水电站大坝混凝土温度计算与控制.pdf

第 3 0卷第 1 0期 2 0 0 8年 1 0月 华 电技 术 Hua d i a n Te c hn o l o g y V0 1 ． 3 0 No ．1 0 0e t ． 2 0 08 水电站大坝混凝土温度计算与控制 Ca l c u l a t i o n a n d c o n t r o l o f t he d a m c o n c r e t e t e mp e r a t u r e i n h y d r o p o we r s t a t i o n 胡卫华 ， 庞 崇林 ， 胡俊 HU We i — h u a ，P A NG C h o n g — l i n ，HU J u n ( 1 ． 南方电网公司曲靖供电局 ， 云南 曲靖6 5 5 0 0 0 ； 2 ． 中国水利水电第十四工程局科研设计院， 云南 昆明6 5 0 0 4 1 ) ( 1 ． Q u j i n g P o w e r S u p p l y B u r e a u ， C h i n a S o u t h e r n P o w e r G r i d C o r p o r a t i o n ，Q u j i n g 6 5 5 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． I n s t i t u t e o f C h i n a Wa t e r C o n s e n a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g B u r e a u N o ． 1 4 ， K u n mi n g 6 5 0 0 4 1 ，C h i n a ) 摘要： 块泽河电站大坝为现浇混凝土单曲高拱坝， 由于水泥水化热， 内部温度上升， 在一定约束条件下会产 生较大的拉应力， 导致混凝土产生裂缝， 影响坝体工程质量。对大坝混凝土温度场进行了详细的计算和分 析 ， 提 出了相应的混凝土温控措施 。 关键词 ： 温度 场计算 ； 温度控 制 ； 块泽 河电站 大坝 中图分类号： T V 6 9 8 ． 2 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 4—1 9 5 1 ( 2 0 0 8 ) 1 0—0 0 3 7～ 0 4 Ab s t r a c t ： T h e d a m o f Ku a i z e h e Hy d r o p o w e r S t a t i o n i s s i n g l e — c u r v e d，h i g h a r c h c a s t — o n p l a c e c o n c r e t e d a m．T h e t e m p e r a t u r e i n s i d e t h e d a m b o d y w i l l r a i s e d u e t o t h e c o n c r e t e h y d r a t i o n h e a t ．U n d e r c e r t a i n c o n s t r a i n t c o n d i t i o n ， t he g r e a t e r e x p a n s i o n s t r e s s wi l l o c c u r du e t o t he h i g he r t e mpe r a t u r e，a n d t h i s l e a d t o c r e a t e t he c r a c k i n c o n c r e t e， t h e d a m e n g i n e e r i n g q u a l i t y wi l l b e i n fl u e n c e d ．