熊 杰，徐 江，楊衛(wèi)中

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550002）

黃花寨氧化鎂混凝土拱壩設(shè)計(jì)

熊 杰，徐 江，楊衛(wèi)中

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550002）

黃花寨水電站混凝土拱壩是我國(guó)第一座壩高超過(guò)100m的外摻碾壓氧化鎂混凝土拱壩。該拱壩的設(shè)計(jì)從筑壩材料研究、體型優(yōu)化、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析等方面進(jìn)行較全面的研究計(jì)算工作。在大壩混凝土澆筑過(guò)程中，由于混凝土級(jí)配、膠材用量、施工進(jìn)度的變化，通過(guò)仿真分析對(duì)壩體分縫和溫控增設(shè)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)施工期及初期蓄水運(yùn)行埋設(shè)儀器的監(jiān)測(cè)資料，反映拱壩工作狀態(tài)正常，基本達(dá)到氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計(jì)要求。

黃花寨水電站；拱壩設(shè)計(jì)；碾壓氧化鎂混凝土；仿真分析；溫控

1 概述

黃花寨水電站位于貴州省長(zhǎng)順縣境內(nèi)，是蒙江流域格凸河干流上第三級(jí)電站，裝機(jī)2×30MW。水庫(kù)正常蓄水位795.5m，總庫(kù)容1.748億m3，工程等別為Ⅱ等大（2）型。壩址區(qū)多年平均氣溫15.1℃，極端最高氣溫34.1℃，極端最低氣溫-8.5℃。壩址處河床高程703m，寬45m，兩岸850m高程以上地形較陡，以下漸緩，呈基本對(duì)稱的“U”形橫向河谷，寬高比2.2，大部分地段基巖裸露，出露地層為石炭系下統(tǒng)擺佐組和中統(tǒng)黃龍群，巖層產(chǎn)狀平緩，傾角約15°。

攔河壩最大壩高108m，為碾壓混凝土雙曲拱壩。為簡(jiǎn)化壩體混凝土的溫控措施，在初步設(shè)計(jì)階段提出全壩外摻氧化鎂的意見，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此展開了設(shè)計(jì)研究工作，并委托某單位進(jìn)行壩體溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析計(jì)算。大壩于2007年2月初澆筑墊層混凝土，4月初開始?jí)误w碾壓混凝土施工，由于某些原因的干擾，施工斷斷續(xù)續(xù)，2009年4月碾壓到759.8m高程，工程停工。至2010年1月復(fù)工，9月底開始下閘蓄水，2011年初澆筑至壩頂高程。

2 樞紐布置及拱壩設(shè)計(jì)

2.1 樞紐布置

樞紐建筑物的布置盡量使壩體結(jié)構(gòu)單一，以減小對(duì)大壩施工的干擾，有利于壩體的快速施工。樞紐布置采取廠壩分開、短隧洞引水的布置方案。溢流表孔布置在河床壩段，凈寬3m×10m，水力學(xué)霧化實(shí)驗(yàn)成果表明，表孔泄洪時(shí)，霧化雨強(qiáng)小于10m m/h，不影響發(fā)電廠區(qū)建筑物及設(shè)備的安全。樞紐布置見圖1。

圖1 樞紐平面布置圖

2.2 拱壩設(shè)計(jì)

拱壩分析計(jì)算采用A D A SO多拱梁程序，以拱壩體積為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，幾何約束及應(yīng)力約束為約束函數(shù)，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算的拱端力系成果，進(jìn)行壩肩抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算，綜合比較后確定了橢圓線型拱壩。

在壩體應(yīng)力要求均勻合理的前提下，為了使拱端形成較大的推力角，橢圓曲線長(zhǎng)軸順河向布置，拱圈曲率半徑由拱冠向兩岸逐漸減小，使曲線逐漸扁平。拱圈中心角遵循頂部及底部取小值，中下部取大值，適應(yīng)壩體中下部較大的應(yīng)力，而中上部曲線扁平化有利于壩肩穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于兩壩肩基巖變形模量在不同部位相差較大，為適應(yīng)其變化情況，水平拱圈由拱冠向兩岸沿弧長(zhǎng)逐漸加厚，使拱圈應(yīng)力趨于均勻。最終用于施工的拱壩主要體型參數(shù)特征值見表1。

優(yōu)化后壩體混凝土減少17.7%，約6.3萬(wàn)m3，石方開挖減少17.9%，約5.2萬(wàn)m3。

3 氧化鎂混凝土應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 材料優(yōu)選

氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計(jì)，首先需要優(yōu)選壩體混凝土的拌和料，諸如水泥、摻合料、骨料、外加劑。在選定拌和料后進(jìn)行氧化鎂混凝土的自生體積變形試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的變形曲線，對(duì)拱壩溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

水泥選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其物理性能及水化熱等基本技術(shù)參數(shù)如表2。

混凝土摻合料選用粉煤灰，經(jīng)檢測(cè)，其品質(zhì)滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（D L/T 5055-1996）中國(guó)家Ⅱ級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)。人工骨料采用壩址附近厚層石灰?guī)r扎制，砂的細(xì)度要求為中砂，石粉含量按16%～20%控制。

