龙岩白沙水电站碾压混凝土坝温控防裂研究与应用.docx

龙岩白沙水电站碾压混凝土坝温控防裂研究与应用郑智芬( 福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001)摘要: 该文针对白沙水电站碾压混凝土重力坝坝体分缝间距、不同部位和时段的浇筑温度、高温间歇期和过水影响及次高温期浇筑安排等，以多方案组合分析的方法，采用有限元法数值仿 真计算坝体温度场及温度应力，用理论分析成果指导坝工温控防裂设计。从工程几年运行的情 况来看，实际效果良好，对类似工程有良好的借鉴和指导意义。关键词: 碾压混凝土坝;中图分类号: TV642. 2温控措施; 仿真计算文献标识码: B文章编号: 1002 3011( 2012) 02 0017 05筑进度安排如下: 碾压混凝土计划于 2005 年 3 月10 日开碾，一枯碾压混凝土需延至 7 月上旬次高温 时段。由于碾压混凝土需在次高温时段施工，坝体 温控防裂研究显得尤为重要，这是防止坝体裂缝造 成渗漏等安全问题的关键技术，可为坝工结构设计 和施工方案选择提供依据。前言白沙水电站位于福建省龙岩市白沙镇上游 2 km处，为万安溪干流梯级开发的第二级，工程规模为 大 ( 2) 型。碾压混凝土重力坝按 2 级建筑物设计， 最大坝高 74. 90 m，坝顶高程 268. 90 m，右岸坝段 长 77. 50 m，左 岸 坝 段 长 54. 30 m，溢 流 坝 段 长40. 00 m。碾压混凝土方量 19. 5 万 m3 ，占大坝混凝 土总方量 ( 22. 7 万 m3 ) 的 85. 9% 。大坝原浇筑进度安排如下: 坝体基础填塘混凝 土于 2004 年 10 月底开浇，12 月中旬碾压混凝土开 碾，2005 年 5 月上旬坝体达到高程 214. 4 m ( 一枯 度汛目标高程) ，6 8 月高温次高温时段停碾，长 间歇度汛，9 月底开碾。受各种因素影响，实际浇坝体温控防裂基本条件坝址气象、水气温资料工程地处亚热带海洋性季风气候区，温和湿润，11. 1四季分明。多年平均气温 19. 7 ，实测极端最高气温 39. 1 ，极端最低气温 5. 6 。多年平均降雨 量 1 777 mm，汛期 4 9 月占全年雨量的 73% 。坝 址气温及水温见表 1。表 1坝址气温水温统计月份一二三四五六七八九十十一十二平均水温 / 气温 / 13. 410. 714. 512. 117. 315. 421. 019. 823. 923. 125. 925. 527. 427. 327. 026. 825. 525. 122. 521. 518. 416. 614. 612. 220. 619. 7混凝土材料性质及分区坝体上游采用二级配富胶凝碾压混凝土作为防 渗体，厚 4 2 m。中部及下游采用三级配碾压混凝 土。坝基垫层采用常态混凝土，最小厚度为 1 m。 溢流面采用常态混凝土，厚 5 2 m。混凝土材料参 数见表 2。续升程为 3 m。坝体碾压混凝土浇筑调整后进度详见图 1。1. 2研究方法和主要成果2通过数值仿真模拟大坝混凝土分层浇筑过程、施工期度汛过程、环境气候变化、人工降温措施以 及混凝土材料热学和力学性质随时间变化等因素， 本文以溢流段为代表计算分析大坝温度场以及温度 应力场。17大坝浇筑进度计划碾压层采用每层 30 cm 通仓薄层连续铺碾，连1. 3收稿日期: 2012 05 162012 年第 2 期水 利 科 技表 2 混凝土热力学性能及力学参数碾压混凝土常态混凝土上游防渗体C7. 5 ( 180d W6、F50)坝体中部及下游C7. 5 ( 180d W2、F50)坝基垫层C15 ( 90d W6、F50)溢流面C20 ( 28d W6、F50)项目线膨胀系数 / ( 10 6 / )导热系数 / ( J / mh ) 导温系数 / ( 10 3 m2 / h) 比热 / ( J / kg ) 表面放热系数 弹模 / ( 104 MPa)泊松比 绝热温升 / 极限拉伸值 / ( 10 4 )90d 自生体积变形/ ( 10 6 )9. 