I n t h i s p a p e r ，t h e d a m c o n c r e t e t e mp e r a t u r e fi e l d wa s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d i n d e t a i l ，a n d r e l e v a n t c o n c r e t e t e mp e r a t u r e c o n t r o l me a s u r e s we r e p r o p o s e d ． Ke y wo r d s ： t e mp e r a t u r e fi e l d c a l c u l a t i o n；t e mp e r a t u r e c o n t r o l ；t h e d a m o f Ku a i z e h e Hy d r o p o w e r S t a t i o n 0 引言 块泽河 电站 大坝位于云南省 富源县境 内， 为现 浇混凝土单曲拱坝 ， 高 9 4 I l l ， 基础底宽 4 0 I n ， 坝体底 宽2 0 In， 顶宽 5 IT I ， 顶长 1 0 0 ． 1 9 m， 宽高比为1 ：0 ． 1 6 ， 属薄 拱 坝。坝 底 到 坝 顶 高程 为 1 4 9 5—1 5 8 4 n l ， E L 1 5 2 0 i n 以下设计为 C 2 5混凝土 ， E L 1 5 2 0以上设 计为 C 2 0混凝土。坝体分为 4个坝段 ， 设有 3条横 缝 ， 混凝土总量约 7 ． 5万 I l l 。 一 般来说 ， 混凝土在浇筑后 ， 由于水泥水化热 ， 内部温度上升 ， 在一定约束条件下会产生较 大的拉 应力 ， 导致混凝土产生裂缝 ， 影响坝体工程质量 。因 此 ， 需对大坝混凝土温度进行研究并采取相应 的控 制措施 1 坝体温度场计算与分析 1 ． 1 稳定温度场计算 从严格意义上讲 ， 薄拱坝只存在准稳定温度场 ， 收稿 日期 ： 2 0 0 8— 0 7— 0 7 但拱坝稳定温度是确定运行期 温度荷载 、 封拱灌浆 时机及施工期控制基础混凝 土温差 ， 防止贯穿裂缝 的重要依据 ， 因此 ， 需进行坝体稳定温度场的分析 。 1 ． 1 ． 1 边界条件 ( 1 ) 上游坝前水库水温。水库库表年平 均水温 取 1 6 ． 8 ℃； 库底年平均水温取 1 0 ． 7 ℃ ； 不 同深度 的 年平均水温按下式计算 t ( )=c+( t b—c )e 一 。 ， c= ( t d—t bg ) ／ ( 1一g ) ， g e 一 。㈣ ． 式中： t ( Y )为水深 Y I ll处年平均水温 ， o C； t 为表 面年平均水温 ， o C； t 为库底年平均水温 ， o c； h为水 库深度 ， m。 ( 2 ) 下游水垫塘水面以上坝面温度 。坝体下游 面位于水垫塘水 面以上 的混凝 土表 面年平均温度 ， 受年平均气温和 日照影响 ， 按下式计算 t =t +△ = 1 5 ． 1+3 ． 0 = 1 8 ． 1 ( ) ， 式中： 为混凝土表面平均温度 ； t a m 为年平均气温 ， t =1 5 ． 1 o C； A t 为 E t 照引起的年平均温度增量 ， 根 3 8 华电技术 第 3 0卷 据工程经验 ， △ 取 3 ． O ~ C。 ( 3 ) 坝基 面温度。坝基面的温度按上下游坝趾 和坝踵水温， 中间呈直线变化为坝体建基面温度。 ( 4 ) 下游尾水水温。取 1 3 ． O ~ C。 1 ． 1 ． 2 计算方法及成果 坝体稳定温度场应满足拉普拉斯方程 垂+ 垂+ 垂： 0 ． 1 0 1 I 1 一 u ’ a ‘ a v a 式中， 为混凝土温度 ， ℃。 计算采用平面有限元( 三角形) 单元分析方法， 在微机上实现。根据计算成果整理的典型坝段稳定 温度场分布图如图 1所示 。 1 8 1 ℃ 1 8 l 。 1 3 0 ℃ 1 3 O ℃ 1 ． 2 不稳定温度场计算 1 ． 2 ． 1 计算方法 混凝土浇筑 以后 ， 由于水 泥水化热的散发和受 边界温度的影响， 坝体各浇筑层的温度随着时间不 断变化 ， 因此 ， 需要确定各时期坝块的温度分布。 