高寒地區(qū)大壩混凝土施工期的溫控設(shè)計(jì)與研究

楊晨光，侯 攀，黃 瑋

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

某大壩為混凝土重力壩,樞紐布置格局為重力壩+壩后式廠房，由左右岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段、沖砂底孔壩段、壩后式地面廠房、消力池和海漫等組成。整個(gè)壩體分為19個(gè)壩段，壩體在澆筑期間設(shè)1條縱縫，大壩混凝土以四級(jí)配、常態(tài)混凝土為主。大壩混凝土采用纜機(jī)澆筑，全年施工，混凝土澆筑不受洪水影響，壩體上升均勻。

工程所在地區(qū)屬高原溫帶、寒溫帶氣候，壩區(qū)多年平均氣溫9.2℃，極端最高、最低氣溫分別為32.0℃、-16.6℃，最高氣溫多發(fā)生在6、7月；晝夜溫差較大。多年平均降水量540.5mm，多年平均相對(duì)濕度51%，多年平均風(fēng)速1.6m/s，最大風(fēng)速19m/s。

2 大壩的溫控特點(diǎn)

與其它工程相比，由于該工程地處高原地帶，具有氣候寒冷，氣溫年變幅、日變幅均較大，氣候干燥，太陽(yáng)輻射熱強(qiáng)，冬季施工期長(zhǎng)等特點(diǎn)，這些因素對(duì)大壩施工期間的溫控顯得尤為重要。結(jié)合上述壩區(qū)氣象條件，大壩混凝土溫控應(yīng)注意以下4個(gè)方面：

(1) 冬季(每年12～翌年2月)月平均氣溫在0～4.7℃之間，具有高原、高寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，混凝土施工的防凍問題突出，因此需做好混凝土施工從骨料生產(chǎn)到倉(cāng)面澆筑一系列環(huán)節(jié)的保溫措施。

(2) 夏季(6～8月)氣溫較高，必須采取降低出機(jī)口溫度、水管冷卻等有效人工降溫措施，把混凝土溫度控制在允許范圍內(nèi)，并做好混凝土澆筑的倉(cāng)面養(yǎng)護(hù)。

(3) 壩區(qū)晝夜溫差大，需加強(qiáng)混凝土表面保護(hù)，防止內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致混凝土開裂。

(4)上游面劈頭裂縫問題。由于大壩的基巖對(duì)混凝土約束較大，混凝土方量大，水化熱溫升較高，當(dāng)壩體最高溫度較高時(shí)，約束區(qū)上游面附近仍會(huì)有較大的溫差，同時(shí)該部位受內(nèi)外溫差和基礎(chǔ)溫差的雙重作用，極易產(chǎn)生劈頭裂縫。因此，約束區(qū)上游面附近的防裂應(yīng)是溫控重點(diǎn)之一。冬季遇低溫時(shí)，使拉應(yīng)力加大，易在上游面附近產(chǎn)生裂縫。

3 典型壩段的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)及溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

壩體準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)取決于多年月平均氣溫、月平均庫(kù)水溫度。采取一類邊界條件，上游面溫度為庫(kù)水溫，庫(kù)底年均水溫是較難確定的一個(gè)參數(shù)，一般參照條件相近的已建水庫(kù)的實(shí)測(cè)資料，用類比的方法確定。我國(guó)西北地區(qū)深度50m以上的水庫(kù)，庫(kù)底年均水溫約6℃，本工程取庫(kù)底水溫為6℃，庫(kù)表年平均水溫11.2℃，廠房進(jìn)水口處水溫8.1℃，沖沙底孔孔口水溫6.8℃。下游面氣溫考慮太陽(yáng)輻射熱后增加3℃。

取左岸底孔壩段、溢流壩段和廠房壩段，用三維模型分別計(jì)算了其準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。廠房壩段的準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)見圖1、2。

