s s a r y t o s t u d y t h e d e s i gn o f t e mp e r a t u r e c o n t rol an d c r a c k c o n t r o l for the l e ft gu i d e wal1 Ke y wo r d s ： w a t e r p o w e r s t a t i o n ；gu i d e wall o f d i v e r s i o n c h a n n e l ；c o n c r e t e；c a s t i n g ；d e s i g n o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l ；c r a k e c o n t r o l l 工程 概况 四川省某水电站工程枢纽建筑物从左到右由左岸挡水 坝、 河床式厂房坝段、 4孔泄洪闸坝段、 导墙坝段、 与导流明渠 结合 3孔泄洪闸坝段和右岸挡水坝等建筑物组成。坝顶总 长4 4 0 4 3 m， 最大坝高7 1 3 m， 总装机容量41 5 0 MW， 水库 正常蓄水位1 0 1 5 0 0 m， 水库总库容9 1 2 0万 m ， 是以发电为 主的水电枢纽工程。 导流明渠布置在右岸滩地上， 结合水工右岸 3孔泄洪闸 的布置， 导流明渠渠身段底宽6 3 8 m， 明渠中心线混凝土底 板长6 0 9 7 7 3 m； 明渠进口底板高程为9 8 2 0 0 m， 明渠出口高 程在桩即+1 8 0 m处由9 8 2 0 0 m以 1 ： 1 0反坡至9 8 6 0 0 m高 程。明渠桩号 0+ 0 0 0 0+ 0 6 0 m段为永久闸室段， 桩号 0+ 0 6 0 0+ 3 4 0 4 9 8 m段为闸室下游护坦区， 桩号0+ 3 4 0 4 9 8 m 下游段为明渠出口及右岸边坡防护区。 明渠桩即+ 0 0 0 m左导墙墙顶高程为1 0 1 4 O 0 m， 明渠 导墙末 端 高 程 为 l O O 4 O O m， 导 墙 顶 高 程 1 0 1 4 0 0 m l 0 0 4 0 0 m以8 的坡比连接， 明渠左导墙长5 4 4 3 6 4 m。 2 施工期温度徐变应力仿真分析 2 1 边界条件和计算模型 导流明渠左导墙沿水流方向取2 0 m 长度建模计算， 左导 墙最宽1 0 2 m， 高3 2 0 m， 左底板宽3 9 0 m， 厚8 0 m； 基岩上 下游 和左右岸 方向按 绝热处 理 ， 基 岩底 面为 地 温边界 ， 导流 明渠上下游方向边界条件为绝热； 基岩底面加全约束 ， 基岩 其余四面加垂直约束， 其余为自由面， 有限元模型见图 1 。 2 2 计 算工况 左导墙底板 9 7 4 9 8 2 m高程的 C 2 0混凝土2 0 1 0年 2月 1 4日开浇， 墙体 9 8 21 0 1 4 m的 C 2 5混凝土 1 1月开浇。C 2 0 混凝土采用浇筑厚度1 5 m， 上下层间歇期5 d 的方案； C 2 5混 凝土采用浇筑厚度3 m， 上下层间歇期7 d 。 2 3 计算条件 推荐温控措施 ： 混凝土浇筑温度为 2 0 C( 月均气温低于 1 8 C采 取 自 然 人 仓 ) 、采 取 通 河 水 1 5 d ，水 管 采 用 1 5 m1 5 m的布置方式 ， 冷却水流量 Q为3 2 0 L m i n ， 不 考虑过水 。 2 4 计算结果 收稿日期 2 0 1 01 11 O 作者简介 黄勇( 1 9 7 7一) ， 男， 黑龙江肇州人， 工程师； 雷运华( 1 9 7 3一) ， 男， 四川内江人， 高级工程师； 王小波( 1 9 8 3一) ， 男， 江苏海安人 ， 工程师； 王卫喜( 1 9 7 4一) ， 男， 河北涞源人， 高级工程师。 一 6 一 黄勇， 等： 四川省某水电站导流明渠导墙混凝土温控设计及防裂研究 第 4期 计算过程见图2图9 。 图 1 导流明渠左导墙计算模型 _ 厂 一 立 ! ! ： ! L7 9 8 2 0 0 J C B 了9 7 4 O 0 图 2 输出点位置图 图 3 推 荐温 控措 施下 A点温度与应 力点过程线图 4 0 3 5 30 2 5 、 嚣 2 0 1 5 1 0 5 毒 1 0 d 2 0 1 o ； 一 5 型 一1 0 一 l 5 2 0 图4 推荐温控措施下 B点温度与应力点过程线图 如 3 5 3 0 2 5 p 2 0 髻 蝎 1 0 芝 舅 曼 蔷 ， 一 _、 、 I l l 一左右摩方向应力o x t： t I 1 一 上 下 辩 方 向 应 力。 