66 4603. 039883. 442E( t) = 28200( 1 e 0. 335t0. 45)0. 17T( t) = 19. 0( 1 e 0. 2t0. 95)0. 83 20. 19. 47 6683. 039958. 842E( t) = 26300( 1 e 0. 335t0. 45)0. 15T( t) = 14. 2( 1 e 0. 205t0. 95)0. 78 15. 08. 57 6683. 190883. 442E( t) = 29900( 1 e 0. 1t)0. 17T( t) = 21. 2( 1 e 0. 69t0. 56)0. 85 20. 18. 26 4603. 190883. 442E( t) = 30800( 1 e 0. 15t)0. 17T( t) = 26. 0( 1 e 0. 69t0. 56)0. 88 21. 5图 1坝体碾压混凝土浇筑进度安排利用变分原理，对上式采用空间域离散，时间计算工况及计算方案2. 1域差分，引入初始条件和边界条件后，非稳定温度场的方程如下:根据温控防裂研究内容，将计算工况组合为 4个仿真计算方案，详见表 3。计算原理2. 2( 2 H+ 1 C) T13 2. 2. 1 非稳定温度场有限元计算计算域内任何一点不稳定温度场 Tt) 须满足热传导方程:1 P + 2 P ) ( 1 H 1 C) T( x，y，z，= (010333 T 0 = T( 0 ) 222T = ( T T Tx2 + y2 + z2 )+ T= T( + ) 10式中: T 为温度， ; 为混凝土绝热温升， ; a 为导温系数，m2 / h; 为龄期，d。 P 0 = P( 0 ) P 1 = P( 0 + ) 1C= NTNdve R18水 利 科 技 2012 年第 2 期表 3 温控防裂仿真计算方案计算方案坝段长度 / m至! 214. 4m长间歇过水冷却水管埋设浇筑温度在约束区次高温连续施工部位埋冷却 水 管。 水 管 排 间 距 3 m 2 m，连续通水 15 天，水温 18 约束区 ( ! 219. 5 m 以下) :3 月 13 ，4 月 17方案一实际计划 7 月 ，5 7 月 22 。其它部位: 9 10 月 20 ，11 月 19 ，12 2 月 13 1540强约束区 ( ! 206. 0 m 以下)13 ; 弱约束区 ( ! 206. 0 219. 5 m) 15 。其它部位: 9 11 月 19 20 ，12 3 月 13 15 ，4 5月 17 20 同方案一方案二原计划 5 月不埋冷却水管40方案三实际计划 7 月不埋冷却水管20在约束区次高温连续施工部位埋冷却水管。水管排间距 1. 5 m 1. 5 m， 连续通水 25 天，水温 15 方案四实际计划 7 月同方案一20上下游方向各取 60 m。温度场计算中，地基各面及坝体横缝面为绝热边界，坝体上下游面水位以下为 固水边界，水位以上为固气边界，分别按第一、 第三类边界条件处理。应力场计算中，地基左右面 及上下游面为简支支座，地基底面为固定支座。 H= BtBtdv + NNdsTT seR2. 2. 2 温度应力有限元计算( 1) 温度应力。弹性体内各点的变温 ( T)产生自由变形 ( T) ，其应变分量可以表示为 x = y= z = T ( 为热膨胀系数) ，xy = yz = zx = 0，温度场及温度应力成果分析根据上述计算原理，对 4 个组合方案进行温度 场及温度应力仿真计算，成果如下:( 1) 施工期，坝体上游面高标号混凝土绝热温 升高，相应该区域温度高; 主体碾压混凝土绝热温 升较小，相应该区域温度相对较低。( 2) 根据典型点温度历时曲线图所示，坝体表 层几米范围温度受外界温度影响比较明显，坝体内 部温度受外界温度影响很小，仅与混凝土浇筑温度、 浇筑时的外界温度和龄期有关，混凝土浇筑一段时 间后达到最高值后开始缓慢下降。