堆石混凝土壩澆筑倉施工期堆石溫度研究

李廣金

摘 要：堆石混凝土是一種新型的大體積混凝土技術(shù)，為掌握其內(nèi)部堆石的溫度變化規(guī)律，本文依托于茅坡水庫工程，對(duì)該工程的堆石混凝土中的堆石溫度進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，堆石的溫度與混凝土的溫度變化規(guī)律相似，但堆石溫度略低于混凝土溫度，從宏觀的角度來看，可以將堆石混凝土視為一種顆粒級(jí)配很大的混凝土材料，當(dāng)對(duì)堆石混凝土溫度進(jìn)行研究時(shí)，可以忽略堆石對(duì)溫度分布產(chǎn)生的非均勻性。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；堆石混凝土；堆石溫度；溫度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TV544 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）11-0125-03

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水利水電工程的重要性日益凸顯。在水利水電工程中，大體積混凝土占有極為重要的地位。而在大體積混凝土的使用過程中為降低混凝土膠凝材料用量，施工時(shí)往往使用較大粒徑的骨料，但由于常規(guī)混凝土施工過程需要拌和、振搗，大粒徑骨料難以直接投入使用。為解決這個(gè)難題，堆石混凝土（rock-filled concrete，簡(jiǎn)稱RFC）筑壩技術(shù)逐漸進(jìn)入人們視野。堆石混凝土技術(shù)是于2003年由清華大學(xué)金峰教授和安雪暉教授提出的，以自密實(shí)混凝土技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)[1]。

堆石混凝土筑壩技術(shù)的主要施工工序?yàn)椋菏紫葘⒘捷^大（通常大于30cm，最大可達(dá)1m）的塊石或卵石堆放至倉面從而形成有空隙的堆石體，必要時(shí)可碾壓密實(shí)；然后澆筑具有高流動(dòng)性、高抗離析性能的自密實(shí)混凝土，使其填充堆石體[2]。圖1為堆石混凝土的形成過程示意圖。

相比較于普通混凝土，堆石混凝土主要有以下優(yōu)點(diǎn)[3]：

（1）水泥使用量小，絕熱溫升數(shù)值低。（2）造價(jià)低，經(jīng)初步篩選的堆石占據(jù)堆石混凝土的大部分體積，堆石體的孔隙率一般約45%左右，即在堆石混凝土中自密實(shí)混凝土占總體積的45%。（3）施工速度快，質(zhì)量有保證。與常態(tài)混凝土壩建設(shè)工期相比，采用堆石混凝土筑壩技術(shù)可使工程更早獲得效益。（4）強(qiáng)度高、耐久性好。

堆石混凝土屬于新型的大體積混凝土，對(duì)于大體積混凝土，由于其溫度易升高，容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此對(duì)其溫度的研究一直是研究的熱點(diǎn)，堆石混凝土也不例外。從堆石混凝土技術(shù)出現(xiàn)以來，眾多學(xué)者對(duì)其溫度規(guī)律做了大量研究。

金峰、李樂等通過將自密實(shí)混凝土絕熱溫升物理試驗(yàn)與堆石混凝土絕熱溫升過程數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了堆石混凝土絕熱溫升性能，提出了堆石混凝土絕熱溫升的簡(jiǎn)便計(jì)算方法[4]。

金峰、潘定才等通過自密實(shí)混凝土與堆石混凝土絕熱溫升物理試驗(yàn)，進(jìn)行了堆石不發(fā)熱的假定，通過熱平衡方程計(jì)算，得到了堆石混凝土的絕熱溫升的簡(jiǎn)單計(jì)算可通過計(jì)算自密實(shí)混凝土絕熱溫升的結(jié)論。