不稳定温度场满足热传导方程 O t ／0 2 t 0 、 O 0 ～ I + + J + 。 混凝土与空气接触按第 3 类边界条件考虑 一 A { ) = ( _ - ) ， 、 a ， 式 中： 为混凝土温度 ， ℃ ； 7为时间 ， h ； n为导温系 数 ， m ／ h ； ， Y ， 为各 向坐标 ；0为水 化热 绝 热 温 升 ， ℃； A为 混凝土导热系数 ， k J ／ ( m h o C) ； 为混凝土表面放热 系数 ， k J ／ ( m 。 h 。 C) ； t 为空 气温度 ， ℃。 不稳定温度场采用平面有 限元分析方法进行计 算 ， 计算剖面及边界示意图如图2所示。根据热量平 衡原理， 将计算剖面从中央断面处取一半计算， 并视 中央断面为绝热边界。取混凝土外 9 m、 深 1 0 1 1 "1 的地 基参与计算， 地基除基岩暴露 面为 3类边界外 ， 其余 各边为绝热边界 。混凝土顶面及侧表面为 3类边界 ( 顶面若流水则为 1类边界) ， 顶面无保护 、 侧面无保 护或钢模 ， 热交换系数 J8取 6 4 ． 0 k J ／ ( 1 T I ． h． ℃) 。 图 1 典型坝段稳定温度场 用平均法进行拱坝坝体稳定温度 的计算 ， 经计 算 ， 典型坝段稳定温度见表 i 。 表 1 典型坝段稳定温度计算成果表 绝热边界 约束 区范 围 坝体稳定温度／ ℃ ( 0～0 ， 2 ) ( 0 ． 2～ 0 ． 4 ) L l 1 ． 5 1 2． 0 注 ： 为浇筑块长边长度。 界 绝热边界 图 2 计算剖面及边界 示意图 1 ． 2 ． 2 计算假定 ( 1 ) 浇筑层厚分别取 I ． 5 m、 2 ． 0m， 间歇期 7 d ， 表3 不稳定温度场计算成果 第 1 0期 胡卫华 ， 等 ： 水电站 大坝混凝土温度计算与控制 3 9 对不同浇筑时段进行计算 ； ( 2 ) 坝内埋设冷却水管， 通天然河水进行一期 水管冷却， 冷却水管水平间距按 1 ． 5 ／1 1 计算， 垂直问 距与浇筑分层厚度一致 ； ( 3 ) 浇筑温度取 自然入仓温度 或 1 8 ． O ~ C( 出机 口温度为 1 6 ． 0 o C) ； ( 4 ) 基础块最大长度 2 5 ． 0 Il l 。 1 ． 2 ． 3 计算结果与分析 采用上述计算假定进行不稳定温度场计算 ， 结 果见表 3 。 计算结果表明， 强约束区( 0～ 0 ． 2 L， L为浇筑块 长边长度 ) 浇筑时段在 5 — 9月 ， 浇筑层厚 1 ． 5 m， 问 歇 5～ 7 d ， 出机 L 1 温度不 大于 1 6 ~ C， 采取水管冷却 ( 通天然河水 ) 和表 面流水措施 ； 在 1 0月一次 年 4 月 ， 浇筑层厚 1 ． 5 m， 问歇 7 d ， 自然人仓浇筑 ， 采取表 面流水 措施。弱约束 区( 0 ． 2～0 ． 4 L) 浇筑 时段在 5 — 9月， 浇筑层厚 2 ． 0 n l ， 间歇 5～ 7 d ， 自然人仓浇 筑 ， 采取水管冷却 ( 通 天然河水 ) 和表 面流水措施 ； 在 1 0月一次年 4月 ， 浇筑层厚 2 ． 0 m， 间歇5～ 7 d ， 自 然人仓 ， 采取表面流水措施。 2坝体 混凝土温控措施 2 ． 1 混凝土温度的控制因素 从上述混凝土混凝土温度场计算中得知基础温 差 △ =t +t 一￡ f 。式中： t 为混凝土浇筑温度 ； t 为混凝土的水化热温升 ； t 为坝块的稳定温度或准 稳定温度。由于 t 是 由混凝 土特性 和长时 问所处 环境所确定的， 属于不可控范畴， 一旦混凝土配合比 确定， 则混凝土 的水化热温升 t 就可以确定 ， 是一 个相对稳定的数值。但在施工 中， 混凝土温度控制 的主要指标为浇筑温度和坝块最高允许温度。 浇筑温度的控制主要 由出机 口温度决定 ， 考虑 到运输过程中混凝土 的温升 ， 将 出机 口温度定为低 于浇筑温度 2 o C。 坝块最高温度 由通水 ( 河水 和制冷水 ) 冷却来 进行控制 ， 并通过通水来控制砼的温升 ， 满足上 、 下 层温差及 内外温差的要求 ， 并最终达到封拱温度要 求。