沙坝碾压混凝土拱坝温控设计

刘其文

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

沙坝水电站是乌江支流洪渡河水电梯级开发的第5级，工程区位于中亚热带湿润季风气候区，多年平均气温15.5℃。沙坝水库正常蓄水位615.00m，总库容9940万m3，电站装机30MW，多年平均发电量1.293亿kW·h。挡水建筑物为单心圆碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程620.00m，坝顶宽度6.00m，坝底厚度19.715m，最大坝高84.50m，坝轴线长度148.55m。溢流表孔宽45.00m，分5孔，堰顶高程603.00m。底孔高程570.00m，孔口尺寸3.0m×4.0m。

大坝主体采用三级配C9015碾压混凝土;防渗层采用二级配C9020碾压混凝土，564.00m高程以下厚度3.00m，564.00～589.00m高程厚度2.50m，589.00m高程以上厚度2.00m;上、下游坝面变态混凝土厚度50.00cm;垫层为厚度1.50m的三级配C9020常态混凝土。

2 温控设计

2.1 优化混凝土配合比，减少水化热

混凝土热量主要源于水泥水化产生的热量，因此选用发热量较低的水泥，在混凝土中掺加合适品质和数量的掺和料、外加剂，合理控制水泥用量即成为混凝土坝温控设计的首要措施。

(1)该工程选用遵义新蒲瑞安水泥厂P·O32.5水泥，3d水化热209.0J/g，7d水化热245.5J/g。

(2)粉煤灰是混凝土的主要掺和材料之一，掺入粉煤灰具有减水增强作用，减少水泥用量，降低混凝土绝热温升，延长混凝土凝结时间等优点。该工程选用遵义电厂Ⅱ级粉煤灰。

(3)减水剂能降低混凝土拌和水用量，改善其内部微观结构，提高强度、抗渗、抗冻性能，以及降低水泥用量、减少水化热。大坝混凝土掺用缓凝高效减水剂，要求减水率大于20%，初凝时间大于10h。

(4)在混凝土中掺入膨胀剂，可利用其微膨胀特性，补偿混凝土由于温度下降而产生的收缩，从而减小坝体拉应力。该工程在基础垫层混凝土内掺加MgO作为膨胀剂，掺量为胶材用量的3%。

通过配合比优化，大坝主体C15碾压混凝土水泥用量为51kg/m3，粉煤灰掺量65%，经测试28d绝热温升为16.25℃;防渗层C20碾压混凝土水泥用量为89kg/m3，粉煤灰掺量 55%［1］。

2.2 坝体合理分缝，释放温度应力

拱坝为3面嵌固的壳体结构，其厚度方向的尺寸远比其它2个方向要小得多［2］。根据碾压混凝土施工的特点，若坝体不分缝，则施工完毕后就自然封拱形成整体，当温度应力和混凝土干缩叠加并达到一定程度后，将导致坝体产生横向裂缝。如果坝体分缝过密，会增加施工难度，对碾压混凝土快速施工极其不利;分缝过疏，则坝段过长，对释放坝体降温过程中产生的拉应力不利，容易产生裂缝［2］。因此，合理对坝体进行分缝设计，对防止坝体混凝土开裂意义重大，也是混凝土坝温度控制的一项重要措施。

为寻求合适的分缝方案，该工程专门进行了有限元仿真计算专题研究，研究成果［3］反映:

(1)坝体不分缝时上游面最大拉应力为2.87MPa，下游面最大拉应力为2.43MPa，均超过混凝土的允许拉应力(上游面1.87MPa，下游面1.41MPa)。

(2)坝体左侧分1条缝后，近缝区域应力有所改善，远离分缝区域无明显改善，坝体上游面最大拉应力为2.77MPa，下游面最大拉应力为2.26MPa，仍超过允许拉应力。

(3)坝体左、右岸各分1条缝后，拉应力显著降低，上游面最大拉应力为1.73MPa，下游面最大拉应力为1.95MPa，除下游面局部区域拉应力仍超出允许拉应力外，其余均满足要求。

该工程坝轴线长度仅148.55m，其中河床段 (表孔和底孔布置范围)长度71.72m，左岸长度44.35m，右岸长度32.48m。若继续增加分缝，将不利于碾压混凝土施工，且分2条缝方案，坝体也仅有局部区域拉应力超标，故最终采用2条缝方案，将坝体分为3个坝段，坝段长度从右至左分别为23.816，87.053，37.684m，1#缝垂直高度71.00m，2#缝垂直高度75.00m，2条缝均采用诱导缝。

坝体分2条缝后，下游面局部区域拉应力超标拟通过其它温控措施进一步解决。

2.3 合理安排施工进度和选择浇筑时段

为了尽可能的降低混凝土浇筑温度，以降低混凝土的最高温升，混凝土浇筑尽可能避开夏季高温季节。大坝535.50～549.00m高程混凝土施工时段为2005年03—04月，549.00～620.00m高程混凝土施工时段为2005年09月下旬至2006年03月上旬。

2.4 堆渣及充水保温

因坝基开挖工期拖延，为加快施工进度，使坝体混凝土能在汛期之前浇筑出河床及减小通水冷却范围，通过有限元计算分析，在坝体应力满足控制标准前提下，537.00～540.00m高程碾压混凝土仅采取简化的温控措施如下:

(1)坝体混凝土初凝～固结灌浆施工前，在上、下游围堰之间充水，要求坝体顶面水深不小于20cm;

(2)固结灌浆施工期间对上、下游坝面与围堰之间进行充水，坝顶进行流水养护。

另外，对549.00m高程以下混凝土，在浇筑完毕后立即对坝体上、下游面进行泡水直至间歇期结束，然后利用开挖弃渣对上、下游坝面进行堆渣保温，要求堆渣顶部宽度不小于2.00m。

2.5 预埋冷却水管，通水降温

对540.00～603.00m高程混凝土通天然河水冷却。冷却水管采用高密聚乙烯管，管外径32mm，壁厚2mm，水管间距1.50m。2005年10月30日前浇筑的混凝土在施工完毕后立即进行一期通水冷却，通水时间20d，每12h变换1次水流方向。11月10日开始对坝体603.00m高程以下混凝土进行二期通水冷却，每天变换1次水流方向，使坝体温度降至封拱温度15℃。通水冷却时管内流量不小于20L/min;通水过程中应每天观测坝体温度，坝体降温每天不得超过1℃。

2.6 仓面喷雾降温及覆盖隔热

当气温高于25℃时，尤其是中午日照较强时，采用高压水枪对仓面进行喷雾降温，以保证仓面温度不高于25℃。对已碾压完毕的仓面立即用彩条布进行覆盖隔热，以防温度倒灌。

采取上述温控措施后，坝体温度得到有效控制，坝体应力全部满足控制要求。

3 结语

(1)混凝土配合比优化设计和坝体合理分缝在中小型碾压混凝土拱坝温控设计中效果显著，可作为主要温控措施。

(2)通过合理安排施工进度和选择浇筑时段、堆渣及充水保温、仓面喷雾降温及隔热等措施后，可减少坝体通水冷却范围，加快施工进度和节约温控费用。

［1］符祥平，徐琼，陈霓，等.贵州省务川沙坝水电站混凝土试验报告［R］.贵阳:贵州黔水科研试验测试检测工程有限公司，2004.

［2］刘其文，陈大松，罗健.鱼简河碾压混凝土拱坝温控设计［J］.水利规划与设计，2009(5):83-84.

［3］张国新，刘玉，杨波，等.洪渡河务川沙坝电站大坝有限元温控仿真计算研究 ［R］.北京:中国水利水电科学研究院.2005.