水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工溫度控制技術(shù)研究

趙 飛

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 370124)

1 工程概況

某工程施工合同范圍包括明渠輔助消能工、明渠底板基礎(chǔ)加固、明渠結(jié)構(gòu)縫處理、明渠左導(dǎo)墻基礎(chǔ)淘刷區(qū)加固、明渠右擋墻加高及明渠出口沖刷區(qū)處理、明渠混凝土缺陷處理、二灘水電站運(yùn)行期防汛應(yīng)急備料場(chǎng)整治等。明渠輔助消能工由連續(xù)坎和加固板組成,是明渠底板消能結(jié)構(gòu)改變的重點(diǎn)區(qū)域,輔助消能工起始樁號(hào)左導(dǎo)0+125.00 m～0+185.00 m。

2 水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工溫度控制的必要性

水電站消能系統(tǒng)是水電站工程中的重要組成部分,用于調(diào)節(jié)水流速度和能量,減小對(duì)下游環(huán)境的影響。在消能系統(tǒng)建設(shè)中,大體積混凝土施工是常見的實(shí)施方式。因此,對(duì)大體積混凝土施工溫度進(jìn)行控制具有重要的必要性。

首先,大體積混凝土施工溫度的控制能夠確?；炷翉?qiáng)度和穩(wěn)定性?；炷翉?qiáng)度與其水化反應(yīng)有密切的關(guān)系,而水化反應(yīng)受溫度影響較大。過高的溫度會(huì)導(dǎo)致混凝土過早脫水和快速硬化,從而降低混凝土強(qiáng)度。相反,過低的溫度則會(huì)延緩水化反應(yīng),導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的發(fā)展受到限制。通過控制混凝土施工時(shí)的溫度,可以使水化反應(yīng)在適宜的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,從而保證混凝土強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

其次,大體積混凝土施工溫度的控制可以減少混凝土裂縫和變形。混凝土在硬化過程中會(huì)發(fā)生收縮和變形,而溫度是引起這些變形的重要因素之一。過高的溫度引起的熱收縮和溫度梯度會(huì)導(dǎo)致混凝土表面和內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力差異,從而引起裂縫的形成;相反,過低的溫度會(huì)導(dǎo)致凍脹和熱應(yīng)力集中,也容易引起混凝土裂縫[1]。通過控制施工溫度,可以有效減少混凝土裂縫和變形,提高工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

此外,大體積混凝土施工溫度的控制還有助于施工進(jìn)度安排和施工質(zhì)量保證。通過合理控制施工溫度,可以確保混凝土的均勻硬化,避免出現(xiàn)硬化速度不一致的情況。這有利于施工進(jìn)度的合理安排,提高工程效率。同時(shí),溫度控制還有助于控制混凝土質(zhì)量,減少因溫度波動(dòng)導(dǎo)致的施工質(zhì)量問題。

3 水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工溫度控制技術(shù)

3.1 科學(xué)制定大體積混凝土施工方案

首先,地質(zhì)勘察和分析。在制定施工方案之前進(jìn)行詳盡的地質(zhì)勘察和分析,了解工程地質(zhì)條件和地下水情況。通過獲取地質(zhì)數(shù)據(jù),確定基坑開挖深度和范圍,以及地下水位對(duì)施工的影響。同時(shí),識(shí)別潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),如巖層裂隙、溶蝕地層等,以制定相應(yīng)的防治措施。

其次,施工方法選擇。根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求,選擇合適的施工方法。常見的施工方法包括自由澆筑、模板澆筑、懸掛腳手架施工等。根據(jù)具體情況,權(quán)衡各種方法優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合工程要求和現(xiàn)場(chǎng)條件,選擇最合適的施工方法。

再者,進(jìn)行施工平面布置。連續(xù)坎布置起始樁號(hào)為左導(dǎo)0+125.00 m,終止樁號(hào)左導(dǎo)0+140.00 m,其結(jié)構(gòu)布置在原明渠導(dǎo)墻及底板982.00 m高程上。加固板布置起始樁號(hào)為左導(dǎo)0+140.00 m,終止樁號(hào)左導(dǎo)0+185.00 m,其結(jié)構(gòu)布置在連續(xù)坎后的明渠底板982.0 m高程之上。加固板共分12個(gè)板塊,以左導(dǎo)0+140.00 m、左導(dǎo)0+155.00 m、左導(dǎo)0+170.00 m現(xiàn)有結(jié)構(gòu)縫劃分。兩部分結(jié)構(gòu),左岸與明渠左導(dǎo)墻“L”型底板及邊墻相連,右岸與明渠右岸貼坡混凝土相連。

