大風口水庫壩體基礎約束區(qū)混凝土溫控技術應用探討

馬忠華

(綏中縣水利技術推廣站，遼寧綏中125200)

1 工程概況

大風口水庫應急供水工程位于遼寧省綏中縣狗河中游范家鄉(xiāng)趙家甸村上游。水庫主要作用為綏中縣東戴河新區(qū)供水，同時兼有防洪及農(nóng)業(yè)灌溉。水庫擋水建筑物型式為常態(tài)混凝土重力壩，最大壩高40.4 m，由右岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、門庫壩段及左岸擋水壩段組成。壩頂全長281 m，最低建基面高程86.6 m，混凝土總量為17.5 萬m3，屬于大體積混凝土壩體結構。水庫最大庫容為0.8×108m3，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，永久性主要建筑物攔河壩、副壩建筑物級別為2 級。

2 溫控技術應用背景

大風口水庫地處遼寧省西部，屬于北方寒冷地區(qū)，多年平均氣溫為9.5 ℃，極端最高氣溫達39.8 ℃，極端最低氣溫為－26.3 ℃。結冰時間一般為11 月上旬，融凍時間為3 月中旬。最冷月為1 月，多年平均溫度為－7.7 ℃。氣溫年內(nèi)變幅大，晝夜溫差也較大。為此，作為水庫壩體基礎約束區(qū)大體積混凝土在北方寒冷地區(qū)的施工溫控技術尤為重要［1］。筆者從大風口水庫壩體基礎約束區(qū)混凝土的施工特點進行分析，從原材料選擇、混凝土拌制、運輸、澆筑到澆筑后的降溫保溫措施等方面通過理論計算及各種試驗進行分析研究;同時對各監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行收集、匯總及分析，詳細了解混凝土溫度變化趨勢，采取有效措施杜絕或減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。確定不同時段不同外界溫度下適宜的混凝土溫控施工技術，并逐步進行優(yōu)化。并通過此次項目的探究，在壩體基礎約束區(qū)混凝土溫控方面掌握更加成熟的施工技術和施工經(jīng)驗及關鍵質量控制措施，為寒冷地區(qū)壩體約束區(qū)混凝土溫度控制提供成熟經(jīng)驗，并應用到寒冷地區(qū)常態(tài)混凝土重力壩溫度控制裂縫預防之中［2］。

3 混凝土施工溫度控制標準要求

1)上下層溫差要求。上下層溫差是指老混凝土面(混凝土齡期超過28 d)上下各1/4 塊長范圍內(nèi)，上層新澆混凝土的最高平均溫度與開始澆筑混凝土時下層老混凝土的平均溫度之差，壩體混凝土上下層溫差≤16 ℃。

2)相鄰壩段高差。混凝土施工中，各分塊應均勻上升，相鄰分塊高差≤10 ～12 m。

3)澆筑層高及間歇時間。為有利于混凝土澆筑塊散熱，基礎混凝土約束部位澆筑層高為1.5 m，上下層澆筑間歇時間為6 ～10 d。

4 混凝土施工中的溫度控制措施

4.1 混凝土施工過程中的溫度控制措施及成果分析

4.1.1 混凝土原材料選擇

工程所用細骨料及粗骨料均為狗河區(qū)域天然級配骨料，骨料質地堅硬、清潔、級配良好，經(jīng)水洗篩分后，取樣檢測各物理及化學指標均滿足《水工混凝土施工規(guī)范DL/T5144—2001》的要求;外摻粉煤灰為綏中電廠生產(chǎn)的優(yōu)質粉煤灰;水泥為撫順水泥廠生產(chǎn)的P.MH42.5 中熱水泥;外加劑選用復合高效型外加劑(LSYT 引氣減水劑)。各種原材均檢驗均符合各規(guī)范要求［3］。

