山口巖碾壓混凝土拱壩溫度控制設(shè)計(jì)

楊志華 謝衛(wèi)生

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 江西南昌 330029)

1 工程概況

山口巖水庫(kù)位于贛江支流袁水上游，壩址以上控制集雨面積為 230km2，水庫(kù)總庫(kù)容為1.05×108m3，是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、灌溉等綜合效益的大（Ⅱ)型水庫(kù)。主要建筑物有大壩、溢流堰、放空洞、引水隧洞及發(fā)電廠(chǎng)房等。

大壩為碾壓混凝土拋物線(xiàn)雙曲拱壩，最大壩高99.1m，壩頂高程為247.6m，壩頂寬度5.0m，壩底最大寬度 30.0m，壩頂弧長(zhǎng) 268.23m，壩體為全斷面碾壓混凝土。

2 基本資料

2.1 氣象資料

山口巖壩址區(qū)多年年平均氣溫為17.3℃，多年最高月平均氣溫 28.7℃(7月份)，多年最低月平均氣溫5.3℃(1月份)，6～8月份的月平均氣溫均高于25℃, 屬高溫季節(jié)，5月和9月份的月平均氣溫高于 22℃，屬次高溫季節(jié)。山口巖壩址區(qū)各月的多年平均氣溫見(jiàn)表1。

2.2 碾壓混凝土熱力學(xué)指標(biāo)

大壩主體混凝土材料為 R90200三級(jí)配碾壓混凝土，其熱力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 山口巖壩址區(qū)各月的多年平均氣溫

表2 碾壓混凝土熱力學(xué)指標(biāo)

3 壩體混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)大壩三維有限元溫度仿真計(jì)算，為保證壩體應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求，提出了山口巖碾壓混凝土拱壩各月份壩體混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 壩體混凝土允許峰值溫度

各月份壩體內(nèi)部混凝土峰值溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

3.2 壩體混凝土基礎(chǔ)溫差

基礎(chǔ)溫差是指基礎(chǔ)約束范圍以?xún)?nèi)混凝土最高溫度與該部位穩(wěn)定溫度（或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度)之差。基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)為：強(qiáng)約束區(qū)（0～0.2L)≤16℃，一般約束區(qū)≤19℃。

3.3 壩體混凝土內(nèi)外溫差

表3 各月份壩體內(nèi)部混凝土峰值溫度控制標(biāo)準(zhǔn) 單位：℃

內(nèi)外溫差指的是壩塊內(nèi)外兩點(diǎn)的溫降之差。允許內(nèi)外溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為23.5℃。

3.4 壩體混凝土上下層溫差、封拱溫度

上、下層溫差指在老混凝土（齡期28d以上)面上下各0.25L范圍內(nèi)，上層新澆混凝土最高平均溫度與新澆混凝土開(kāi)始澆筑時(shí)下層老混凝土實(shí)際平均溫度之差。上、下層混凝土容許溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為20℃。封拱溫度為17.3℃。

4 碾壓混凝土溫控措施

4.1 優(yōu)化混凝土配合比

選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰，摻高效緩凝減水劑，通過(guò)優(yōu)化碾壓混凝土配合比，降低水泥用量，從而降低混凝土絕熱溫升。根據(jù)山口巖碾壓混凝土配合比優(yōu)選及性能試驗(yàn)成果，Ⅲ級(jí)配碾壓混凝土的極限拉伸值（90d)大于140×10-6，對(duì)提高混凝土的抗裂性能有利，但其絕熱溫升（90d)高達(dá)24℃，需采取一定的溫控措施來(lái)控制混凝土內(nèi)部峰值溫度。

4.2 控制澆筑溫度

（1)水泥、粉煤灰等原材料提前組織進(jìn)場(chǎng)，以降低其出廠(chǎng)溫度。

（2)骨料采用地壟取料，控制骨料堆高大于6m，骨料溫度不大于月平均氣溫。

（3)混凝土運(yùn)輸、傳料設(shè)備采取遮陽(yáng)防曬措施，盡量縮短其暴曬時(shí)間。

（4)高溫季節(jié)施工時(shí)，為了防止熱量倒灌，采取噴水霧等措施，形成混凝土澆筑倉(cāng)面小氣候，降低倉(cāng)面溫度。合理安排澆筑時(shí)段，將混凝土澆筑盡量安排在早晚和夜間施工。

