嚴(yán)寒地區(qū)混凝土拱壩澆筑期間溫控措施及監(jiān)測方法

朱國建

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新彊 烏魯木齊 830000)

拱壩是受兩岸壩肩、基巖三面約束的高次超靜定混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，在壩體溫度變化過程中受外界的約束較強(qiáng)，容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。在施工過程中，混凝土拱壩受較大的基礎(chǔ)溫差作用可能會(huì)產(chǎn)生貫穿性裂縫，同時(shí)較大的內(nèi)外溫差也會(huì)導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生。而嚴(yán)寒地區(qū)年平均氣溫低，冬季寒冷、夏季炎熱，全年寒潮頻繁，導(dǎo)致混凝土拱壩承受的基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差、上下層溫差及運(yùn)行期非線性溫差都很大，防止裂縫的任務(wù)艱巨。因此，在拱壩施工過程中必須嚴(yán)格控制壩體的基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差，以防止危害性裂縫的產(chǎn)生[1-2]。

拱壩工期溫度控制始于20世紀(jì)30年代建設(shè)的美國胡佛拱壩，結(jié)合胡佛拱壩建設(shè)研究開發(fā)的預(yù)冷骨料、通水冷卻等溫控措施部分沿用至今[3]。國內(nèi)大崗山[4]、構(gòu)皮灘[5]、溪洛渡[6]等拱壩建設(shè)過程中，均采取了適應(yīng)工程需要的溫控措施。溫度監(jiān)測可以直觀反映大壩溫控效果，為工程施工、仿真分析提供數(shù)據(jù)支撐，尤其是在高低溫季節(jié)混凝土澆筑及溫度變化情況，可為大壩混凝土的溫度控制提供一定的經(jīng)驗(yàn)[7-8]。

為研究嚴(yán)寒地區(qū)混凝土拱壩澆筑期間溫度控制及溫控效果，本文以山口混凝土拱壩為例，結(jié)合工程特點(diǎn)提出了溫度控制措施，介紹了溫度監(jiān)測布置情況，根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對溫控效果進(jìn)行了分析，相關(guān)成果可為同類型工程溫控防裂提供參考。

1 工程概況

山口水電站水庫為峽谷型水庫，大壩為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，壩頂高程649.00m，建基面高程555.00m，最大壩高94.0m，拱冠梁底寬27.0m，厚高比0.287。壩身布置表孔和深孔組合泄洪，深孔兼有放空檢修電站進(jìn)水口的功能，表孔壩段布置在拱冠段，共布置三孔，每孔凈寬10m，放水深孔布置在其右側(cè)，一孔，凈寬6m，出口均采用挑流消能。

工程所在地氣候特征是：空氣干燥，春秋季短，冬季較長；夏季氣溫較高，冬季多嚴(yán)寒，氣溫日較差明顯，年較差懸殊。根據(jù)工程區(qū)所在地氣象站多年氣象資料統(tǒng)計(jì)：其多年平均氣溫為5℃；極端最高氣溫達(dá)39.4℃，極端最低氣溫達(dá)-41.2℃；工程所在河流冰情一般發(fā)生在11月上旬至次年4月中旬，并且冰蓋較厚，河水水溫在5—10月平均值為9.3℃，最高值為20.2℃。

2 施工期溫度控制

在山口壩址區(qū)，夏季炎熱、冬季嚴(yán)寒且持續(xù)時(shí)間長；晝夜溫差大且寒潮頻繁。本工程施工期為每年4—10月，11月進(jìn)入負(fù)溫期，直至次年3月，冬季月平均氣溫除11月(-3.3℃)和3月(-3.5℃)稍高外，12月至次年2月都在-13.3℃以下，冬季嚴(yán)寒持續(xù)時(shí)間長且風(fēng)大，不適合混凝土施工。夏季氣溫較高(6—8月平均氣溫在20℃以上)，混凝土降溫問題較為突出。這種嚴(yán)寒氣候條件和長間歇式的施工方式使其具有獨(dú)特的溫度應(yīng)力時(shí)空分布規(guī)律，大大增加了壩體混凝土溫控與防裂的難度。