琅 t 莹 线 I B慨 I d l 0 一 十9 2 9 洲 卜 2 B I l 1 5 2 o 1 2 - _ l I_ ! _ _ _ i ， 图5 推荐温控措施下 C点温度与应力点过程线图 _一 - 一 h、 一一 ， 、 l - I _ I 一 左 右 岸 方 冉 应 力 口 - j旺 *l iltl I + 上 下 替 方 冉 虚 力 y 越 疆 螗 l 。 日期 d 1 0 - 1 2 H 鞠 ! ! l T - 如 枷 i = = = J 图6 推荐温控措施下 D点温度与应力点过程线图 20 55 3 2 2, 27 6 23 + 9 99 2 5 ? 2 2 29 4 4 5 2 9, 1 6 8 30 ,89 1 32 614 3 4 3 6 05 9 图 7 推荐温控措施下最大温度包络云 图 一 口 51一 0 j “ 6 6 910 i 6 l 4日1 1 76 E 图8 推荐温控措施下左右岸方向最大应力包络云图 一 7 0 啪 啪 嗡 皇H 口 R诩 2 0 1 1年第 4期 ( 第3 9卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y NO 4 2 01 1 ( T o d a l N o 3 9 ) 图 9 推荐温控措施下顺水流方 向最 大应 力包络云图 从 图 2图 9可 以看 出： 1 ) 左右岸及顺水流方向最大应力基本上都满足容许应 力标准。底板9 7 9 m高程处和墙的中下部的温度较大。底板 应力偏大 ， 墙相对较小。底板右侧9 7 9 m处的左右岸和顺水 流应力都较大 ， 底板左侧靠近外表面处的顺流向应力最大。 2 ) 由于 明渠左导墙在冬季施 工 ， 施 工期 的温度 和应力都 比较小。施工期结束后 ， 明渠在冬季拉应力明显增大 ， C 2 0混 凝土的靠表面处的顺水流方向应力最大为2 0 M P a ， 需要注 意混凝土表面的保护与养护 ， 防止表面裂缝的产生。 3 ) 从温度与应力点过程线中看出： A点处混凝土浇筑第 6天达到最高温3 7 ， 1 个月后内部点的温度基本接近气温。 顺水流应力最大点 A在墙和右侧基岩约束之间， 2个方向应 力差别不 大， 与气温 变化趋 势相反 ， 在冬 季达 到最大值 2 3 4 MPa。 4 ) 从温度和应力包络云图可以看出： 底板中部最高温度 偏大， 最大值为 3 7 2 3 。 ， 墙的中部偏下温度较高。底板右侧 中部混凝土和底板左下部靠近外表面处的顺河向应力最大， 底板中部 靠近 上 表面 处 的左右 岸 应力 最大 ， 最大 值是 2 2 9 MPa。 5 ) 左右岸与顺水流最大应力都发生在夏季浇筑的 C 2 0 混凝土靠近表面处， 高程为9 7 9 m， 发生时间在 2 0 1 1年 3月 2 0 E t 。因此需要注意表层的保护与养护， 防止冬季受气温影 响而导致表面裂缝 的产生 。 3 导流明渠温控标准、 温控措施及主要技术要求 3 1 温度控制标准 根据导流明渠左导墙的三维温度及应力仿真计算成果， 在保证各个工况的抗裂安全系数 1 6 5的前提下， 制定了如 下温控标准： 3 1 1 基础温差 依据规范， 并考虑三维有 限元计算成果 ， 分析拟定混凝 土基础允许温差见表 1 。 表 1 明渠左导墙混凝土允许基础温差 3 1 2 内外温差标准 为了防止明渠内外温差过大引起混凝土表面产生裂缝， 施工中坝体内外温差要求控制在 l 8 。 3 1 3 上下层温差标准 根据上下层温差应力分析结果， 基础约束区长间歇老混 凝土上新浇混凝土， 按基础强约束区考虑。 自由区范围内， 在间歇期超过2 8 d 的老混凝土面上继续 一 8 一 浇筑混凝土时， 当上层短间歇均匀上升的高度 0 5块长时， 上下层温差 2 2 C； 当上层混凝土上升的高度 2 5 C时， 可进行仓面喷雾， 上层混 凝土浇筑准备工作开始， 以降低仓面环境温度。喷雾时水分 不应过量 ， 要求雾滴直径达到4 0 8 0 I,z m， 以防止混凝土表面 泛 出水 泥浆液。 表 3 左导墙混凝土 出机 口温 度 黄勇， 等： 四川省某水电站导流明渠导墙混凝土温控设计及防裂研究 第 4期 表 4 左导墙混凝土浇筑温度 3 2 4 通水冷却 1 ) 对 于左 导 墙 需 布 置 冷 却 水 管， 冷 却 水 管 布 置 1 5 mx1 5 m ( 水平 垂直) 的水管间距。 2 ) 冷却水管支管采用蛇形布置 ， 单根蛇形支管 的长度 2 8 d 的养护， 对于侧面， 保持持续湿润， 养护从混凝土终凝 后即开始洒水养护 ， 养护应全面且不间断的进行， 避免干湿 交替。