此外,制定施工溫度控制方案,確?；炷翉?qiáng)度和穩(wěn)定性。該方案應(yīng)包括以下內(nèi)容:控制施工期間的環(huán)境溫度和濕度,避免過高或過低的溫度對(duì)混凝土的不利影響;采取適當(dāng)降溫措施,如噴水降溫、遮陽棚等,以控制混凝土溫度;安排適當(dāng)?shù)臐仓樞蚝蜁r(shí)間,避免溫度梯度過大;監(jiān)測(cè)混凝土溫度變化,及時(shí)調(diào)整施工措施[2]。

3.2 合理使用原材料

合理使用原材料控制水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工溫度是實(shí)現(xiàn)施工質(zhì)量和工程效益的重要措施。

第一,原材料選擇。在混凝土施工中,合理選擇原材料是控制施工溫度的關(guān)鍵。首先,對(duì)水泥的選擇要注意其熱釋放特性?？刂扑嗟暮瑹崃亢秃X量,選擇低熱水泥或摻入適量礦渣、粉煤灰等礦物摻合料,可以減少水泥水化過程中的熱量釋放,從而降低混凝土溫升。其次,選擇適宜的骨料和砂料,確保其熱導(dǎo)率和吸熱能力適中,以達(dá)到良好的散熱效果。

第二,混凝土配合比優(yōu)化。通過合理調(diào)整混凝土配合比,可以控制混凝土的水膠比和粉料含量,從而影響混凝土的溫度發(fā)展。降低水膠比可以減少混凝土的水化反應(yīng)熱量,選擇適當(dāng)?shù)牡V物摻合料可以減少水化熱釋放。此外,可以考慮使用外加劑,如緩凝劑、冷卻劑等,來延緩混凝土的水化反應(yīng)速度,降低溫升。在此次工程中水工混凝土水灰比的最大允許值需符合表1的規(guī)定。

表1 水工混凝土水灰比的最大允許值

第三,混凝土的坍落度根據(jù)建筑物性質(zhì)、鋼筋含量、混凝土運(yùn)輸、澆筑方法和氣候條件決定,盡量采用小坍落度。混凝土在澆筑地點(diǎn)的坍落度按表2選定。

表2 混凝土在澆筑地點(diǎn)的坍落度(使用振搗器)

3.3 優(yōu)化大體積混凝土施工工藝

第一,分段施工。將大體積混凝土施工分為多個(gè)段落進(jìn)行,每段之間有合適的時(shí)間間隔。分段施工可以減少混凝土的一次性澆筑量,降低溫升速率。合理控制每個(gè)段落的體積和施工速度,確保足夠時(shí)間用于混凝土的散熱和溫度均衡。在進(jìn)行大體積混凝土施工時(shí),根據(jù)工程要求和施工條件,合理劃分施工段落。段落劃分可以基于施工區(qū)域、結(jié)構(gòu)單元、施工時(shí)間等因素進(jìn)行,以確保每個(gè)段落的施工工序具有相對(duì)獨(dú)立性和可操作性。

第二,控制澆筑量。將大體積混凝土施工任務(wù)分解為多個(gè)段落后,控制每個(gè)段落的澆筑量是關(guān)鍵。合理控制每個(gè)段落的澆筑量,避免一次性澆筑過多混凝土導(dǎo)致溫升速率過快。通過降低單個(gè)段落的澆筑量,可以有效減少混凝土的熱量積累,降低溫度升高速度[3]。

第三,施工速度控制。在分段施工過程中,需要合理控制每個(gè)段落的施工速度。過快的施工速度會(huì)導(dǎo)致混凝土的溫度升高過快,增加溫度梯度和熱應(yīng)力,容易引起開裂。因此,根據(jù)混凝土特性和環(huán)境條件,合理安排每個(gè)段落的施工速度,避免過快的澆筑速度。

第四,時(shí)間間隔安排。在分段施工中,每個(gè)段落之間需要合適的時(shí)間間隔,以便混凝土得到充分散熱和溫度均衡。時(shí)間間隔的安排應(yīng)根據(jù)混凝土的硬化特性、溫度發(fā)展趨勢(shì)和環(huán)境溫度等因素進(jìn)行考慮。通常,較大的時(shí)間間隔可用于控制溫度升高速率,促進(jìn)混凝土的散熱和溫度均衡。

3.4 混凝土配合比優(yōu)化

通過合理調(diào)整混凝土配合比,可以控制混凝土的水膠比和粉料含量,從而影響混凝土的溫度發(fā)展。降低水膠比可以減少混凝土的水化反應(yīng)熱量,選擇適當(dāng)?shù)牡V物摻合料可以減少水化熱釋放。此外,可以考慮使用外加劑,如緩凝劑、冷卻劑等,來延緩混凝土的水化反應(yīng)速度,降低溫升。