圖1 廠房壩段1月份準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

圖2 廠房壩段7月份準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)

3.2 壩體施工期溫控標(biāo)準(zhǔn)

采用典型壩段的三維模型，仿真計(jì)算了在不同溫控措施、不同月份開始澆筑約束區(qū)及非約束區(qū)混凝土的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)。針對(duì)不同壩段，做了大量的工況仿真計(jì)算，在滿足大壩允許拉應(yīng)力的前提下,提出了不同壩段的推薦溫控標(biāo)準(zhǔn)及溫控措施(見表1)。

表1 混凝土容許溫差 ℃

此外，溫控標(biāo)準(zhǔn)還要求：對(duì)岸坡壩段，約束區(qū)混凝土的溫差標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)從嚴(yán)。

上、下層溫差控制標(biāo)準(zhǔn)可以比基礎(chǔ)約束適當(dāng)放寬。設(shè)計(jì)擬定：當(dāng)澆筑塊上層混凝土短間歇均勻上升的澆筑高度大于0.4L時(shí)，上、下層允許溫差取 18℃；對(duì)長(zhǎng)間歇情況，上、下層允許溫差不大于 15℃。

根據(jù)計(jì)算成果，設(shè)計(jì)要求控制內(nèi)外溫差不大于5.0℃/m，即距離1.0m內(nèi)的混凝土溫度梯度不大于5.0℃。為了便于施工管理，擬控制混凝土不超過允許最高溫度。同時(shí)，針對(duì)不同季節(jié)的氣候特點(diǎn)，輔以表面保護(hù)措施(見表2)。

表2 混凝土允許最高溫度 ℃

3.3 壩體施工期推薦溫控措施

與其他工程不同的是，大壩不僅在夏季需要控制混凝土的澆筑溫度，而且在冬季，必須對(duì)混凝土進(jìn)行加熱保溫措施。各月澆筑溫度見表3。

表3 大壩混凝土各月混凝土允許澆筑溫度 ℃

經(jīng)過綜合比較，夏季(6～8月)通水應(yīng)采用水溫8℃的人工冷卻水，其它季節(jié)通天然河水。為保證冷卻水管內(nèi)有足夠的流量使管內(nèi)形成紊流條件，經(jīng)過計(jì)算，冷卻水流量不小于2.66m3/h，即45L/min。基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土的通水時(shí)間不少于20d，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)通水時(shí)間為14～20d。二期冷卻通水時(shí)間為40天, 8.0℃水冷卻通水30天，再用6.0℃水冷卻10天。推薦溫控措施見表4。

4 低溫季節(jié)混凝土澆筑溫度研究

嚴(yán)寒地區(qū)大壩混凝土施工期一般為4月至10月,每年10月末至次年4月初停止混凝土施工。由于該工程工期緊,冬季月平均氣溫在0℃以上，所以在低溫季節(jié)不考慮停工。該地區(qū)混凝土壩主要有以下特點(diǎn):(1)年平均氣溫低。壩體內(nèi)部混凝土散熱慢,長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài),冬季內(nèi)外溫差大,容易出現(xiàn)

表4 大壩(含廠房混凝土)強(qiáng)約束區(qū)(0～0.2L)混凝土主要溫控措施建議

注：1)表中A為水管冷卻；B為骨料預(yù)冷；C為表面保溫。

2)弱約束區(qū)和自由區(qū)(4～10月)允許澆筑溫度可適當(dāng)放寬2～3℃。

裂縫,對(duì)溫度控制要求嚴(yán)。(2)氣溫低,混凝土凍融破壞嚴(yán)重。如吉林的豐滿大壩溢流壩面和遼寧的參窩大壩溢流壩面,皆因凍融破壞而采取鑿除重新澆筑鋼筋混凝土的處理措施。(3)空氣干燥,全年空氣濕度小。西北地區(qū)夏季日蒸發(fā)量大,光照強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng),特別是有風(fēng)的時(shí)候,水分蒸發(fā)特別快,很容易使混凝土在初凝之后因?yàn)樗植蛔愣荒艹浞诌M(jìn)行水化反應(yīng),甚至使混凝土因干縮而導(dǎo)致裂縫。