对于底板混凝土浇筑层上表面， 混凝土终凝后采用蓄 水流水养护散热， 其它部位混凝土浇筑层上表面采用洒水保 湿养护， 直到上一层混凝土开始浇筑。 2 ) 低温季节( 1 1 2月) 浇筑的混凝土， 每层混凝土浇筑 结束后 ， 在其上表面采用 1层3 c m厚聚苯乙烯泡沫塑料板压 紧覆盖。 3 ) 气温骤降期间应暂停湿养护 ， 对龄期未满2 8 d 的混凝 土采用3 e m厚聚苯乙塑料泡沫材料进行全面保护， 并对棱角 部位采 取加 强措施 。 4 ) 冬季浇筑的混凝土应适当推迟拆模时间， 气温骤降期 间不允许拆模。 3 3 温度监 测要求 3 3 1 混凝土浇筑温度测量要求 1 ) 混凝土浇筑温度测量宜采用简易方法测量。 2 ) 混凝土浇筑温度每1 0 0 m 仓面面积应不少于 1个测 点， 每一浇筑层应3个测点。测点应均匀分布在浇筑坯层 面上， 测点深度为1 0 c m。 3 3 2 混凝土内部温度测量要求 1 ) 温度测量仪器宜采用铜电阻温度计。底板每一浇筑 层 内部温度计埋设密度应 1 支 3 0 o m ( 含永久监测温度 计 ) ， 且最少1支。边墙部位每 1浇筑层内部温度计埋设 1 支 。 2 ) 测点布置应考虑浇筑块温度分布状况， 特别是水平方 向和垂直方向温度梯度的测量。 3 3 3 混凝土内部温度取值要求 1 ) 按浇筑分层进行混凝土温度成果计算 ， 同一类 的测量 成果应进行平均处理， 同一类测量成果多个测量成果之间差 异较大时， 应对测量成果进行分析评价， 经监理和设计确认 后方可使用。 2 ) 施工期历时温度以埋入式仪器( 铜电阻温度计或其他 仪器) 测量成果为主， 取值以测量成果进行加权平均计算得 到 。 3 3 4 温度观测要求 1 ) 在混凝土浇筑过程中， 1次 4 h 测量混凝土的原材料温 度、 出机 口温度、 浇筑温度 、 冷却水进出口温度、 压力、 流量、 外界气温和仓内气温 ， 并做好记录。 2 ) 施工过程中应每天观测表面最高温度和最低温度， 气 温骤降和寒潮期间， 应增加温度观测次数。 3 ) 混凝土浇筑时即开始内部温度测量 ， 温度测量间隔要 求： 内部温度测量间隔时间一般应1 2 h ； 新浇混凝土在一期 冷却阶段( 龄期约在5 d 内) ， 温度测量间隔时间应4 h 。 4 ) 闷水测温。在二期通水冷却之前应进行一次闷水测 温， 根据测温结果估算二期通水冷却时间。二期通水冷却到 估算时间后， 进行闷水测温， 以检验是否达到灌浆温度。如 混凝土温度高于灌浆温度， 需继续通水冷却。 同一区域， 冷却参数相同的浇筑层， 至少有 3 4个浇筑层 同时进行闷水测温。闷水测温必须用压缩空气将管内积水缓慢 吹出， 不能用江水或制冷水赶水。用水桶盛水测温， 选定层的每 根水管单独测量， 每根水管的水温取多桶水温的平均值作为测 量结果。不同间距水管的参考闷温时间见表5 。 表 5 闷温 时间参考表 水管间距 ( 水平 X垂直 ) m 1 5 1 5 闷温时 间 d 4 5 5 ) 对所有温度计测量结果应做好记录， 形成关于最低温 度、 最高温度、 平均温度的历时记录， 其中平均温度成果用于 评价施工是否满足温度控制相关要求。 6 ) 承包人应 即时向监 理人提交温 度测量报告 ， 纳 入温度 控制施工周报 ， 内容包括( 但不限于) ： 混凝土浇筑温度 ， 混凝 土内部温度， 每条冷却水管的冷却水流量、 流向、 压力 、 人 口 温度和出口温度 ， 要求反映温度历时变化过程。 7 ) 施工过程中， 承包人应根据温度测量结果进行趋势预 测， 对可能超出温控标准的情况应及时制定并实施预防措 施。一旦发现超出温控标准的情况， 要及时报告给监理人。 4 存在 问题及建议 1 ) 由前述计算分析可知， 明渠在汛期过水时， 在 目前的 制冷系统所能提供的温控措施下， 最高温度超出了允许最高 温度， 最大温度应力亦超过了允许拉应力 ， 存在一定的开裂 风险。 2 ) 建议明渠汛期过水前， 除通水降温外， 过水前1 0 d 用河 水养护， 养护水深 2 0 e m。 3 ) 若混凝土设计龄期由2 8 d 调到9 0 d ， 相当于混凝土等 级降低了部分。根据结合段复核计算分析结果来看， 与2 8 d 设计龄期相比， 最高温度和温度应力均基本相 当， 但混凝土 对应龄期抗拉强度较2 8 d 设计龄期低 ， 抗裂能力有一定降低。 目前9 O d 龄期热力学参数为推算值， 有待试验参数全部出来 后进一步复核。 参考文献 ： 1 江苏省水利勘测设计研究院 S L 3 7 9 2 0 0 9水工挡土墙设计规 范 S 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 7 一 9 一