4.1.2 混凝土配合比的選取

控制混凝土的溫升首先進行配合比的優(yōu)化，其優(yōu)化原則為選用水化熱較低的中熱水泥(基礎及閘墩堰體混凝土采用P.MH42.5 中熱水泥);滿足抗壓、抗?jié)B、抗凍設計指標前提下，盡量減少水泥摻量，摻加適當比例粉煤灰，盡量降低混凝土的水化熱溫升;有條件部位采用四級配混凝土(基礎及內(nèi)部混凝土采用四級配，最大骨料粒徑為120 mm)，減少了水泥用量，有效降低混凝土的水化熱溫升;優(yōu)選復合高效型外加劑(選用LSYT 引氣減水劑)，降低混凝土單位水泥用量，以減少混凝土水化熱溫升。

4.1.3 混凝土中原材料溫度的控制

外界氣溫對混凝土各材料溫度影響很大，對混凝土運輸和澆筑倉面溫度均有影響，直接影響了混凝土的拌合溫度及澆筑溫度，因此必須采取有效措施控制各種原材料的溫度，使其盡量降低。

4.1.3.1 溫度理論計算

以壩體基礎約束區(qū)混凝土(標號C9020W6F100)為例進行各溫度計算:

1)出機口溫度。工地7 月份多年平均溫度為24.1 ℃，為全年最高氣溫，以7 月為例，水溫度按10 ℃考慮;骨料及砂子溫度通過堆料、遮陽棚及噴霧等方法，一般較平均氣溫高2 ～3 ℃，本次計算取26 ℃;水泥及粉煤灰的溫度經(jīng)過長距離運輸及儲罐儲存，溫度按45 ℃考慮;經(jīng)計算，7 月份出機口溫度為23.82 ℃，混凝土出機口溫度過高，需采取冷水噴淋混凝土骨料進行降溫、4 ℃冷水拌合等措施，出機口溫度為19.73 ℃，基本滿足設計溫控要求。為滿足出機口溫度≤18 ℃的要求，采用冰屑代替部分拌合用水，冰屑在拌合過程中融化，將吸收335 kJ/kg的熱量，從而進一步降低混凝土出機口溫度，加冰量依氣溫情況進行調整，通常采取加冰量20 kg/m3，消減熱量為5 360 kJ，其中0.8 為加冰有效系數(shù)，加冰后拌合時間應適當延長15 ～30 s。利用4 ℃冷水加冰屑拌制的混凝土出機口溫度17.41 ℃，完全滿足設計溫控要求［4］。

2)澆筑溫度?；炷涟韬舷到y(tǒng)位于主壩下游150 m處，距離最遠澆筑倉面約300 m，混凝土水平運輸采用20t 自卸汽車(6 m3)，在運輸過程中對自卸汽車搭設遮陽網(wǎng)及車四周采用保溫材料保溫;垂直運輸采用門機吊6 m3臥罐入倉。根據(jù)規(guī)范，裝、卸和轉運溫度損失系數(shù)均為0.032，門機吊罐運輸混凝土過程中溫度回升系數(shù)為0.0013，自卸車運輸溫度回升系數(shù)為0.002，平倉振搗混凝土溫度系數(shù)為0.003。混凝土澆筑溫度取決于混凝土出機口溫度、運輸工具類型、運輸時間和裝運次數(shù)。

式中:TBp為混凝土澆筑溫度，℃;TA為氣溫，取7 月平均氣溫，24.1℃;T0為出機口溫度，℃;θ=At，A為系數(shù)，t 為時間，min;θ1為裝、卸和轉運，θ1=0.032×2=0.064，θ2為自卸車水平運輸，θ2=At1=0.002×3=0.006，θ3為門機吊罐入倉，θ3=At3=0.0013×8=0.0104，θ4為平倉振搗，θ4= At4=0.003 × 10 = 0.03。經(jīng) 計 算，澆 筑 溫 度 TBp=18.15 ℃。