氧化鎂采用輕燒氧化鎂，要求大于90%。其主要指標(biāo)等檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 拱壩體型參數(shù)特征值

表2 水泥物理、力學(xué)性能及水化熱檢測(cè)表

表3 氧化鎂性能檢測(cè)表

3.2 混凝土試驗(yàn)

3.2.1 氧化鎂壓蒸試驗(yàn)

為了了解不同氧化鎂摻量對(duì)水泥、混凝土的影響，分別進(jìn)行凈漿、砂漿、一級(jí)配混凝土壓蒸試驗(yàn)。壓蒸試驗(yàn)結(jié)果見表4～表6。

表4 凈漿壓蒸試驗(yàn)表

表5 砂漿壓蒸試驗(yàn)表

表6 一級(jí)配混凝土壓蒸試驗(yàn)表

試驗(yàn)結(jié)果表明，粉煤灰摻量為60%時(shí)，凈漿、砂漿、一級(jí)配混凝土中氧化鎂的極限摻量分別為3.01%、7.65%、8.77%。配合比試驗(yàn)以一級(jí)配試驗(yàn)成果為準(zhǔn)，對(duì)所選摻量乘以安全系數(shù)0.85，即粉煤灰摻量為60%時(shí)，氧化鎂最高摻量為7.53%。混凝土配合比試驗(yàn)氧化鎂摻量采用6%。

3.2.2 混凝土配合比試驗(yàn)

壩體三級(jí)配混凝土大石、中石和小石的比例分別為30%、40%和30%，二級(jí)配混凝土中石和小石的比例分別是60%和40%?；炷僚浜媳纫姳?，材料特性見表8。

根據(jù)混凝土配合比，開展氧化鎂混凝土自身體積變形試驗(yàn)，按不同氧化鎂摻量（即0%、5.0%、6.0%、7.0%）、粉煤灰摻量（65%、60%、40%）及不同溫度（20℃、30℃、40℃）條件下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表9、表10、表11。

表7 拱壩混凝土設(shè)計(jì)配合比

表8 拱壩混凝土材料特性

表9 混凝土自身體積變形性能試驗(yàn)（10-6）（20℃）

表10 混凝土自身體積變形性能試驗(yàn)（10-6）（30℃）

表11 混凝土自身體積變形性能試驗(yàn)（10-6）（40℃）

從現(xiàn)場(chǎng)氣象條件出發(fā)，考慮其他因素，結(jié)合已建氧化鎂混凝土拱壩的原型觀測(cè)資料，研究后采用80μ ε用于仿真計(jì)算。

3.3 仿真分析與溫控

3.3.1 仿真分析

采用溫控仿真分析程序Sa pT i s進(jìn)行了溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算、計(jì)算參數(shù)除前述的基本參數(shù)外，彈性模量、水化熱溫升均根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬和求得，模型均采用雙曲線型，碾壓混凝土的絕熱溫升實(shí)驗(yàn)值和擬合值見圖2。由于缺乏實(shí)驗(yàn)資料，混凝土的徐變參照類似工程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以擬合。

圖2 混凝土絕熱溫升曲線

計(jì)算單位按照施工組織計(jì)劃提供的壩體混凝土澆筑計(jì)劃進(jìn)行仿真分析，考慮壩址氣象條件，冬季較溫和，夏季氣溫高，而壩體一部分混凝土可能在夏季進(jìn)行澆筑。首先提出全壩不設(shè)縫（誘導(dǎo)縫或橫縫），在夏季高溫季節(jié)適當(dāng)增加通水冷卻的方案。其壩體拉應(yīng)力在允許范圍。見圖3。

當(dāng)設(shè)計(jì)方案提出后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的混凝土配合比生產(chǎn)性試驗(yàn)出現(xiàn)了問題，由于施工單位混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)配備的是連續(xù)性混凝土拌和機(jī)，其攪拌時(shí)間偏短而經(jīng)廠家現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也不能延長(zhǎng)，即氧化鎂不能在混凝土拌和時(shí)摻加。通過(guò)在拌和樓外摻氧化鎂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氧化鎂摻加不均勻，不能滿足要求。故改在水泥廠內(nèi)摻，即采購(gòu)氧化鎂半成品在水泥廠與水泥熟料共磨，從而使其在水泥中均勻分布，解決了混凝土內(nèi)氧化鎂的均勻性的問題。在與水泥廠家談判時(shí)，廠家囿于行業(yè)規(guī)定不愿出廠水泥的氧化鎂含量過(guò)高，最終結(jié)果將水泥中的氧化鎂含量按水泥的6.5± 0.5%出廠。由此，使得原壩體混凝土設(shè)計(jì)配合比中氧化鎂的摻量達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期的6%，僅達(dá)到2.4～2.9%。根據(jù)前期混凝土試驗(yàn)成果、混凝土現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)及以往氧化鎂混凝土拱壩的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在綜合平衡混凝土水化熱及混凝土自身體積變形的影響后，將拱壩混凝土設(shè)計(jì)配合比作相應(yīng)調(diào)整，見表12。通過(guò)對(duì)壩體氧化鎂混凝土配合比的調(diào)整，在水化熱略微上升的基礎(chǔ)上，使氧化鎂的摻量達(dá)到3.1～3.6%，同時(shí)減弱粉煤灰對(duì)微膨脹的抑制，盡量彌補(bǔ)由于氧化鎂的摻量達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期而導(dǎo)致的微膨脹量減少。

