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      魚洞壩水庫拱壩混凝土溫度動態(tài)分析及溫度控制措施

      2016-10-19 17:11:07李太軍劉春蝶
      水能經(jīng)濟(jì) 2016年6期

      李太軍 劉春蝶

      【摘要】拱壩產(chǎn)生裂縫的主要因素是當(dāng)壩體混凝土內(nèi)部及內(nèi)外溫度不同,形成溫差進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,當(dāng)其超過了混凝土自身的抗拉應(yīng)力時導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。本文針對拱壩結(jié)構(gòu)特點及所處的地理氣候狀況,對壩體內(nèi)部溫度進(jìn)行動態(tài)了分析,以便根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施,從而控制混凝土拱壩裂縫的產(chǎn)生,保證壩體的整體性。

      【關(guān)鍵詞】魚洞壩水庫;混凝土拱壩;溫度動態(tài)分析;溫度控制措施

      1、概述

      1.1 工程簡況

      盤縣魚洞壩水利大壩樞紐工程位于貴州省六盤水市盤縣淤泥鄉(xiāng)境內(nèi),壩址位于珠江流域北盤江支流烏都河左岸一級支流淤泥河上,距縣政府所在地紅果鎮(zhèn)約66Km,距淤泥鄉(xiāng)約3Km,距雞場坪鄉(xiāng)約12Km。工程的主要任務(wù)是供水,并兼有農(nóng)田灌溉、旅游。魚洞壩水利工程包括水庫、工業(yè)基地輸水及灌溉工程三部分。水庫正常蓄水位1705.00m,總庫容2610萬m3,水庫工程規(guī)模屬中型,工程等別為Ⅲ等。

      大壩壩型為雙曲C2820常態(tài)混凝土拱壩,拱壩中心線方位角為N53.714°E,建基面高程1651.50m,最大壩高57m,壩頂高程1708.50m,壩頂寬5m,壩底最大寬度14.0m,大壩厚高比0.246,頂拱中心角89°,壩軸線長145.72m,左岸1699.00~1705.50m高程設(shè)重力墩。

      1.2 水文氣象

      魚洞壩壩址以上集雨面積101Km2,主河道河長14.36Km,主河道平均坡降9.5‰。據(jù)流域附近的盤縣氣象站多年資料統(tǒng)計,多年平均年降水量1393mm(其中5~9月占79.6%),多年平均水面蒸發(fā)量1526.7mm,多年平均氣溫15.1℃,最熱月七月平均氣溫21.9℃,最冷月一月平均氣溫6.3℃,區(qū)內(nèi)氣候溫和,最高氣溫35.6℃,最低氣溫-7℃,全年無霜期約256天。多年平均風(fēng)速1.7m/s,多年平均最大風(fēng)速9.8m/s,實測最大風(fēng)速為21.0m/s。

      2、混凝土溫度動態(tài)分析

      2.1 拱壩的溫度特征

      混凝土拱壩與重力壩除了在結(jié)構(gòu)、受力特點等方面不同外,其施工過程、溫控措施等也有明顯的差異,因此,拱壩的施工期溫度場至運行期溫度場經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的過程。拱壩的溫度特性主要表現(xiàn)為:

      (1)施工期拱壩的溫度變化過程:混凝土入倉,由于水化熱作用溫度迅速上升;施工期壩體混凝土的邊界條件動態(tài)變化,在新澆筑混凝土與已澆筑混凝土接觸區(qū)、二冷區(qū)與非二冷區(qū)接觸區(qū)等部位均有可能產(chǎn)生較大的溫度梯度。

      (2)運行期的溫度變化:由于拱壩一般比較單薄,因此拱壩在運行期受氣溫和水溫影響敏感,壩內(nèi)溫度變化比較大。

      2.2 混凝土溫控分區(qū)

      拱壩的大體積混凝土分為以下2個區(qū):1區(qū)(強約束區(qū))混凝土是指距基巖0.2L以內(nèi)的混凝土,2區(qū)(一般約束區(qū))混凝土是指距基巖(0.2~0.4)L范圍內(nèi)的混凝土(L為澆筑塊的長邊)。除1、2區(qū)混凝土以外的混凝土為非約束區(qū)混凝土。1區(qū)混凝土澆筑層最大允許厚度為1.5m,2區(qū)和非約束區(qū)混凝土澆筑層最大允許厚度為3.0m。