第一,降低水膠比。水膠比是指混凝土中水的質(zhì)量與水泥漿料中固體含量的比值。降低水膠比可以減少混凝土的水化反應(yīng)熱量,從而降低混凝土的溫升速度。通過減少混凝土中的水含量,可以降低水化反應(yīng)的熱量釋放,減少混凝土溫度的上升。

第二,使用礦物摻合料。選擇適當(dāng)?shù)牡V物摻合料,如粉煤灰、礦渣等,可以降低混凝土的水化熱釋放。礦物摻合料中的活性成分可以參與水化反應(yīng),減少水泥用量,從而降低混凝土的溫升速度。此外,礦物摻合料還可以改善混凝土的工作性能和耐久性。

第三,外加劑應(yīng)用。外加劑是在混凝土中添加的一類化學(xué)物質(zhì),可以改變混凝土的性能和特性。在控制混凝土溫度方面,可以考慮使用緩凝劑和冷卻劑等外加劑。緩凝劑可以延緩混凝土的水化反應(yīng)速度,減少熱量產(chǎn)生。冷卻劑則可以降低混凝土的溫度,通過吸熱反應(yīng)來控制混凝土的溫度升高速度。

第四,熱量預(yù)測(cè)和計(jì)算。在混凝土配合比的優(yōu)化過程中,可以使用熱量預(yù)測(cè)和計(jì)算工具來評(píng)估不同配合比對(duì)混凝土溫度的影響。通過模擬和計(jì)算,可以比較不同配合比下混凝土的溫度發(fā)展趨勢(shì)[4],為優(yōu)化配合比提供科學(xué)依據(jù)。

3.5 采取有效的降熱、保溫措施

水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工中采取有效的降熱和保溫措施對(duì)于控制施工溫度、提高混凝土質(zhì)量和工程效益至關(guān)重要。

第一,冷卻劑應(yīng)用。冷卻劑是一種特殊的外加劑,可以通過吸熱反應(yīng)降低混凝土的溫度。在大體積混凝土施工過程中,可以添加冷卻劑到混凝土中,以有效降低混凝土溫度升高速度。冷卻劑的選擇應(yīng)根據(jù)工程要求和環(huán)境條件,確保其安全可靠,并遵循使用說明。

第二,噴水冷卻。噴水冷卻是一種常用的降溫措施,通過將水噴灑在混凝土表面,利用水的蒸發(fā)過程吸收熱量,降低混凝土溫度。在大體積混凝土施工中,可以使用噴水系統(tǒng)對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行持續(xù)噴水冷卻,尤其是在高溫天氣或高溫季節(jié)進(jìn)行施工時(shí)更為重要。

第三,通水冷卻。通水冷卻是水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工中常用的一種降溫措施。通過引入冷卻水流經(jīng)混凝土內(nèi)部,利用水的冷卻效應(yīng)降低混凝土溫度。選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s水源對(duì)通水冷卻效果至關(guān)重要,此次工程冷卻水采用雅礱江水。在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置冷卻水管路,將冷卻水引入混凝土內(nèi)部進(jìn)行冷卻。冷卻水管路的布置應(yīng)考慮混凝土結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸,保證冷卻水能夠充分覆蓋和流經(jīng)混凝土的關(guān)鍵部位。合理的管路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)均勻的冷卻效果,降低混凝土的溫度升高速度。此外,控制冷卻水的流量和溫度是通水冷卻過程中的關(guān)鍵。通過控制冷卻水的流量,可以調(diào)節(jié)冷卻效果,確保足夠的冷卻能力。通過水表進(jìn)行流量監(jiān)測(cè),前7 d通水量為2.0～2.2m3/h,7 d后改為1.0～1.2 m3/h。同時(shí),冷卻水的溫度也需要適當(dāng)控制,以避免過低溫度對(duì)混凝土強(qiáng)度和工作性能的不利影響。在實(shí)際操作中,可以通過加熱或降溫的方式調(diào)節(jié)冷卻水的溫度。要求降溫階段最大日降溫速率≤1 ℃/d,通水溫度與混凝土溫度溫差不大于20 ℃。

第四,遮陽棚和濕布覆蓋。在混凝土澆筑后,可以采用遮陽棚或濕布覆蓋的方式,阻擋太陽直射和空氣中的熱量進(jìn)入混凝土,減緩混凝土的溫度升高。遮陽棚和濕布可以有效地降低混凝土的熱吸收和熱傳導(dǎo),保持混凝土表面的濕度,有利于溫度的均衡發(fā)展和降低溫升速率。

第五,硬化保溫。混凝土在硬化過程中會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)部熱量,為了控制混凝土的溫度發(fā)展,可以采取硬化保溫措施。在混凝土澆筑后,覆蓋保溫材料,如保溫毯、保溫棚等,減緩混凝土的溫度下降速度,促進(jìn)充分的水化反應(yīng),提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