施工中，坝体高 温区发生在混凝土浇筑温度和气温较高的夏季。从 应力计算结果看，坝体没有产生特别大的拉应力， 但仍需采取一定的温控措施，及时导热以降低混凝 土最高温度，减小内外温差。( 3) 坝体浇筑到 214. 4 m 高程后长间歇度汛。 随着汛期过水散热，坝面温度为当月平均水温。9 月开始浇筑新混凝土时，上下层混凝土的层间温差 较大，产生的拉应力也较大，但上层混凝土中出现 的最大拉应力小于 1. 50 MPa，施工长间歇由上下层 温差引起裂缝的温控问题不是特别突出，碾压混凝 土长间歇度汛是可行的。考虑 7 月浇筑施工混凝土 温升较 5 月大，汛期过水洪水直击坝面产生较大应192. 4即 0 = T 1，1，1，0，0，0T ，变温等效结点荷载为 PT e = BT D 0 dxdydz (D、RB 分 别 为 弹 性、 几 何 矩 阵， 下 同 ) ， 位 移 为Ke e = PT e ( Ke 为单元刚度矩阵) ，温度应力为 DB e D 0 。=( 2) 温度徐变应力。混凝土结构属于非均质，复杂应力状态下的应变增量包括温度应变增量、弹 性应变增量、徐变应变增量及其他初应变增量。以 上应变增量产生位移增量 e 与单元的应力增量 e ， e = DB e D e 。0将应力增量与前一时刻的应力值叠加，得到这一时刻的应力值。计算模型计算模型如图 2 所示，在地基深度方向、坝体2. 3图 2 计算模型2012 年第 2 期水 利 科 技力，仍然需要采取温控措施以降低坝体混凝土最高温度。( 4) 夏季 7 月浇筑混凝土到高程 214. 4 m，混 凝土最高温度为 38. 12 。当浇筑温度大于计算设 定值 22 时，若不采取冷却措施，混凝土最高温度混凝土入仓覆盖速度，缩短混凝土暴晒时间。尽量避免在午间高温时段浇筑混凝土，应利用早、晚和 夜间气温较低的时段进行浇筑。( 3) 冷却水管应用。根据仿真计算，在次高温 季节浇筑施工中，若混凝土浇筑温度大于 22 ，需 采取冷却措施。采用混凝土拌和制冷系统投资较大， 冷却水管既经济又使用灵活，并能明显降低混凝土 的最高温度和削减温度梯度，使混凝土最高温度降 到设计温控值内。2005 年 7 月 4 15 日浇筑高程211. 40 214. 40 m 仓块，最高气温达 36 。采用 常规温控措施，混凝土浇筑温度仍达 27. 1 。于是 根据计算结果和浇筑坝块情况，在坝体混凝土全断 面埋设冷却水管。冷却水管采用导热高密度聚乙烯 塑料管 ( HDPE) ，外径 32 mm，内径 28 mm，单根 长度不超过 260 m。共布置两层冷却水管，第一层 布置在高程 212. 00 m，第二层布置在高程 213. 80 m，水平间距 1. 5 m。上一层混凝土浇筑一天后，开 始抽取河水对冷却水管通水，通水量 0. 6 m3 / h。连 续通水 28 天为一个冷却时段，每天改变一次水流方 向，使坝体均匀冷却且混凝土日降温幅度不大于 1 。从现场水温记录看，冷却水管进出口平均温差3 5 ，最大温差达 10 ，效果较显著。采取这 一措施，使结合实际情况调整的施工进度计划 ( 7 月次高温季节连续浇筑达到一枯度汛目标 高程214. 40 m) 得以实现，碾压混凝土施工无需延至汛 后开始，解决了开碾时间滞后几个月的问题。将超过 40 ，大于设计温控要求( 38 ) 。坝体混凝土内埋设冷却水管进行冷却，有明显降温效果，能使混凝土最高温度降到设计温控值内。通水 冷却水温越低，管距越小，通水时间越长，降温效 果越好。但要注意水管附近混凝土的受力状况，以 防水管附近混凝土早期开裂。工程温控防裂设计通过对上述仿真计算成果分析比较，方案四几 种计算工况的组合对温控防裂效果较好，在工程中 用以指导施工计划制定和优化大坝温控设计。( 1) 拉通诱导缝，采用短坝块分缝。在可研及 招标设计阶段，考虑坝基两岸陡峻，较长的坝段有 利于侧向抗滑稳定，大坝共设 3 条伸缩缝，形成 4 个坝段，各个坝段在中部上游面设置一道深 3 m 的 诱导短缝。