由于氧化鎂摻量的降低，混凝土的微膨脹達(dá)不到設(shè)計(jì)預(yù)期，通過(guò)充分論證，采用60μ ε重新進(jìn)行仿真分析。首先對(duì)施工方案進(jìn)行復(fù)核，由于氧化鎂的補(bǔ)償不足，較多部位拉應(yīng)力超標(biāo)，需要進(jìn)行調(diào)整。第二次計(jì)算結(jié)果，確定設(shè)兩條橫縫，見圖4。采用該方案施工，取消了壩體通水冷卻措施。設(shè)計(jì)按二次仿真分析提供的方案，對(duì)施工圖進(jìn)行修改。

圖3 壩體無(wú)縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

表12 拱壩混凝土施工配合比

圖4 壩體設(shè)兩條縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

由于各種原因，壩體混凝土澆筑過(guò)程不夠順利，當(dāng)上升到760m高程時(shí)，全面停工。一年以后開始復(fù)工繼續(xù)進(jìn)行工程建設(shè)，對(duì)此又再次進(jìn)行仿真分析。計(jì)算單位結(jié)合設(shè)計(jì)意見，提出在770m高程增加兩條誘導(dǎo)縫的方案，見圖5。

大壩按第三次仿真分析后的方案施工完成。

3.3.2 溫控措施

氧化鎂混凝土拱壩通過(guò)氧化鎂自生體積變形產(chǎn)生的補(bǔ)償作用，作為混凝土的主要溫控措施。但是在高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，輔以其他的一些常用的簡(jiǎn)易溫控手段也是必要的，設(shè)計(jì)要求黃花寨拱壩在高溫季節(jié)施工中采用如下一些溫控措施：

（1）盡可能降低混凝土出機(jī)口溫度。對(duì)拌和系統(tǒng)的水泥罐和煤灰罐設(shè)管路噴水，在拌和系統(tǒng)的骨料倉(cāng)上空安裝防曬網(wǎng)，減少太陽(yáng)光對(duì)骨料的直射，降低出機(jī)口混凝土的溫度。

（2）防止混凝土運(yùn)輸過(guò)程中溫度回升。對(duì)運(yùn)輸混凝土的自卸汽車安裝帆布棚，將車上混凝土全部覆蓋，減少太陽(yáng)光直射引起的溫度回升。

（3）倉(cāng)面施工控制。高溫天氣時(shí)，在太陽(yáng)光的照射和大風(fēng)條件下，采用倉(cāng)面噴霧降溫，并用麻袋和彩條布覆蓋，保持倉(cāng)面混凝土一直處于濕潤(rùn)狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

黃花寨碾壓氧化鎂混凝土拱壩施工過(guò)程中，在700m高程時(shí)停工9個(gè)月，在759.8m高程時(shí)停工13個(gè)月。雖然設(shè)計(jì)方案也隨著進(jìn)行調(diào)整，但實(shí)際壩體的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)總是難以完全模擬，不利的因素還是存在的。

由于業(yè)主提前投產(chǎn)的生產(chǎn)目標(biāo)需要，2010年9月大壩澆筑至795.5m高程（正常蓄水位）時(shí)，水庫(kù)下閘蓄水。此時(shí)上部壩體混凝土溫度未降到封拱溫度，同時(shí)由于誘導(dǎo)縫部位混凝土是2010年4月開始澆筑，還未經(jīng)過(guò)一個(gè)低溫季節(jié)，經(jīng)測(cè)縫計(jì)觀測(cè)，除兩條橫縫740m高程以下有0.2m m的張開度外，其余部位尚未發(fā)現(xiàn)有張開的跡象，因此，大壩在未進(jìn)行橫縫灌漿的情況下蓄水運(yùn)行。目前，大壩溫度已接近封拱溫度，計(jì)劃在入冬以后，進(jìn)行橫縫及誘導(dǎo)縫灌漿。

黃花寨大壩是第一座壩高超100m采用全壩外摻氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)設(shè)計(jì)建成的拱壩，設(shè)計(jì)根據(jù)施工進(jìn)度的變化，利用仿真分析手段，進(jìn)行多次方案調(diào)整，將不利因素影響盡可能降低，使工程順利建設(shè)完成。黃花寨氧化鎂混凝土拱壩的設(shè)計(jì)對(duì)類似工程具有一定的借鑒意義。

圖5 壩體設(shè)四條縫、中面最大拉應(yīng)力等值線圖（單位：MP a）

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1672-2469（2015）05-0098-07

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.031

熊 杰（1974年—），男，高級(jí)工程師。