金沙江向家坝水电站大坝结构分缝及温控研究
金沙江向家坝水电站大坝结构分缝及温控研究(靳鹏)

靳鹏  王毅
(中国长江三峡开发总公司向家坝工程建设部  云南省水富县邮政局1#信箱转向家坝工程建设部  657800  )


摘要:金沙江向家坝水电站大坝采用混凝土重力坝,坝顶高程384m,最大坝高162m。大坝结构尺寸大,工程所在地区气温骤降频繁,夏季气温高,历时时间长,大坝原设计采用通仓浇筑,混凝土温控防裂难度大、对混凝土结构安全、防渗等带来不利影响,且裂缝的处理直接影响工程施工进度,增加工程投资。通过对大坝分缝方案的研究,推荐大坝采用分2条纵缝方案,并提出了大坝各部位混凝土个性化温控措施。对优化结构,防止裂缝发生,保证工程质量,节约工程投资,提供了良好的技术支持。
关键词:混凝土坝  温度控制  结构分缝 向家坝水电站

前言
   
    向家坝水电站位于金沙江下游河段,总装机容量6000MW,是以发电为主,兼顾防洪、航运、灌溉的大型水电站。向家坝水电站枢纽工程由拦河大坝、泄洪排沙建筑物、左岸坝后厂房、右岸地下厂房、左岸垂直升船机和两岸灌溉取水口等组成。拦河大坝采用混凝土重力坝,最大坝高162m,最大底宽166m,混凝土总量达1120万m3。工程分两期施工。一期在一期土石围堰维护下进行左岸非溢流坝段、冲沙孔坝段和导流建筑物施工,形成6个10m×14m(宽×高)的导流底孔及宽115m的缺口,通过右岸束窄河床泄流和通航。截流后,转入二期施工,在二期基坑中进行右岸非溢流坝、泄水坝段、消力池、左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工,江水通过左侧导流底孔和坝体缺口泄流。向家坝水电站2006年主体工程正式开工,2008年截流,2012年第一批机组发电,2015年全部竣工。
    向家坝工程工期紧,混凝土浇筑量大,大坝纵向分缝方案直接影响大坝温控防裂和施工进度,本文选取了典型坝段(泄洪坝段)采用有限元法仿真计算大坝施工过程中温度场及温度应力,综合分析了大坝设1条纵缝和2条纵缝方案对混凝土最高温度控制和温度应力等温控难易程度等方面的影响,从而为大坝分缝提出了合理化建议。

1.自然条件与施工特点

1.1自然条件
   
    金沙江流域属副热带季风气候,坝址附近多年年平均气温为18.4℃,多年最高月平均气温27℃(1998年),多年最低月平均气温8.4℃。6~8月份月平均气温均高于25℃,高温季节长达5个月。坝址多年平均降雨量为896.2mm。向家坝水文、气象资料见表1:


 

1.2 混凝土及基岩力学性能


1.3施工特点

    泄洪坝段按照2010年1月开始浇筑,2011年浇筑至高程305m。坝体基础强约束区按照1.5m层厚浇筑,基础弱约束区按照2m层厚浇筑,脱离约束区按照3m层厚浇筑。层间间歇10~13天。

2.分缝方案及计算原理


2.1 设1条纵缝方案


    拟定纵缝位置在桩号0+036m,纵缝在高程320m处设置并缝廊道并缝,各仓最大顺流向长度分别为70m和96m,纵缝分缝见图1。

图1  泄洪坝段设1条纵缝方案分缝位置图

2.2 设2条纵缝方案

    选定Ⅰ、Ⅱ纵缝位置分别在桩号0+015m和0+070m,纵缝Ⅰ在高程280m处设置并缝廊道并缝,各仓最大顺流向长度分别为49m、55m和62m,纵缝分缝见图2。

图2 泄洪坝段设2条纵缝方案分缝位置图


    注: 基础强约束区指距基础0~0.2L 的范围,基础弱约束区指距基础0.2L~0.4L 的范围,其中L表示大坝建基面的顺河向宽度。

2.3 计算原理

2.3.1 混凝土温度计算理论

    在混凝土计算域R内任何一点处,不稳定温度场T必须满足固体热传导基本方程:

2.3.2  徐变应力场的基本理论

    混凝土在复杂应力状态下的应变增量通常包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量,因此有



3.坝体施工期内部最高温度结果分析

    对泄洪坝段按照1条纵缝和2条纵缝方案进行温度场仿真计算。设2条纵缝方案基础强约束区高度不超过12.4m,考虑固结灌浆施工时间,需4~5个月即可脱离基础强约束区,而且第1仓混凝土浇筑可完全避开高温季节,混凝土最高温度均能满足设计允许最高温度要求。设1条纵缝方案基础强约束区高度达到14~20m,第1、2仓混凝土浇筑均难以避开高温季节;部分仓位高温季节浇筑的混凝土最高温度超出了设计允许要求;且脱离强约束区时间较设2条纵缝方案晚1个月左右。因此,从混凝土温控难度上考虑,设2条纵缝方案温控难度明显降低,有利于混凝土质量控制。两个分缝方案坝体各仓混凝土最高温度见表5、表6。


4. 坝体温度应力结果分析

设1条纵缝和2条纵缝方案最大顺河向温度应力均发生在基础约束区内,设1条纵缝时第1、2仓基础约束区最大顺河向温度应力均为1.26MPa。设2条纵缝时,各仓最大温度应力分别为0.88 MPa、1.04 MPa、1.02MPa,均未超出混凝土抗拉强度,设2条纵缝方案温度应力比设1条纵缝方案降低17.5%~30%,因此从坝体温度应力和大坝防裂角度来看,设2条纵缝对坝体结构有利。


5.温控措施

    结合众多工程的成功经验,在向家坝水电站一期工程施工过程采取了以下温控综合措施,取得了良好效果,至今未发现危害性温度裂缝。

5.1 降低出机口温度

    混凝土生产中采取骨料预冷,要求拌和系统骨料罐尽量装满罐,以保证预冷效果;明确了骨料预冷一次风冷、二次风冷砸石的质量控制指标;建立了风冷料仓料位不足预警、砸石测温等制度;加冰或加冷水拌和混凝土。

5.2 降低浇筑温度


    禁止采用尾气设于车厢的汽车运输混凝土,运输途中必须设置遮阳棚,避免阳光暴晒,减小运输过程混凝土温度回升。开仓时间避开高温时段,仓面必须采取喷雾措施。加盖保温被,防止温度倒灌。

5.3 通水冷却

    混凝土仓面第一层冷却水管采用1英寸的黑铁管。水管按1.5m(分层埋设厚度)×1.5m(水管间距)布置,超过3m升层的仓位,中间层加铺Ф25mmPVC冷却水管;在混凝土开始浇筑时即通入8℃的制冷水;供水主干管采用了厚度不小于6cm橡塑保温,减少沿途温度损失;单根循环水管长度不大于200m,管中水流方向每24小时调换1次,每天降温不超过1℃;根据实际情况采取个性化通水措施。

5.4 混凝土表面保护和养护

    加强夏季流水养护和冬季外露面保温工作,防止混凝土裂缝发生。

5.5 管理措施

    建立温控周例会制度。项目甲方组织监理、设计、施工单位定期召开周例会分析总结。健全温控体系,成立了温控工作组,形成从混凝土生产、运输、浇筑、养护、通水冷却至混凝土内部温度监测一条龙的温控体系。

6.结论


    通过分析混凝土最高温度和内部温度应力,向家坝水电站大坝设2条纵缝方案比设1条纵缝方案可减小大坝混凝土温控防裂风险,有利于大坝混凝土质量控制。同时必须采取综合性温控措施以及强有力的温控监督管理,才能做好温控工作,有效防止裂缝产生。

参考文献:


[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1998.
[2]金沙江向家坝水电站二期工程大坝纵向分缝专题研究报告[M].长江水利委员会长江勘测规划设计研究院
[3]戴会超,张超然.三峡工程混凝土施工及温控科研成果[J].水利水电科技进展.2003(2)
[4]唐欣薇,李鹏辉,张楚汉.碾压混凝土温度场与应力场全过程仿真分析[J].长江科学院院报.2007(6)
[5] 朱伯芳.混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望[J].水利学报,2006(12)





 


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