（5)盡量安排澆筑塊尺寸較大、溫度控制較嚴(yán)部位的混凝土在低溫季節(jié)施工。

4.3 合理安排澆筑分層和層間間歇

碾壓混凝土每間歇層澆筑高度一般不小于3m，每一碾壓層厚度按300mm控制。碾壓混凝土層間施工時(shí)間控制在5～8h之內(nèi)，并且碾壓混凝土從拌和樓出機(jī)口出來(lái)至混凝土在倉(cāng)面碾壓完成，宜控制在 2h之內(nèi)。碾壓混凝土間歇層間歇時(shí)間控制在 4d左右，最長(zhǎng)不能超過(guò) 15d。除渡汛期間和高溫期停澆碾壓混凝土外，其他時(shí)間碾壓混凝土嚴(yán)禁長(zhǎng)間歇。

4.4 壩體內(nèi)預(yù)埋冷卻水管

（1)冷卻水管布置原則。碾壓混凝土壩體內(nèi)部冷卻水管采用φ32mm聚丙烯塑料管（PPR)，管材的導(dǎo)熱系數(shù)宜為1.0W/（m·℃)，管壁厚度宜為 2～2.5mm。在倉(cāng)面上冷卻水管呈“S”形布置，按1500mm（碾壓厚度)×1500mm（水管間距)布置，,單根水管長(zhǎng)度不宜超過(guò)200m。

（2)初期通水冷卻。初期通水冷卻一般起削峰作用，消減混凝土內(nèi)部的峰值溫度，使壩體內(nèi)部混凝土峰值溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)要求的允許值。壩體混凝土初期冷卻在混凝土碾壓完成后 12h內(nèi)進(jìn)行。

水管通水冷卻時(shí)管內(nèi)水溫與管外混凝土溫度相差過(guò)大和冷卻速度過(guò)快會(huì)產(chǎn)生裂縫，初期通水時(shí)冷卻水管內(nèi)水溫與壩體內(nèi)部的混凝土溫度之差控制在 22℃之內(nèi)。在通水冷卻時(shí)，壩體混凝土冷卻速率不應(yīng)超過(guò) 1℃/d。每隔24h變換一次水流方向，通水流量為15～18L/min。

（3)中期通水冷卻。中期通水冷卻是削減壩體內(nèi)外溫差，預(yù)防壩塊產(chǎn)生表面或深層裂縫的有效措施之一，也是在后期冷卻前進(jìn)行澆筑塊的再降溫，降低后期冷卻容量。中期通水應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度和封拱灌漿時(shí)間而定，可安排在初期通水冷卻后立即進(jìn)行，也可安排在后期冷卻前2個(gè)月進(jìn)行。中期通水一般采用河水，通水歷時(shí)為2個(gè)月左右，以壩體混凝土溫度降至略高于年平均氣溫為準(zhǔn)。

（4)后期通水冷卻。后期通水是使混凝土柱狀塊達(dá)到接縫灌漿溫度的必要措施，目的是將壩體溫度降至溫控標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的封拱溫度。后期冷卻應(yīng)在封拱前1個(gè)月開(kāi)始，通水結(jié)束以壩體達(dá)到封拱溫度為準(zhǔn)。后期冷卻一般采用河水冷卻。

4.5 低溫季節(jié)保溫措施

（1)壩面和倉(cāng)面保溫。壩面保溫是為了有效防止氣溫驟降使壩體混凝土產(chǎn)生裂縫而采取的措施。如果氣溫驟降，壩體表層混凝土溫降梯度較大，易在混凝土表層先形成表層裂縫，后期極有可能發(fā)展延伸、逐步加大。當(dāng)遇氣溫驟降（日平均氣溫 2～3d連續(xù)下降超過(guò) 6℃)時(shí)，所有新澆混凝土需要采取適當(dāng)有效的表面保溫措施。表面保溫后的混凝土表面等效防熱系數(shù)β不大于2.43KJ/m2·h·℃。