在施工 中， 根据实测温度值来决定通水 ( 河 水 或制冷水) 的时间和流量。 2 ． 2 绝热条件下混凝土水化热温升计算 ， 式中： 0 。 为混凝 土最终绝 热温升 ， 。 ( = ； Q 为水泥水 化热总量 ， k J ／ k g 。2 8 d ， 取 2 8 0 ． 1 k J ／ k g ； 为水泥用 量 ， k g ／ m。 。C 2 0 用量 为 1 6 5 k g ， C 5 用量 为 1 8 2 k g ； p 为混凝土的密度 ， k g ／ m。 。取为 2 3 2 0 k g ／ m 。 ； C 为混 凝土比热 ， k J ／ ( k g ℃) 。 c 。 。 绝热温升 = 1 6 5_ _ x 2 8 0 ． 1 c 绝热温升 = 1 8 2 x_ 62 8 0 ． 1 其他时刻的绝热温升可按 0=0 。 ( 1一e 一 )进 行计算。式中： 0为 时的绝热温升， ℃； 0 。 为混凝 土最终绝热温升 ， ℃； m为水泥发热速率参数 ， I ／ d 。 m值与浇筑温度 的关系表见表 4 。 表 4 m值与浇筑温度的关 系表 浇筑温度／ ℃ 5 1 0 1 5 2 0 2 5 2 ． 3水温控制措施 采用 2 ~ C制冷水 ， 按 7 5 m ／ h生产 计算 ， 冷水 供 应强度为 9 ． 7 5 m ／ h ， 选用 1 0 m ／ h的制冷设备。砂 温控制措施 ： 湿法生产 ， 设 2个成 品料仓 ， 料仓设钢 桁架屋顶遮 阳措施 。水泥降温措施 ： 采用 自来水喷 淋及遮 阳措施。石子降温措施 ： 料仓设计成方形筒 仓 ， 用 2 ~ C冷水 喷淋降温。将 2 8 ~ C石子 降为 1 4 ℃， 需 2 o c水用 量为 2 1 m ／ h ， 配置 1台 2 5 m ／ h的冷却 机组 。 2 ． 4混凝土 表面 保温 在低温季节或气温骤降期间需对混凝土表面进 行保温。保温时间至少为 1 个低温季节。对于基础 约束 区， 2～ 3 d的 日均温度下降超过 6 ~ C时 ， 视为气 温骤降 ； 对 于非基础约束 区， 2～ 3 d的 日均温度超过 8 ℃时， 视为气温骤降。保温的目的是避免因表面温 度梯度过大而产生表面裂缝 。在实际施工 中， 为便 于掌握保温时问 ， 可 以按施工规范 ， 当坝体内外温差 有可能大于 2 0 ~ C时， 即对混凝土表面进行保温。 2 ． s混凝土养护 混凝土在浇筑后如不加养护 ， 表面的水分 由于 蒸发而急剧损失 ， 会影响混凝土强度的发展 ， 甚至会 引起 干缩裂缝 。因此 ， 在 混凝土 浇筑完 毕后 1 2～ 1 8 h 即开始养护 ， 但在炎热 、 干燥 的气候条件下应提 前养护 。 2 ． 5 ． 1 永久暴露面养护 大坝永久暴露面为坝体的上 、 下游面 ， 采用 0 3 2 n ln 3 聚乙烯塑料管 ( P E管) ， 每隔 2 0～3 0 c m钻 0 1 m i l l 左右的d , T L ， 挂在模板上或外露拉条筋上 ， 通 水量 1 5 L ／ rai n左右 。混凝 土拆模后 即开始 流水养 护 ， 水管随模板上升而上升 ， 白天实行不问断流水养 4 0 华 电擞 术 第 3 0卷 护， 夜间可实行间断流水养护， 即流水养护1 h ， 保持湿 润 1 h ， 当夜问气温超过 2 5 ~ C 时实行不问断流水养护。 2 ． 5 ． 2 左右侧面养护 左右侧使用的键槽模板不宜挂水管 ， 而进行小 流量水喷洒或人工洒水养护 ， 特别是低块浇筑时， 既 要养护好侧面又不能将水流到仓 内， 养护时间不少 于 9 0 d 。 2 ． 5 ． 3 水平面养护 当混凝土在初凝后 ， 能抵抗 自然流水破坏 ， 表面 即可进行洒水养护， 洒水时在水龙头上加莲蓬头 ， 仓 面的养护时问直至上仓浇筑为止 。 2 ． 5 ． 4 雨天养护 下雨持续时间超过 3 0 m in ， 停止各坝块表面及 侧面养护工作 ； 下雨持续超过 1 h ， 停止下 、 下游面及 外露孔 口侧面 的流水养护 ； 雨停后 1 h恢复正常 的 养护工作。 2 ． 