3)混凝土水化熱絕熱溫升值。

式中:Tt為澆筑t 段時間后的混凝土絕熱溫升值℃;t 取3 d;mc為每方混凝土的水泥用量，根據(jù)壩體內(nèi)部配合比取值為144 kg;Q 為每千克水泥的水化熱量，取值3 d 為253 J/Kg;C 為混凝土比熱值，取0.96 kJ/kg℃;ρ 為混凝土的密度，根據(jù)配合比取值2 430 kg/m3;1－e－mt為常數(shù)，根據(jù)規(guī)范，澆筑溫度為18 ℃左右時，取值0.653。

經(jīng)計算，混凝土水化熱絕熱溫升值 Tt=23.92℃。

4)混凝土內(nèi)部最高溫度。

式中:Tmax 為混凝土內(nèi)部最高溫度，℃;TBp為混凝土澆筑溫度，℃;Tt為澆筑t 段時間后的混凝土絕熱溫升值℃;ξ 為不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù)，工程每倉混凝土厚度均為1.5m，根據(jù)規(guī)范可知，系數(shù)為0.49。

內(nèi)部最高溫度值 Tmax =TBp+ Tt× ξ=29.87℃。

5)不同配合比下各月份澆筑溫度。同上述計算過程，計算出閘墩部混凝土(C9030W6F200)在7 月份的出機口16.93℃、澆筑溫度為17.66 ℃、3d 水化熱溫升值為51.8 ℃，混凝土內(nèi)部最高溫度42.99 ℃。

6)各材料冷卻值對混凝土降溫效果的影響。從技術和經(jīng)濟效果綜合考慮，一般宜以冷卻拌合水、加冰拌合、冷卻骨料作為混凝土材料的主要冷卻措施。

4.1.3.2 控制原材料及中間產(chǎn)品溫度

1)粗骨料的溫度控制。骨料倉頂部采用鋼骨架搭設遮陽棚，料倉四周全部進行遮陰，降低外界環(huán)境溫度對料倉內(nèi)骨料溫度的影響。料倉頂部安裝噴淋及噴灑水霧裝置，通過安裝的噴淋設備，采用4℃冰水對骨料進行噴淋降溫，同時采用噴灑水霧設備噴灑水霧，避免外界高溫倒灌骨料倉內(nèi)部。在各料倉隔離墻頂面2m 高處共裝置10 個旋轉噴頭，各噴頭均可旋轉360°。兩道噴灑水霧裝置及10 個旋轉噴頭噴灑裝置各自成體系，采用2 臺2 吋水泵進行供水，水源為地下蓄水池中4℃冰水，每日開倉前5 h安排專人負責骨料噴灑水霧降溫，降低各骨料溫度。骨料篩分場冬季儲備的骨料溫度在10℃左右，篩分后的成品料及時用于混凝土的拌制，也能夠很好的控制混凝土的拌合溫度［5］。

2)拌合用水的溫度控制。拌合用水采用地下150m 深井水，同時修建地下蓄水池，采取加塊冰的方式對水溫進行冷卻至4℃。

3)水泥、粉煤灰等膠凝材料的溫度控制。對水泥、粉煤灰等膠凝材料，加強人為管理，提前進行儲料，物資部門及時和供貨商進行溝通，避免在出廠高溫狀態(tài)時直接使用，拌合使用時控制溫度在45℃以下。

4.1.4 混凝土施工采取的溫控措施

根據(jù)大風口水庫壩體混凝土溫控指標要求，結合工程規(guī)模實際情況和當?shù)貧鉁貤l件，從原材料選擇、混凝土拌制、運輸及澆筑到澆筑后的保溫降溫措施等方面，采取綜合的混凝土溫度控制措施［6］。

4.1.4.1 混凝土拌制及運輸過程的溫度控制

1)拌合系統(tǒng)溫度進行控制。對拌合系統(tǒng)進行重點控制，對送料皮帶機及上料斗位置采用鋼骨架搭設防曬網(wǎng)，避免陽光直射。對蓄水池進行保溫，四周黏貼保溫板，并用防曬網(wǎng)進行纏繞固定，頂部采用彩鋼瓦及保溫板進行覆蓋。