3.6 進(jìn)行合理預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)

進(jìn)行合理的施工溫度預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)在水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工中至關(guān)重要。通過準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土溫度,可以及時(shí)采取必要的措施,控制施工溫度在合理范圍內(nèi)。首先,建設(shè)溫度預(yù)測(cè)模型。建立合理的溫度預(yù)測(cè)模型是進(jìn)行施工溫度預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。該模型應(yīng)考慮混凝土的特性、環(huán)境條件、施工工藝等因素,并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校正。常用的溫度預(yù)測(cè)模型包括數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法等。通過模型預(yù)測(cè),可以提前預(yù)知混凝土的溫度變化趨勢(shì),為采取合適的控制措施提供依據(jù)。其次,溫度傳感器安裝。在施工過程中,應(yīng)安裝適當(dāng)數(shù)量和位置的溫度傳感器,以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土的溫度變化。溫度傳感器的選擇應(yīng)具備高精度、穩(wěn)定性和可靠性,能夠在惡劣的施工環(huán)境中正常工作。傳感器的布置應(yīng)覆蓋混凝土的關(guān)鍵部位,如澆筑面、結(jié)構(gòu)體內(nèi)部等,以全面了解混凝土的溫度狀況。再者,溫度測(cè)量與記錄。在混凝土澆筑過程中,需要進(jìn)行溫度測(cè)量并進(jìn)行記錄。這包括每4 h測(cè)量混凝土的出機(jī)口溫度、入倉溫度、澆筑溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度和氣溫,并做好相應(yīng)記錄。溫度計(jì)在完成備倉后、澆筑前進(jìn)行安裝。每倉混凝土設(shè)1組溫度計(jì),分上、中、下三個(gè)點(diǎn),上部距澆筑面以下50～100 mm,下部距底部50 mm,中部設(shè)在澆筑厚度的1/2處。測(cè)位布置如圖1所示。

圖1 測(cè)位布置

在混凝土澆筑后的前3 d內(nèi),需要密切觀測(cè)溫度的變化情況,每隔8 h進(jìn)行一次觀測(cè)。3 d之后,觀測(cè)頻率降低為每12 h進(jìn)行一次。整個(gè)溫度測(cè)量時(shí)間持續(xù)28 d。通過這樣的溫度測(cè)量和觀測(cè),可以及時(shí)了解混凝土的溫度變化情況,并及時(shí)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行溫度控制。此外,溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng):在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng),以便及時(shí)掌握混凝土溫度的變化情況。該系統(tǒng)可以設(shè)定合理的溫度閾值,一旦超過設(shè)定范圍,系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出警報(bào),提醒施工人員采取相應(yīng)的控制措施。這有助于及時(shí)應(yīng)對(duì)異常情況,避免溫度超限造成的質(zhì)量問題和安全風(fēng)險(xiǎn)。最后,數(shù)據(jù)分析與評(píng)估。通過對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評(píng)估,可以了解混凝土溫度的發(fā)展趨勢(shì)和變化規(guī)律。對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較分析,與預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)調(diào)整施工措施。同時(shí),結(jié)合實(shí)際工程情況,評(píng)估溫度控制的效果,為改進(jìn)施工工藝和控制策略提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

通過合理的施工溫度預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)了解混凝土的溫度變化情況,及時(shí)采取控制措施,保證施工溫度在合理范圍內(nèi)。這有助于提高施工質(zhì)量,減少混凝土溫度應(yīng)力和裂縫的產(chǎn)生,確保水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。因此,在施工過程中,應(yīng)重視合理的溫度預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè),采取科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和評(píng)估方法,為工程順利進(jìn)行和質(zhì)量保障提供支持。測(cè)溫期間混凝土最高溫度:39.0 ℃,混凝土內(nèi)部最大溫差:7.4 ℃,混凝土表面溫度與大氣最大溫差:17.2 ℃。混凝土內(nèi)部溫度在澆筑完成后3～4 d達(dá)到峰值,峰值維持1～2 d后開始緩慢下降,日最大降溫值:0.9 ℃;混凝土內(nèi)部溫度在11～13 d達(dá)到穩(wěn)定,穩(wěn)定溫度為27 ℃左右,溫度變化滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

水電站消能系統(tǒng)大體積混凝土施工溫度控制技術(shù)是保證工程質(zhì)量和安全的重要領(lǐng)域。在本文中,我們對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了全面的研究和探討,包括混凝土配合比優(yōu)化、分段施工、降熱和保溫措施、通水冷卻等關(guān)鍵技術(shù)。通過合理應(yīng)用這些技術(shù),可以有效控制混凝土施工過程中的溫度變化,減少溫度應(yīng)力和裂縫產(chǎn)生,提高施工質(zhì)量和工程的可靠性。