堆石混凝土水化升溫低的主要原因是巨石能夠吸收一部分自密實(shí)混凝土硬化產(chǎn)生的水化熱，可以達(dá)到減少大體積混凝土水化熱的目的[5]。但是實(shí)際施工中，這些吸收了熱量的巨石的溫度變化規(guī)律并沒有被掌握。而且上面的研究有的沒有對(duì)堆石本身的溫度規(guī)律進(jìn)行研究，有的僅僅是做出了假設(shè)，這對(duì)于研究堆石混凝土是不夠的。本文中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)就是針對(duì)堆石的溫度進(jìn)行測(cè)量，并比較堆石和混凝土溫度變化，為進(jìn)一步研究堆石混凝土整體溫度變化規(guī)律打下基礎(chǔ)。

2 工程概況

本實(shí)驗(yàn)依托于遵義市茅坡水庫工程，遵義市茅坡水庫位于新蒲新區(qū)新舟鎮(zhèn)綠塘村境內(nèi)湘江二級(jí)支流、湄江一級(jí)支流洛安江中游河段，屬于長(zhǎng)江流域?yàn)踅怠?/p>

工程總體布置由水庫樞紐、輸水工程組成。水庫樞紐工程主要建筑物有大壩、壩頂溢流表孔、取放水建筑物。大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高43.0m，壩頂寬為10.0m，壩底最大厚度為39.9m；大壩壩頂中部設(shè)泄洪表孔，為開敞式設(shè)閘泄洪方式，堰頂高程818.00m，共3孔，孔寬6m，溢流凈寬18m，設(shè)3道6×8m（B×H）弧形工作鋼閘門，孔頂設(shè)交通橋連接大壩兩端；取水兼放空建筑物布置在大壩右壩段，采用壩式進(jìn)水口，進(jìn)口底板高程805.50m。輸水工程采用單管有壓重力式輸水至目標(biāo)地，輸水管道設(shè)計(jì)流量1.28m3/s，管長(zhǎng)約13.6km。

3 測(cè)量?jī)x器、測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量過程

3.1 測(cè)量?jī)x器

本實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量?jī)x器選擇XHS-DS18型溫度傳感器，這種型號(hào)傳感器可以對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量，具有精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)物圖參見圖2。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

本測(cè)試方案綜合考慮堆石混凝土大壩的對(duì)稱性、澆筑厚度以及施工澆筑順序，共設(shè)置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)按上、中、下三層布置，上層測(cè)點(diǎn)稱為1點(diǎn)，中層測(cè)點(diǎn)稱為2點(diǎn)，下層測(cè)點(diǎn)稱為3點(diǎn)，大壩每倉澆筑高度2m，所以1點(diǎn)距離澆筑倉面300mm，2點(diǎn)距離澆筑倉面1000mm，3點(diǎn)距離澆筑倉面1700mm，連續(xù)測(cè)量3倉（標(biāo)高823m-829m，每倉澆筑高度2m）堆石混凝土大壩。其中第1倉和第2倉測(cè)量溫度與應(yīng)變，其中，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上、下兩層布置一個(gè)溫度傳感器測(cè)量溫度，中層布置一個(gè)三向應(yīng)變計(jì)組測(cè)量應(yīng)變，并在每層選擇A、B、E三個(gè)點(diǎn)位巨石測(cè)量巨石溫度變化；考慮到對(duì)混凝土應(yīng)變測(cè)試值的修正，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)無應(yīng)力點(diǎn)。第3倉只測(cè)量溫度，分別布置在每個(gè)測(cè)點(diǎn)的上、中、下三層，同樣選取A、B、E三個(gè)點(diǎn)位測(cè)量堆石溫度變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖以及實(shí)際安裝圖詳見圖3-圖4。

3.3 測(cè)量過程

溫度的監(jiān)測(cè)思路為在混凝土澆筑后以及養(yǎng)護(hù)初期，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變變化較大，而后期變化則比較平緩，因此監(jiān)測(cè)頻率以前期高頻，后期低頻的原則進(jìn)行。