      2.3 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

      (1)允許基礎(chǔ)溫差。控制基礎(chǔ)溫差是防止大壩發(fā)生裂縫的主要手段,根據(jù)對大壩的實驗室模擬計算分析,并考慮水庫所在地區(qū)的氣候環(huán)境及相關(guān)規(guī)范要求、工程經(jīng)驗等,大壩混凝土允許基礎(chǔ)溫差限值控制見表 1。2區(qū)(弱約束區(qū))在此基礎(chǔ)上提高 1℃~3℃控制。

      注:L為澆筑塊長邊尺寸,混凝土為C2820,單位:℃

      (2)壩體內(nèi)部允許最高溫度值。壩體內(nèi)部混凝土允許最高溫度限值隨外部環(huán)境溫度變化而變化,溢流壩段與非溢流壩段最高溫度限值也有所不同。

      (3)上下層溫差控制范圍。為了防止壩體出現(xiàn)貫穿裂縫,下部混凝土澆筑超過 28d 的,在其上連續(xù)澆筑時,新老混凝土界面各自壩塊長度的 0.25倍的高度范圍內(nèi),其上下層溫差按 15℃~20℃控制。

      3、混凝土溫度控制措施

      根據(jù)工程施工條件,結(jié)合拱壩混凝土施工特點,當(dāng)?shù)貧夂驐l件氣候溫和。為確保大壩混凝土順利施工,預(yù)防大壩混凝土產(chǎn)生裂縫,確保水庫大壩安全。對夏季高溫季節(jié)對混凝土拱壩采取骨料遮擋、制冷機(jī)制冷水拌合、倉面采取噴霧冷卻等措施,對冬季低溫季節(jié)采取加防凍劑防凍措施,對大壩采取分層分段跳倉澆筑,分層厚度為2.0米,基礎(chǔ)部分分層厚度為1.0米,用以混凝土拱壩溫度控制。具體混凝土溫控措施如下。

      3.1 降低混凝土入倉溫度

      外界氣溫愈高,混凝土的澆筑溫度也愈高,混凝土溫度高將加速水泥的水化反應(yīng),混凝土達(dá)到最高溫度的時間縮短,因而減少了可利用的散熱時間,不利于降低混凝土的最高溫度和減小溫差。一般情況下,混凝土的澆筑溫度不宜大于28℃。

      混凝土原材料中的水泥一般難以采用降溫措施。拌合用水可采用制冷水,砂石用量占混凝土的權(quán)重最大,常采用凈料堆存高度不低于6m的措施,以使砂、石溫度趨近或略高于旬平均氣溫。由于預(yù)冷砂的技術(shù)較復(fù)雜,因此常用的最有效的措施是預(yù)冷粗骨料。一般情況下,石子溫度下降1℃,可使混凝土出機(jī)口溫度下降0.6℃左右。加冰拌合也為常用的有效措施,一般情況下,每立方米混凝土加10kg冰,可使出機(jī)口溫度下降1℃左右。根據(jù)三峽的經(jīng)驗,當(dāng)出機(jī)口溫度為10℃左右時,入倉溫度可控制在7℃以內(nèi),即混凝土從拌合樓到倉面的溫升值可控制在5℃。

      魚洞壩水庫工程通過骨料遮擋、制冷機(jī)制冷水拌合等方法,降低混凝土的出機(jī)口溫度,將拌和站布置在大壩右岸壩頂上游20米處,盡可能縮短運輸距離,從而降低混凝土入倉溫度。

      同時,夏季在環(huán)境氣溫較低的晚上、早晨澆筑混凝土,盡量避開高溫時段施工。

      3.2 倉面保溫

      澆筑混凝土?xí)r,如果只降低入倉溫度,由于外部熱量回灌,可能會影響最高溫度降低的效果。低溫入倉在澆筑早期氣溫高于混凝土溫度,因此熱量回灌,抵消了預(yù)冷骨料、加冷水等措施的效果。因此采取適當(dāng)?shù)膫}面保溫措施。

      夏季澆筑混凝土采用倉面噴霧的方法降低倉面環(huán)境溫度。通過直管式噴霧器等設(shè)備在混凝土澆筑后,將低溫水霧化噴灑在倉面,形成一個小的被低溫水霧籠罩的小環(huán)境,使倉面混凝土在澆筑過程中減少陽光直射強度,降低倉面環(huán)境溫度,對減少混凝土在澆筑振搗過程中溫度回升有較好效果。

      噴霧除可使倉面溫度降低從而達(dá)到降低混凝土溫度的目的外,還可以通過表面水分蒸發(fā)的方式,加大混凝土表面的散熱量。

      3.3 表面保護(hù)

