水管冷卻在碾壓混凝土大壩施工溫度控制中應(yīng)用

張耀華

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550000）

碾壓混凝土重力壩憑借施工速度快、成本小、技術(shù)要求低等優(yōu)點，在當(dāng)前水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。但由于壩體體積較大，混凝土材料產(chǎn)生的熱量會引起壩體內(nèi)部發(fā)育裂縫，對壩體防滲產(chǎn)生不良影響。為降低壩體內(nèi)部應(yīng)力場，采用水管冷卻技術(shù)成為目前最常用、效果最佳的方式之一。

1 工程概況

位于貴州省境內(nèi)某水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，平均壩高43.6m，壩頂長142m，壩頂寬6.0m，壩底寬38.2m，總庫容595萬m3。 主體混凝土碾壓量5.7萬m3，防滲和墊層1.38萬m3。 為防止壩體內(nèi)部產(chǎn)生較多裂縫，設(shè)計采用冷卻管技術(shù)對壩體主體施工進行溫度控制。

2 碾壓混凝土內(nèi)部應(yīng)力分析

2.1 溫度應(yīng)力分類

2.1.1 自生應(yīng)力

當(dāng)混凝土部件邊界無多余約束條件時 （靜定結(jié)構(gòu)），若其結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度呈線性分布，則不會產(chǎn)生溫度應(yīng)力；若內(nèi)部溫度呈非線性分布，會因為結(jié)構(gòu)本身相互約束而產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力叫作“自生應(yīng)力”。當(dāng)混凝土逐步冷卻時，因表面溫度低于內(nèi)部應(yīng)力，表面收縮量大于內(nèi)部，會表現(xiàn)為拉應(yīng)力，而內(nèi)部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，兩個應(yīng)力呈平衡狀態(tài)，如圖1［1］。

圖1 混凝土內(nèi)部自生應(yīng)力分布

2.1.2 約束應(yīng)力

當(dāng)混凝土部件結(jié)構(gòu)全部或部分邊界受到外界約束時（超靜定結(jié)構(gòu)），溫度變化時無法自由變形而導(dǎo)致的應(yīng)力叫作“約束應(yīng)力”。 當(dāng)壩體混凝土澆筑時會受到壩基和兩側(cè)山體的約束，此時就會產(chǎn)生約束應(yīng)力（如圖2）［2］。

圖2 混凝土內(nèi)部約束應(yīng)力分布

研究表明，在靜定結(jié)構(gòu)中，混凝土部件只產(chǎn)生自生應(yīng)力；但在超靜定結(jié)構(gòu)中，可能會同時存在自生應(yīng)力和約束應(yīng)力，且相互疊加。壩體混凝土結(jié)構(gòu)是典型的超靜定結(jié)構(gòu)，因此兩類溫度應(yīng)力相互作用是引起壩體內(nèi)部裂縫的主要原因。

2.2 碾壓混凝土材料熱力學(xué)參數(shù)

碾壓混凝土材料由水泥、骨料、水、外加劑等組成的復(fù)合材料，其中水泥存在水化熱現(xiàn)象。主要涉及的熱學(xué)性能參數(shù)包括：導(dǎo)溫系數(shù)a、導(dǎo)熱系數(shù)λ、比熱с、密度ρ。 關(guān)系式如式（1）［3］。

2.2.1 導(dǎo)溫系數(shù)a

主要受骨料參數(shù)影響，包括種類（石英巖＞白云巖＞石灰?guī)r＞花崗巖＞玄武巖）、用量、容重、溫度、含水量等，一般a與骨料溫度、含水量呈反比關(guān)系；與容重、用量呈正比關(guān)系。 a的值范圍在0.002～0.006m2/h。

2.2.2 導(dǎo)熱系數(shù)λ

主要受混凝土影響，與混凝土的容重、溫度、含水量等參數(shù)呈正比關(guān)系，λ取值范圍在8～13kj/（m·h·℃）。

2.2.3 比熱c

與周邊溫度有著較大關(guān)系，關(guān)系曲線如圖3：

圖3 比熱與溫度關(guān)系曲線

由圖3可知，比熱隨著溫度的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，當(dāng)溫度40 ℃時，溫度值最大［4］。

3 水管冷卻技術(shù)主要參數(shù)

混凝土熱力學(xué)參數(shù)受多種內(nèi)部因素影響，目前無法通過改善配料參數(shù)來控制混凝土內(nèi)部應(yīng)力，只能依靠人為措施進行控制，其中水管冷卻是當(dāng)前混凝土溫控防裂最有效的措施之一。

3.1 冷卻管布置形式

本項目冷卻管采用高強聚乙烯管，直徑32mm，管壁2mm。 結(jié)合其他工程經(jīng)驗，冷卻管在水平面設(shè)計采用“蛇形管圈”布置形式，在剖面圖上呈“梅花形”布置，如圖4，默認(rèn)每根冷卻管的影響范圍是一個正六邊形［5］。