測(cè)量過程為先對(duì)澆筑起始時(shí)間及每個(gè)應(yīng)變傳感器埋設(shè)時(shí)間的溫度做好相關(guān)記錄，記下混凝土的入模溫度以及當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，混凝土整體澆筑之后，在混凝土水化升溫過程中每隔1h采集一次數(shù)據(jù)；在養(yǎng)護(hù)期間，及時(shí)做好相關(guān)施工日志的記錄，降低監(jiān)測(cè)頻率，按每2h測(cè)讀采集一次數(shù)據(jù)，具體的監(jiān)測(cè)周期以及頻率如表1所示。最后整理數(shù)據(jù)，匯總每天的數(shù)據(jù)，生成曲線并進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)掌握堆石的溫度分布規(guī)律。

4 數(shù)據(jù)處理和測(cè)量結(jié)果

4.1 測(cè)量數(shù)據(jù)處理

根據(jù)適用范圍，相關(guān)的計(jì)算以廠家提供的說明書里面的修正公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理修正。其中，最主要的修正以溫度修正為主，溫度修正的公式為：

（式4-1）

式中：

——i時(shí)刻的溫度，單位℃；

——選取的初始值的溫度，單位℃；

初始讀數(shù)與初始溫度的確定應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求選取，通常在埋入混凝土8-24小時(shí)之間確定。

4.2 測(cè)量結(jié)果

根據(jù)溫控得到的溫度數(shù)據(jù)，分別作出第二倉A、B、E點(diǎn)、第三倉A、B、E點(diǎn)的堆石溫度曲線與相應(yīng)點(diǎn)下層溫度曲線如圖5-圖10所示。

5 分析與結(jié)論

通過對(duì)各倉測(cè)點(diǎn)堆石的溫度-時(shí)間曲線的分析，可以得出：

（1）堆石的溫度上升相較于自密實(shí)混凝土是比較緩慢的，但是大致的發(fā)展趨勢(shì)和自密實(shí)混凝土是相似的，在澆筑后的初期是上升的，然后在各自的某一時(shí)刻達(dá)到最高點(diǎn)，之后再緩慢下降，直至溫度場(chǎng)基本達(dá)到穩(wěn)定；（2）對(duì)比第二倉A、B點(diǎn)堆石溫度曲線（圖5-圖6），堆石溫峰值低于相應(yīng)測(cè)點(diǎn)下層溫峰值，最高溫度的溫差在3℃左右，堆石的溫峰出現(xiàn)相較于自密實(shí)混凝土的溫峰晚了70h左右，之后再緩慢降低；A、B點(diǎn)的堆石溫度在上升階段溫度是低于自密實(shí)混凝土，但在下降階段是高于自密實(shí)混凝土，這是由于A、B點(diǎn)屬于上游點(diǎn)位，靠近邊界，散熱條件較好，自密實(shí)混凝土溫度下降速度快，堆石下降速率慢。第三倉A、B點(diǎn)堆石溫度也表現(xiàn)出類似的規(guī)律。（3）分析第二倉E點(diǎn)堆石溫度曲線（圖7），堆石溫峰值也低于相應(yīng)測(cè)點(diǎn)下層溫峰值，最高溫度的溫差在5℃左右，堆石的溫峰出現(xiàn)相較于自密實(shí)混凝土的溫峰晚了65h左右，之后再緩慢降低；堆石溫度在上升階段和下降階段均低于自密實(shí)混凝土溫度，這是由于E點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中部，散熱條件差，自密實(shí)混凝土長(zhǎng)期保持較高溫度，堆石屬于不發(fā)熱材料，熱傳導(dǎo)能力差，最后導(dǎo)致堆石溫度低于自密實(shí)混凝土溫度；堆石溫度變化曲線和自密實(shí)混凝土溫度曲線表現(xiàn)一直；第三倉E點(diǎn)堆石溫度也表現(xiàn)出類似的規(guī)律。

從以上分析和溫度變化曲線不難看出，堆石溫度和自密實(shí)混凝土溫度發(fā)展規(guī)律相似，溫度相近，堆石引起的溫度不均勻性可以忽略，在對(duì)堆石混凝土進(jìn)行溫度問題分析時(shí)，可以忽略堆石對(duì)堆石混凝土溫度產(chǎn)生的不均勻性影響。堆石混凝土在宏觀上可以看為顆粒級(jí)配很大的一種混凝土材料。

參考文獻(xiàn)

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