借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程在每年11月初～翌年2月末，日平均氣溫低于5℃，大壩混凝土即進(jìn)入冬季施工?；炷炼臼┕げ捎谩靶顭岱ā?。

(1)成品骨料堆內(nèi)埋設(shè)蒸汽排管，防止骨料凍冰結(jié)塊，混凝土拌和樓料倉(cāng)內(nèi)采用熱風(fēng)對(duì)粗骨料進(jìn)行加熱，骨料加熱溫度應(yīng)滿足冬季混凝土各月出機(jī)口溫度的要求。

(2) 混凝土必須采用熱水拌合，控制拌合水溫一般不超過60℃。

(3)為滿足混凝土防凍防裂要求，控制混凝土的澆筑溫度為5～10℃。

(4)在基巖面上或所有混凝土面上澆筑新混凝土前，用暖風(fēng)機(jī)或其它升溫措施，將其表層混凝土升溫至2～3℃以上，加熱深度不小于10cm。

5 表面保護(hù)研究

壩址處的氣象條件決定了表面保護(hù)是該工程溫控的重點(diǎn)。夏季，白天氣溫較高，氣溫日變幅較大；冬季平均氣溫低，氣溫年變幅大。這些都容易引起表面裂縫。計(jì)算表明，在氣溫降幅較大或冬季氣溫較低時(shí)，須采取一定的混凝土表面保護(hù)措施，以提高壩體的抗裂安全系數(shù)。初擬如下主要保護(hù)措施：

(1)倉(cāng)面覆蓋一層塑料膜+一層土工膜+2cm厚棉被，上、下游面鋼模板外貼2cm厚聚乙烯苯板(或等同的其他材料)。壩身深孔、底孔、表孔等結(jié)構(gòu)部位，其混凝土表面保溫材料適當(dāng)加厚。

(2)對(duì)于上、下游面等永久暴露面，施工期保溫按外掛保溫材料的全年保溫方式。

(3)各壩塊側(cè)面及上表面采取臨時(shí)保溫方式，需保溫過冬的混凝土在每年9月底完成所有部位混凝土表面保溫工作，對(duì)底孔、深孔等壩體重要部位形成的孔洞、廊道、豎井等也必須在9月底前掛保溫材料封口，防止冷空氣對(duì)流。每年10月～次年4月澆筑的混凝土，在澆筑完畢后其上表面及側(cè)面應(yīng)立即覆蓋保溫材料，直至上層混凝土開始澆筑前方可揭開。

(4)廊道進(jìn)、出口冬季盡可能封堵。

(5)冬季澆筑的混凝土應(yīng)適當(dāng)推遲拆模時(shí)間。

(6)在高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)該在表面通流水，以降低混凝土最高溫度。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)壩址處年均氣溫低，晝夜溫差大，混凝土方量大，水化熱溫升高，對(duì)混凝土防裂不利，溫控問題尤為重要。

(2)低溫季節(jié)易出現(xiàn)溫度驟降，容易出現(xiàn)表面裂縫，因此，低溫季節(jié)混凝土的防裂防凍是本工程的溫控特點(diǎn)。

(3)建議考慮上、下游附近混凝土采取分區(qū)溫控的方式。由于水庫(kù)水溫低，應(yīng)嚴(yán)格控制上游面附近的溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施，簡(jiǎn)化中下游溫控措施。

[1] 侍克斌，等.高碾壓混凝土壩在嚴(yán)寒干旱地區(qū)的溫控探討[J].水力發(fā)電,2007(1).

[2] 胡平，等.拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩溫控防裂研究[J].水力發(fā)電,2007(11).