（2)壩體孔洞和廊道保溫。考慮到壩體放空洞和廊道口等部位超冷現(xiàn)象和應(yīng)力集中，控制混凝土最高溫度比一般的基礎(chǔ)約束塊低（約3～4℃)。因此，需加強(qiáng)上述部位的表面保溫措施。工程上一般將聚苯乙烯泡沫塑料板貼在模板內(nèi)側(cè)進(jìn)行保溫。盡量在孔洞過(guò)水之前經(jīng)過(guò)中期冷卻，把混凝土溫度降到設(shè)計(jì)規(guī)定溫度，減少過(guò)水時(shí)的混凝土內(nèi)外溫差。

（3)控制混凝土拆模時(shí)間。大體積混凝土拆模時(shí)間除滿(mǎn)足混凝土拆模時(shí)需要的強(qiáng)度要求外，還需滿(mǎn)足溫度控制要求。在氣溫驟降時(shí)和寒冷氣溫條件下不能拆模。當(dāng)遇寒潮天氣或氣溫低于零攝氏度時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間約 2d，并應(yīng)盡量安排在白天氣溫較高時(shí)段進(jìn)行拆模。

4.6 下閘蓄水溫度

下閘蓄水時(shí)水溫過(guò)低會(huì)對(duì)壩體上游表面混凝土產(chǎn)生冷擊，使壩體上游面產(chǎn)生表面裂縫。故水庫(kù)在下閘蓄水時(shí)要求蓄水水溫不低于 10℃，水庫(kù)蓄水水位宜緩慢上升。

5 溫度控制效果分析

選取埋設(shè)于壩體內(nèi)部編號(hào)為 TA6、TAZ3兩只溫度計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。溫度計(jì)TA6埋設(shè)高程為 154.5m，該倉(cāng)碾壓混凝土在 3月底澆筑，未采取溫控措施，其溫度過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖 1。由圖 1可知，該倉(cāng)混凝土的入倉(cāng)溫度為 24℃，最高溫度為34℃，經(jīng)過(guò)12個(gè)月后混凝土自然冷卻至穩(wěn)定溫度場(chǎng)。溫度計(jì) TAZ3埋設(shè)高程為 160.5m。該倉(cāng)碾壓混凝土在5月中旬（次高溫季節(jié))澆筑，采取了地壟取料、遮陽(yáng)防曬、通水冷卻等溫控措施，其溫度過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖2。由圖2可知，混凝土入倉(cāng)溫度為22℃，最高溫度為36℃，經(jīng)過(guò)7個(gè)月后混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度場(chǎng)。通過(guò)對(duì)TA6、TAZ3的溫度過(guò)程線(xiàn)對(duì)比分析表明：（1)5月中旬（次高溫季節(jié))澆筑的混凝土入倉(cāng)溫度低于 3月底（低溫季節(jié))澆筑的混凝土入倉(cāng)溫度約2℃，說(shuō)明采取的溫控措施能有效地降低混凝土的澆筑初始溫度。（2)混凝土澆筑后及時(shí)進(jìn)行了初期冷卻，削峰效果明顯，降溫速度較快，混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度場(chǎng)的時(shí)間縮短了近5個(gè)月，有效地控制了混凝土內(nèi)部的最高溫度。

圖1 TA6溫度時(shí)序曲線(xiàn)變化圖

圖2 TAZ3溫度時(shí)序曲線(xiàn)變化圖

6 結(jié)語(yǔ)

（1)山口巖碾壓混凝土拱壩溫度控制措施經(jīng)濟(jì)合理，能夠有效控制壩體混凝土的最高溫度，滿(mǎn)足混凝土抗裂要求，對(duì)類(lèi)似工程具有一定參考借鑒作用。

（2)碾壓混凝土拱壩一般采用通倉(cāng)澆筑，溫度控制是保證工程質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵措施之一，應(yīng)引起高度重視。

1 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制[M]，北京：中國(guó)電力出版社，1998.

2 龔召熊主編.水工混凝土的溫控與防裂[M]，北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.