2)混凝土拌制過程進行控制。采用4℃冷水加冰屑進行拌合，加冰量根據(jù)氣溫控制在10～30 kg/m3。

3)混凝土運輸過程進行控制。對混凝土運輸設備，采取隔熱遮陽措施，對運輸車輛外部用水沖洗進行降溫?；炷恋豕拊O置隔熱遮陽措施，以防在運輸過程中受日光直射，減少溫度回升，降低混凝土運輸過程中的溫度回升率。

4.1.4.2 混凝土澆筑過程的溫度控制

混凝土澆筑工藝。根據(jù)壩體基礎約束區(qū)混凝土結構特點，混凝土入倉大部分采用自卸汽車配合反鏟直接入倉，局部采用門機吊吊罐入倉的方式;混凝土澆筑方式采用臺階法自上游向下游推進澆筑，臺階鋪料厚度為50cm，臺階寬度為2.5m，基礎約束區(qū)混凝土澆筑層厚度為1.5m。

澆筑過程中的溫度控制。工程配備HZS180 及HZS50 型共兩套拌合系統(tǒng)，完全滿足高峰期混凝土澆筑強度，增加水平及垂直運輸設備，確保倉面澆筑層能夠及時覆蓋。確保澆筑的連續(xù)性，避免停料停澆現(xiàn)象，堅決避免混凝土運輸過程中有自卸車等待卸料現(xiàn)象。統(tǒng)籌安排、綜合考慮倉面施工，根據(jù)倉號及澆筑強度，充分利用有利澆筑時間段進行施工;隨時掌握天氣變化的趨勢，在陰天及低溫天氣增加運輸設備及施工人員以加快施工進度?；炷疗絺}振搗后，采用彩條布及時覆蓋，以防高溫天氣陽光直曬影響表面混凝土溫度升高。按照混凝土澆筑層厚1.5m 進行施工，上、下層混凝土間歇時間滿足6 天，混凝土采用臺階法進行澆筑，控制臺階厚度不超過0.5m。

4.2 混凝土澆筑后的溫度控制

4.2.1 混凝土養(yǎng)護

混凝土澆筑完畢后，及時進行養(yǎng)護，已澆混凝土表面進行流水養(yǎng)護，降低混凝土表面溫度，防止氣溫回灌混凝土表面溫度升高。

4.2.2 混凝土內(nèi)部采用冷卻水降溫

高溫季節(jié)施工時，在混凝土內(nèi)部埋設冷卻水管，進行通低溫水冷卻。冷卻水管采用導熱性能良好的φ40 mm 鐵管，每澆筑層1.5m 厚布置一層，水平間距1.5m，澆筑開始后通水，通水時間為14 d，通水流量控制為1.0m3/h，水流方向每天改變一次，使壩體均勻冷卻，使壩體混凝土盡快趨于穩(wěn)定溫度，降低壩體混凝土內(nèi)外溫差。

4.2.3 混凝土保溫措施

大風口水庫應急工程按設計要求壩體上游面長期保溫，上游面經(jīng)常性水位以上部分采用厚度120 mm 的GRC 復合擠塑板保溫，采用錨栓固定于混凝土表面;壩體下游面及上游經(jīng)常性水位以下部分采用厚度120 mm 的擠塑板保溫，采用錨栓固定于混凝土表面。

4.2.4 做好溫度量測

布置永久觀測溫度計，另外在7、8 月份的高溫季節(jié)，臨時在每倉混凝土內(nèi)部埋設溫度計，用溫度測定記錄儀進行施工全過程的跟蹤監(jiān)測，同時安排專人每4h 測量一次原材料的溫度、出機口混凝土溫度、混凝土內(nèi)部溫度及冷卻水的進出口溫度和氣溫。