施工图设计阶段，根据上述温控仿真计 算，短坝块分缝对坝体温控有利，且上游面高标号 混凝土绝热温升高，随外界环境温度变化比较明显， 温度变化梯度较大，产生温度应力较大，易产生裂 缝，为防止诱导短缝发展成不规则的贯穿性长缝， 在目前横缝造缝技术成熟且投资不多的情况下，把 诱导短缝拉通为贯穿的伸缩缝，采用下部并缝措施 解决坝段的侧向抗滑稳定。按此修改后的大坝共分7 条伸缩缝，形成 8 个坝段，各坝段长度在 18 29 m 之间。( 2) 混凝土浇筑温度控制。依据仿真计算，坝 体温度与混凝土浇筑温度有关。浇筑温度越低，相 应坝体最高温度也越低，但温控投资相应增加。根 据计算成果，结合现场施工条件，施工中按方案四 设定的不同部位不同时段浇筑温度值加以控制 ( 主 要在外界气温较高的 5 10 月) 。首先尽量降低骨 料的温度。成品骨料尽量堆高，出料皮带及骨料罐 设遮阳防雨棚。高温季节拌和混凝土时采取冷风预 冷骨料、加山间泉水拌和混凝土等降温措施。其次 控制混凝土温度回升。高温时段对混凝土运输车喷 雾降温、加盖彩布条，控制混凝土运输时间。仓面 喷雾以降低仓面温度并防止混凝土表面失水。加快3实际效果分析大坝安全监测设计在两个观测断面分别按矩形 网格状布置坝内温度计共 35 只，埋设至今均处于正 常观测中。总体来看，碾压混凝土大坝温度呈一定 规律性，实际观测值与计算结果较为吻合，计算值 较实测值小 2 3 ，主要是仿真计算时所采用浇筑 温度较现场实际低。如: 典型点 T6 为一枯次高温时 段埋设温度计，温度过程线见图 3。从图 3 看，埋 设冷却水 管 处坝体内部最高温度从 39. 9 降 至30. 7 ，降温过程明显，随后回升至 35. 1 。随 着时间的推移，温度趋于平稳且降温过程缓慢。可 见在次高温季节浇筑施工中埋设冷却水管通水冷却 可明显降低混凝土的最高温度和削减温度梯度。根 据数值仿真计算指导大坝温控设计尤其是次高温浇 筑碾压混凝土所采用的措施符合仿真计算所预期的420水 利 科 技 2012 年第 2 期温控防裂效果。工程于 2006 年 11 月 3 日下闸蓄水，2010 年 11 月 2 日通过枢纽工程竣工验收。几年以 来，大坝经历了特枯年份的低水位运行、2010 年汛 期泄洪以及冬夏气温变化，在各阶段大坝安鉴检查 中，上游表面均未发现裂缝，大坝安全监测成果符 合设计要求。总体而言，大坝温控防裂设计实际效 果较好。龙岩白沙水电站采用有限单元法进行全过程仿真计算，精确模拟碾压混凝土施工的整个过程。实 测温度与计算温度对比分析表明，仿真计算吻合性 很好，计算成果有效地指导了设计和现场施工。优 化温控措施，在次高温时段应用冷却水管技术进行 碾压混凝土浇筑施工，加快了控制工期的大坝施工 进度。工程于 2004 年 7 月正式动工至第一台机组投 产发电仅用了 2 年 5 个月，比计划工期 3 年提前 7 个月，提前发电效益显著。工程几年来运行状况良 好。这也为次高温和高温时段即全年施工碾压混凝 土提供了实践经验，对我省即将建设的类似工程具 有一定的借鉴和指导意义。作者简 介: 郑 智 芬 ( 1965 ) ，女，福 建 莆 田 人，高级工程师，从事水工结构设计工作。图 3 坝体温度计 T6 温度过程线结语5檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵( 上接第 14 页)( 3) 经常性检修排水涵洞，对上游集雨面积较 大的涵洞进行扩建或涵洞改排水渡槽，减少洪水入 渠。5k + 100 支流汇入渠道处建议修建一排水渡槽 分洪，或修排水涵洞分洪，或扩建 5k + 092 石顶排 洪闸; 15k + 720 枫坑溪支流汇入渠道处建议充分利 用枫坑水库消峰错洪的同时，修建一排水渡槽分洪， 或修一穿渠排水涵洞分洪，或扩建 15k + 720 下林排 洪闸。( 4) 对渠道沿线集雨面积内的山坡进行绿化和 水土保持治理