圖4 冷卻管布置形式

3.2 冷卻管間距

冷卻管間距包括水平和垂直間距，設(shè)水平間距a，垂直間距b，在應(yīng)用時一般設(shè)計水平和垂直間距相同。結(jié)合其他工程經(jīng)驗，設(shè)計3組間距進行對比分析：1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m，其他條件均一致（澆筑溫度17 ℃，通水流量24m3/d），通過溫度傳感器數(shù)據(jù)繪出不同方案曲線，如圖5。

圖5 水管間距對碾壓混凝土內(nèi)部溫度影響

由圖5可知：

（1）在0～10d時間段內(nèi)，碾壓混凝土內(nèi)部溫度維持在17.5 ℃，但在12d左右集中直線大幅度上升，分別飆升至24，27，30 ℃左右.

（2）在12～17d時間內(nèi)，內(nèi)部溫度均出現(xiàn)了小幅度下降情況，但之后出現(xiàn)溫度回升。

（3）隨著時間增長，內(nèi)部溫度在逐漸降低，最終分別降至21，23，27 ℃。

根據(jù)溫度曲線分析，3 m×3m間距對溫度控制較差，剩余兩個間距方案整體溫差在4 ℃以內(nèi)，但對成本有著極大影響，因此綜合分析，本項目采用冷卻管最佳間距1.5m×1.5m。

3.3 冷卻管長度

冷卻管長度也是影響冷卻效果一個重要因素。根據(jù)工程經(jīng)驗，單根冷卻管越長，冷卻效果越差。 但是單根冷卻管越短，會增加材料、施工、供水系統(tǒng)等成本，因此必須兼顧冷卻效果和綜合成本［6］。 本項目冷卻管長度預(yù)選方案有200，250，300m，在其他條件一致前提下（澆筑溫度17 ℃，通水流量24m3/d），對3個方案通過溫度傳感器數(shù)據(jù)繪出曲線如圖6。

圖6 冷卻管長度對碾壓混凝土內(nèi)部溫度影響

由圖6可知：

（1）在0～10d時間段內(nèi)，碾壓混凝土內(nèi)部溫度維持在17.5 ℃，但在12d左右集中直線大幅度上升，均飆升至30 ℃左右。

（2）在12～17d時間內(nèi)，內(nèi)部溫度均出現(xiàn)了小幅度下降情況，但之后出現(xiàn)溫度回升，此時3個方案溫度相差較少。

（3）隨著時間增長，內(nèi)部溫度在逐漸降低，最終均降至26 ℃左右。

經(jīng)過觀察曲線趨勢綜合分析，整個過程3個方案效果基本相當(dāng)，但隨著時間增長，200m管方案的優(yōu)勢逐步顯著，因此本項目設(shè)計單根冷卻管長度200m。

3.4 冷卻管水溫和流量

（1）水溫直接影響管路的吸熱能力，其中水溫不得太低，因為過大溫差會使水管周邊混凝土產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，進而造成裂縫問題，一般要求冷卻水和混凝土材料之間溫差控制在20 ℃以下，本項目碾壓混凝土材料溫度在17 ℃左右，設(shè)計冷卻水水溫在5～10 ℃。

（2）冷卻管流量越大，冷卻效果越好，但循環(huán)水系統(tǒng)運行成本也越高，設(shè)計3 個預(yù)選方案：15，20，24m3/d，曲線圖形如圖7。

圖7 冷卻管流量對碾壓混凝土內(nèi)部溫度影響

由圖7可知：

（1）在0～10d時間段內(nèi)，碾壓混凝土內(nèi)部溫度維持在17.5 ℃，但在12d左右集中直線大幅度上升，均飆升至28 ℃左右。

（2）在12d時，溫度均出現(xiàn)顯著下降至26 ℃左右，三者溫度相差較小。

（3）12～30d，溫度又出現(xiàn)一個小幅回升，達(dá)到27 ℃左右。

（4）隨著時間增長，內(nèi)部溫度在逐漸降低，最終均降至23 ℃左右，其中15m3/d和24m3/d相差1 ℃。

經(jīng)過觀察曲線趨勢綜合分析，整個過程3個方案效果基本相當(dāng)，但隨著時間增長，24m3/d流量方案的優(yōu)勢逐步顯著，因此本項目設(shè)冷卻管流量24m3/d。

4 結(jié)語

（1）通過分析碾壓混凝土材料的熱力學(xué)參數(shù)，可知其內(nèi)部熱量是無法避免的，因此只能通過人為手段去將內(nèi)部熱量盡快散發(fā)。

（2）本項目通過利用冷卻管技術(shù)技術(shù)帶走碾壓混凝土內(nèi)部熱量，效果顯著，有效降低了內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生。但是水管冷卻技術(shù)若參數(shù)設(shè)計不合理，則會加劇裂縫的產(chǎn)生，給壩體防滲帶來很大問題。