4.3 溫度控制效果分析

4.3.1 各檢測溫度記錄與分析

現(xiàn)場檢測人員在施工中落實各項溫控措施的基礎上，每天對澆筑氣溫、拌合水溫、砂石骨料溫度、出機口溫度及澆筑溫度跟蹤檢測，6 月份澆筑氣溫在15℃～27℃時，采取加冰冷卻拌合水、低溫水沖洗骨料及拌合加冰等綜合措施。7—8 月施工中，重點對骨料進行降溫處理，將骨料倉旁蓄水池的水，通過加冰使水溫降至5℃～9℃，利用料倉頂部的噴淋裝置對骨料降溫。在混凝土澆筑過程中，基本滿足設計溫控要求。偶爾也出現(xiàn)過超溫現(xiàn)象，主要發(fā)生在高溫時段及交接班時段，時間很短，不構成對壩體內(nèi)部最高溫度的影響。

4.3.2 冷卻水管溫度記錄與分析

經(jīng)過14 d的通水降溫過程，壩體混凝土溫度可以消減5.4℃的溫升，如果通水降溫時間延長，壩體混凝土內(nèi)部溫度降低幅度會更大。因此混凝土澆筑后，采用壩體內(nèi)埋設鐵管通水降溫，是比較有效的降低壩體混凝土內(nèi)部溫度的措施，有效的使壩體混凝土內(nèi)部溫度盡快趨于穩(wěn)定溫度，溫控效果是顯著的。

4.3.3 混凝土內(nèi)部溫度記錄與分析

壩體設計埋設永久溫度計，以2014 年4 月中旬埋設的6#壩段87.3m 高程的T6 ～T10、5 月中旬埋設的10#壩段87.1m 高程的T11 ～T15 及9 月下旬埋設的4#壩段99.5m 高程的T1 ～T5 共15 支進行統(tǒng)計分析。為了更好的了解混凝土內(nèi)部溫度變化，在6、7、8月份高溫時節(jié)，選取倉號埋設溫度計作為永久觀測的補充溫度記錄，現(xiàn)選取5#、9#及16#壩段的數(shù)據(jù)進行分析。通過壩體溫度永久觀測并結合臨時觀測可知，至2015 年4 月，6#壩體內(nèi)部混凝土，經(jīng)過一年時間，現(xiàn)溫度在15.0 ℃～22.0℃;10#壩段內(nèi)部混凝土，經(jīng)過10 個月時間，現(xiàn)溫度在18.0 ～22.0 ℃;3#壩體內(nèi)部混凝土，經(jīng)過半年時間，現(xiàn)溫度在18.0 ℃～25.0 ℃。通過一系列綜合溫控措施，混凝土內(nèi)部溫度滿足設計溫控要求，其最高溫升一般出現(xiàn)在澆筑后3 ～4 d，其后呈下降趨勢并逐步趨于穩(wěn)定。

4.3.4 壩體冬季保溫混凝土表面溫度記錄與分析

進入10 月份，隨著外界氣溫的降低，采用GRC復合擠塑板對壩體基礎約束區(qū)上游面進行了長期保溫，對壩體下游面、越冬層面及相鄰壩段側面采用擠朔板及巖棉被做了臨時保溫，安排專人對混凝土表面溫度做了量測，通過混凝土表面溫度量測，在整個冬季低溫期混凝土表面溫度均在2℃以上，表面沒有處于受凍狀態(tài)，壩體混凝土內(nèi)外溫差處于可控狀態(tài)，外表面及時進行保溫的部位都沒有裂縫產(chǎn)生，冬季保溫措施合理可行。

5 結 語

研究表明，在工程施工過程中，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度變化趨勢，并采取一系列溫控防裂措施使混凝土內(nèi)部的冷卻水管能夠帶走大量的水化熱，通水時間長短決定壩體混凝土內(nèi)部溫度降低的幅度;在氣溫驟降的秋末冬初，做到壩體表面的及時保溫施工，能夠很好的減小壩體混凝土內(nèi)外溫差，避免壩體混凝土裂縫的產(chǎn)生。通過寒冷地區(qū)壩體約束區(qū)混凝土溫度控制技術的研究，并應用到寒冷地區(qū)常態(tài)混凝土重力壩溫度控制裂縫預防之中具有重要的意義。

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