某碾壓混凝土重力壩施工溫控措施研究

趙偉國(guó)

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

1 工程概況

某碾壓混凝土重力壩，壩頂總長(zhǎng)476.8m，壩頂高程777.60m，最大壩高101m，壩頂寬度為8.0m，共分23 個(gè)壩段。在正對(duì)下游河床部位布置溢流壩段，兩側(cè)布置非溢流壩段。左岸非溢流壩段壩頂長(zhǎng)261.0m，中間溢流壩段長(zhǎng)34.8m，右岸非溢流壩段壩頂長(zhǎng)181m。壩體上游面在高程730.0m 以上垂直以下為1:0.2 的斜面，壩下游面坡度為1:0.78。

大壩混凝土主要為碾壓混凝土和常態(tài)混凝土，混凝土為二級(jí)配和三級(jí)配兩種?；炷量偭考s65.2 萬(wàn)m3，其中大壩碾壓混凝土總量約53.1 萬(wàn)m3，常態(tài)混凝土5.6 萬(wàn)m3，變態(tài)混凝土6.5 萬(wàn)m3。

壩址地處北回歸線(xiàn)以南，為亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季溫和少雨，夏季多雨且伴有臺(tái)風(fēng)，氣溫較高。氣溫年變化與日變化均較小，濕度大，氣候條件對(duì)碾壓混凝土施工較為有利。

2 設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)和要求

（1）大壩混凝土基礎(chǔ)容許溫差，設(shè)計(jì)容許大壩混凝土基礎(chǔ)溫差如表1。

表1 大壩混凝土容許最高溫度控制表單位℃

（2）碾壓及常態(tài)混凝土的內(nèi)外溫差控制不超過(guò)16℃。

（3）在間歇時(shí)間超過(guò)28d 的老混凝土面上繼續(xù)澆筑時(shí)，老混凝土面上1/4L 范圍內(nèi)的新澆筑混凝土按新老混凝土溫差控制，溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為：碾壓混凝土不大于13℃，常態(tài)混凝土不大于15℃。

（4）在混凝土施工過(guò)程中，各壩塊應(yīng)均勻上升，除監(jiān)理人另有指示外，相鄰壩段高差不應(yīng)大于12m。

（5）壩體允許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

3 混凝土溫度控制計(jì)算

該碾壓混凝土大壩以C9010W2 F50 碾壓混凝土為主，其他標(biāo)號(hào)混凝土相對(duì)結(jié)構(gòu)單薄。故本次混凝土溫度控制以C9010W2 F50 碾壓混凝土為主，常態(tài)混凝土采用對(duì)應(yīng)時(shí)段碾壓混凝土溫度控制措施，可滿(mǎn)足相應(yīng)的溫控要求。

表2 壩段允許最高溫度表

3.1 混凝土溫度控制主要計(jì)算公式

（1）出機(jī)口溫度計(jì)算公式

混凝土出機(jī)口溫度根據(jù)熱平衡原理按下式計(jì)算：

式中，T0 為混凝土出機(jī)口溫度；Wi為每m3混凝土中各種原材料的重量（kg/m3）；Ci為混凝土各種原材料的比熱（kJ／kg·℃）；Ti為混凝土各種原材料的溫度（℃）：q 為每立方米混凝土拌和時(shí)的機(jī)械熱（kJ）；

（2）混凝土入倉(cāng)溫度計(jì)算方法

式中：TI 為混凝土入倉(cāng)溫度；T0為混凝土出機(jī)口溫度；Ta 為氣溫；R/β 為太陽(yáng)輻射熱引起的氣溫升高值，該值與緯度和澆筑月份有關(guān)；φ 為混凝土在運(yùn)輸裝料、卸料、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程中熱交換系數(shù)；∑Aiτi－為混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中的熱交換系數(shù)。τ 為運(yùn)輸時(shí)間（分）；A 值與混凝土運(yùn)輸工具和單車(chē)運(yùn)輸混凝土量有關(guān)。

（3）混凝土澆筑溫度計(jì)算方法

式中，Tp 為混凝土澆筑溫度；TI 為混凝土入倉(cāng)溫度；Ta 為氣溫；R/β 為太陽(yáng)輻射熱引起的氣溫升高值，該值與緯度和澆筑月份有關(guān)；φ1 為混凝土平倉(cāng)前的溫度回升系數(shù)；φ2 為混凝土平倉(cāng)以后、振搗至上坯混凝土覆蓋前的倉(cāng)面溫度回升系數(shù)，采用單向差分法計(jì)算混凝土澆筑過(guò)程中的溫度回升率。

（4）太陽(yáng)輻射熱計(jì)算公式

太陽(yáng)輻射熱溫升計(jì)算根據(jù)朱伯芳院士編著的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》中有關(guān)公式計(jì)算，多云或陰天太陽(yáng)輻射熱引起的氣溫升值為：

ΔTa=R/β

式中：ΔTa 為太陽(yáng)輻射熱溫升，該值與緯度和澆筑月份有關(guān)；β 為混凝土表面熱交換系數(shù)，值約為80kJ/m2·h·℃；R 為太陽(yáng)輻射熱被建筑物吸收的部分。