      在適度控制溫度的條件下,混凝土拱壩仍可能發(fā)生一些裂縫,但絕大多數(shù)為表面性的。即使出現(xiàn)個別深層或基礎(chǔ)貫穿裂縫,也基本是由表面裂縫發(fā)展形成的。引起這些裂縫的原因主要是氣溫驟降,因此對壩體進(jìn)行抵抗氣溫驟降的保護(hù),是混凝土大壩溫控中不可缺少的一部分。

      拱壩暴露面大,應(yīng)根據(jù)設(shè)計表面保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。重視基礎(chǔ)約束區(qū)、倉面、上下游表面及其他重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)。尤其應(yīng)重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前,還必須加以維護(hù)以及保護(hù),以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應(yīng)加強保護(hù)。

      當(dāng)日平均氣溫在2~4d內(nèi)連續(xù)下降超過(含等于)6℃時,28d齡期內(nèi)混凝土表面必須進(jìn)行表面保溫保護(hù)。低溫季節(jié)如拆模后混凝土表面溫降可能超過6~9℃以及氣溫驟降期,應(yīng)推遲拆模時間,否則須在拆模后立即采取其他表面保護(hù)措施,當(dāng)氣溫降到冰點以下,齡期短于7d的混凝土應(yīng)覆蓋保溫材料作為臨時保溫層。

      3.4 表面保濕

      如果不能保持混凝土表面濕潤或防止水分蒸發(fā),那么最終會發(fā)生表面干操,產(chǎn)生干縮應(yīng)變,從而產(chǎn)生干縮應(yīng)力。防止混凝土開裂的一個重要原則是盡可能使新澆筑混凝土少失水分?;炷帘砻娓稍锘蛩终舭l(fā)過快時,可能產(chǎn)生干縮應(yīng)力,引起表面混凝土開裂且裂縫會向內(nèi)伸展。因此,盡量長時間地保持混凝土表面濕潤,讓其表面慢慢干燥,使混凝土能夠增長強度以抵抗拉應(yīng)力。主要有蓄水養(yǎng)護(hù)和覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)兩種方式,養(yǎng)護(hù)時間一般不少于4d。表面流水養(yǎng)護(hù)也是降低混凝土最高溫度的有效措施之一,采用表面流水養(yǎng)護(hù)可使混凝土早期最高溫度降低1.5℃左右。

      4、溫控措施實施效果

      魚洞壩水庫大壩于2011年1月2日開始填筑壩體,2011年4月30日達(dá)到度汛目標(biāo)1666.0m高程,2011年10月18日完成溢流面1700.0m以下壩體混凝土填筑,2012年5月30日大壩正式封頂。壩體填筑過程中,分別在不同高程布置溫度計用于監(jiān)測壩體溫度。具體位置、溫度計數(shù)量和監(jiān)測結(jié)果如表2。

      1)溫度監(jiān)測

      通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的溫度監(jiān)測資料表明:砼澆筑后在2~15天達(dá)到最高溫度,溫差值在9.5℃~18℃之間,然后開始緩慢下降。溫度表現(xiàn)為中部溫度高于底部和上部溫度,拱圈中心溫度高于上下游壩面溫度,內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求。

      2)位移觀測

      通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的位移監(jiān)測資料表明:水平位移觀測、垂直位移觀測、壩基滲流、滲壓、基巖變位計實測結(jié)果滿足規(guī)范要求,表明壩體是穩(wěn)定安全的。

      5、結(jié)論

      魚洞壩水庫大壩工程通過拌合系統(tǒng)混凝土澆筑前溫度控制,混凝土澆筑過程溫度控制,混凝土澆筑后溫度控制等措施,可以有效地防止混凝土內(nèi)外溫差過大而在溫度應(yīng)力的作用下發(fā)生裂縫。通過對大壩內(nèi)外部溫度進(jìn)行監(jiān)測,內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求,大壩至今沒有出現(xiàn)裂縫,順利通過大壩蓄水安全鑒定,通過完工驗收,蓄水一年多來,運行正常。該溫控措施對其他類似工程有一定的借鑒。

      參考文獻(xiàn):

      [1]李文偉,鄭 丹. 溪洛渡大壩混凝土特性及防裂措施[J]. 水利水電技術(shù),2010,41(2):48–51.

      [2]彭成佳,蘭春杰,楊家修,等. 普定拱壩溫度場反饋分析及開裂仿真[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2006,39(1):21–25.

      [3] 鄭守仁. 三峽大壩混凝土設(shè)計及溫控防裂技術(shù)突破[J]. 水利水電科技進(jìn)展,2009,29(5): 46–53.

      作者簡介: 李太軍(1972-),男(土家族),貴州省印江縣人,高級工程師,項目總監(jiān),工程碩士,從事水利水電工程施工監(jiān)理工作。

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