6温度测量 在混凝土施工过程 中， 至少每 4 h测量一次混 凝土原材料 的温度 、 出机 口混凝 土温度 以及坝体冷 却水 的温度和气温 ， 并做 好记 录。混凝土浇筑温度 的测量 ， 每 1 0 01T I 仓面面积应不少于 1个测点 ， 每 一 浇筑层应不少于 3个测点， 测点应均匀分布在 浇 筑层面上 。在浇筑块 内部按每 1 5 0 m。 埋设 1支 温 ( 上接 第 6页) 网存在的一系列弊端问题 ， 提 出了电 磁开环的一系列准则 问题 ， 并介绍了多层模糊综合 评价方法在电磁开环的具体应用。基于多层模糊综 合评价的电磁环网开环方案切实可行 ， 具有一定的 实际应用价值和现实意义。 参考文献： [ 1 ] 秦跃进， 汪勇， 胡广． 2 0 0 5年湖北电网电磁环网问题研究 [ J ] ． 华中电力， 2 0 0 2 ， 1 5 ( 6 ) ： 1 5—1 7 ． [ 2 ] 冯伯庚． 对澳电磁环网供电危险点分析[ J ] ． 广东科技， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 9 3— 9 4 ． 度计或热 电偶进行温度观测。 3 结论 经过多年的努力 ， 块泽河 电站大坝 已施工结束 ， 并于 2 0 0 6年 4月 3 0日成功并 网发电。大坝在蓄水 后运行良好， 坝体混凝土在安全监测中未发现有变 形与开裂情况， 说明在大坝混凝土在设计计算与施 工过程对温度控制是较为成功的。 参考文献 ： [ 1 ] 丛培江， 张燕． 最大熵原理在坝体混凝土断裂韧度反演 中应用[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0( 1 ) ： 8 3—8 6 ， 1 09． [ 2 ] 申逸． 回龙抽水蓄能电站碾 压混凝土坝施工质量控制 [ J ] ． 人民长江 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 7 ) ： 2 9—3 0 ． ( 编辑 ： 刘芳) 作者简介 ： 胡卫华 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 云南 富源人 ， 南方 电网公司 曲靖 供电局助 理工程师 ， 从事电力系统 自动化方面 的工作 。 庞崇林( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 广西桂林人 ， 中国水利水 电第 十 四工程 局 科研设计院高级工程师 ， 从事中、 小水电站的设计工作。 胡俊 ( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 云南争雄人 ， 中国水 利水 电第 十四工程局科 研设计院工程师 ， 从事 中、 小水 电站 的设计工作 。 『 3 ] 成涛 ， 成连生． 电力系统的电磁环网运行[ J ] ． 华 中电力 ， 2 0 0 1． 1 4( 6 )： 1 7一l 9 ． [ 4 ] 程 文钢 ． 1 9 9 3 --2 0 0 2年 广西 电网 5 0 0 k V ／ 2 2 0 k V电磁 环 网的运行[ J ] ． 广西电网， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 6 1— 6 3 ． [ 5 ] 尚培祥 ， 蔡瑞桔， 王听伟． 地区性薄弱电网高低压电磁环 网运行可行性介析[ J ] ． 电力设备， 2 0 0 4 ， 5 ( 5 ) ： 1 9— 2 1 ． [ 6 ] 孔涛， 王洪涛， 刘玉 田， 等． 5 0 0 k V ／ 2 2 0 k V电磁环网开环 研究f J ] ． 电力自动化设备 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 2 ) ： 1 3— 1 6 ． ( 编辑 ： 白银 雷) 作者简介 ： 林武汉( 1 9 7 5 一) ， 男， 广东汕头人， 广东电力公司广州供电分公 司工程师 ， 从事变 电运行方面 的工作 。