R=αsS

式中，αs 為吸收系數(shù)，混凝土表面取0.65；S 為太陽(yáng)輻射熱，考慮一定云量影響。

S=S0（1-Kn）

式中，S0 為晴天太陽(yáng)輻射熱；n 為平均云量，取0.4；K 為與緯度有關(guān)的系數(shù)，查緯度約為25.5 度，取K=0.68。

從地圖上查得壩址緯度約22.5 度，根據(jù)朱伯芳院士編著的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》中查得本工程5～8 月晴天太陽(yáng)輻射熱約1250 ～1360kJ/m2·h，代入上述各式計(jì)算可得：5 ～8 月白天少云天氣太陽(yáng)輻射熱引起的等效月平均氣溫溫升分別為7.35 ～8.10℃。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射熱對(duì)澆筑溫度的影響是非常顯著的。

（5）混凝土內(nèi)部初期最高溫度計(jì)算公式

施工期混凝土最高溫度計(jì)算，主要是根據(jù)實(shí)際施工條件核算大壩混凝土溫度，判別混凝土溫度是否控制在設(shè)計(jì)允許最高溫度范圍內(nèi)，為確定各種必要的溫控措施提供依據(jù)。本工程采用《水利水電工程施工手冊(cè)·混凝土工程》中提供的“實(shí)用計(jì)算法”進(jìn)行施工期混凝土最高溫度驗(yàn)算。由于熱傳導(dǎo)微分方程和邊界條件都是線(xiàn)型的，因此可以利用疊加原理，將澆筑塊的散熱過(guò)程分解為三個(gè)單元求和，計(jì)算公式如下：

式中，Tm為混凝土澆筑塊平均溫度，℃；TP為混凝土澆筑溫度，℃；Tτ為混凝土水化熱溫升，采用時(shí)差法計(jì)算，℃；F0為時(shí)差法計(jì)算時(shí)的參數(shù)，F(xiàn)0=aτ/l2；a 為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)；τ 為計(jì)算時(shí)間，d；l 為混凝土澆筑層厚度，強(qiáng)約束區(qū)按1.5m 計(jì)算，非約束區(qū)按3m 計(jì)算。

E1為新澆混凝土接受老混凝土固定熱源作用并向頂面散熱的殘留比，根據(jù)下式計(jì)算：

E2—新澆混凝土固定熱源向空氣和老混凝土傳熱的殘留比，根據(jù)下式計(jì)算：

TS—混凝土表面溫度，TS=Ta+ΔT（單位：℃）；

Ta—?dú)鉁兀▎挝唬骸妫?，取月平均氣溫?/p>

ΔT—混凝土表面溫度高于氣溫的差值，可近似取ΔT=2～5℃（混凝土標(biāo)號(hào)較低時(shí)取小值）；當(dāng)頂部覆蓋一層草袋或其它相當(dāng)?shù)谋夭牧蠒r(shí)，ΔT≈10℃；當(dāng)頂面流水養(yǎng)護(hù)時(shí)，TS=（Ta+Tw）/2。

3.2 混凝土絕熱溫升

參考《上水庫(kù)碾壓混凝土重力壩溫度控制研究專(zhuān)題報(bào)告》，對(duì)于壩體各分區(qū)混凝土采用復(fù)合指數(shù)公式擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)：

式中，T0－混凝土的最終溫升值，℃；τ 為齡期(d)；b為試驗(yàn)參數(shù)。

表2 絕熱溫升擬合公式參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算公式，碾壓混凝土絕熱溫升取21℃，結(jié)合投標(biāo)階段壩址處水文氣象條件、碾壓混凝土配合比及初設(shè)溫控報(bào)告相關(guān)資料，可估算本標(biāo)段碾壓混凝土在不同條件下各月內(nèi)部最高溫度，計(jì)算結(jié)果如下表所示。

4 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表面，河床壩段基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)冬季低溫季節(jié)能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)，基礎(chǔ)弱約束區(qū)11 月～次年2 月能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)外，其他月份均需采用必要的溫控措施以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控要求；非基礎(chǔ)約束區(qū)11 月～4 月可自然入倉(cāng)，5 月～10 月高溫季節(jié)溫度采用加冰加冷水拌和，必要時(shí)進(jìn)行初期通水削峰，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)合陽(yáng)蓄上庫(kù)施工進(jìn)度，2019 年11 月開(kāi)澆大壩強(qiáng)約束混凝土，2020 年3 月底大壩澆筑至716 高程，脫離了基礎(chǔ)弱約束區(qū)。即基礎(chǔ)約束區(qū)均在11 月～4 月上旬完成，采用加冰加冷水拌和，必要時(shí)采用15℃制冷水進(jìn)行初期削峰，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控要求。非約束區(qū)部位，5 ～9 月采取預(yù)冷或通水冷卻后，均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)容許的最高溫度要求。

表3 3m 澆筑層厚內(nèi)部碾壓C9010W2 F50 自然入倉(cāng)內(nèi)部最高溫度計(jì)算結(jié)果單位℃

對(duì)于大壩上游面防滲層混凝土，可通過(guò)適當(dāng)加密區(qū)間水管間距、加強(qiáng)初期通水冷卻來(lái)控制混凝土內(nèi)部最高溫度。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目具體的自然環(huán)境條件，運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行混凝土溫度計(jì)算，確保壩體混凝土澆筑能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，為大壩連續(xù)上升澆筑提供了合理的溫控措施，從而加快施工進(jìn)度、縮短施工工期、增加工程效益。