必須采取一系列措施，才能在施工期和運(yùn)行期有效控制壩體混凝土的基礎(chǔ)溫差、上下層溫差和內(nèi)外溫差以及壩體混凝土的最高溫度，從而將壩體混凝土溫度應(yīng)力控制在允許范圍之內(nèi)，達(dá)到防止或較少產(chǎn)生混凝土裂縫的目的。為滿足混凝土防凍防裂要求，除繼續(xù)摻防凍劑外，采取多項(xiàng)溫控措施和溫控標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 控制混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度

為了防止早期混凝土受凍，寒冷季節(jié)施工時(shí)混凝土的澆筑溫度不得低于5℃。為了減小內(nèi)外溫差和基礎(chǔ)溫差，滿足防裂要求，澆筑溫度亦不得高于各部位混凝土的設(shè)計(jì)要求值。考慮到運(yùn)輸和澆筑過程中的熱量損失，出機(jī)口混凝土溫度控制在8～10℃。各部位各月混凝土澆筑溫度不應(yīng)超過表1的限值。

表1 混凝土澆筑溫度控制標(biāo)準(zhǔn) 單位：℃

2.2 基礎(chǔ)和冷壁(模板)預(yù)熱和臨時(shí)保溫

在澆筑混凝土以前，對與新混凝土接觸的基礎(chǔ)和邊界(鋼模板和老混凝土等)，應(yīng)用蒸汽(或熱風(fēng))清除所有的冰和霜凍。建議在白天氣溫較高的時(shí)間備倉，并將驗(yàn)收合格后的倉面用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進(jìn)行臨時(shí)覆蓋保溫，盡可能使基礎(chǔ)(老混凝土)溫度控制在5℃以上，澆筑混凝土?xí)r隨揭隨澆。

2.3 原材料加熱

當(dāng)氣溫不低于-1℃時(shí)，可只需將拌和水加熱，以滿足出機(jī)溫度的要求。水溫不超過60℃，以免水泥發(fā)生假凝。當(dāng)氣溫低于-1℃時(shí)，須將水與細(xì)骨料加熱，同時(shí)加熱粗骨料，使其中的冰雪融化。加熱砂石料時(shí)應(yīng)避免過熱和過分干燥，最高溫度不得超過75℃。

2.4 運(yùn)輸中的保溫

采用大型運(yùn)輸罐，運(yùn)輸罐外噴聚氨酯保溫層。纜機(jī)吊罐外噴10cm聚氨酯保溫層，頂部亦應(yīng)采取相應(yīng)保溫措施，避免混凝土運(yùn)送入倉過程中熱量損失過大。

2.5 澆筑過程中減少熱量損失

加快澆筑速度，縮短澆筑時(shí)間；已平倉振搗完畢的倉面立即用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進(jìn)行覆蓋保溫，其他工作面用2層2cm厚聚乙烯棉被覆蓋保溫。澆筑時(shí)間建議選在氣溫不低于-5℃的時(shí)間段內(nèi)。

2.6 保溫養(yǎng)護(hù)

新澆混凝土任何位置溫度不得降至零下。倉面在澆筑后立即采用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進(jìn)行臨時(shí)覆蓋保溫，一周后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行越冬倉面保溫。對于冬季拆除的模板外側(cè)全部(包括桁架)噴6cm厚聚氨酯進(jìn)行臨時(shí)保溫，冬季不拆除的模板噴10cm厚聚氨酯進(jìn)行越冬保溫。

2.7 水管冷卻

當(dāng)澆筑溫度在8～10℃時(shí)，按設(shè)計(jì)要求在澆筑混凝土前0.5h開始通水進(jìn)行冷卻，冷卻水溫不得低于4℃。當(dāng)澆筑溫度低于8℃時(shí)，在澆筑后12h開始通水冷卻，冷卻水溫不得低于4℃。混凝土一期冷卻通水時(shí)間一般不少于7d，實(shí)際通水時(shí)間視混凝土內(nèi)部溫度變化而定，當(dāng)混凝土溫度升至最高溫度后下降至18℃時(shí)可停止一期通水冷卻。當(dāng)澆筑溫度低于6℃時(shí)可取消一期冷卻，由于后期冷卻的需要，冷卻水管仍需按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋪設(shè)。

3 溫度監(jiān)測布置

溫度監(jiān)測包括壩體混凝土溫度、基礎(chǔ)溫度分布、表面溫度、庫水溫等監(jiān)測。常態(tài)混凝土壩的溫度變化對壩體應(yīng)力影響比較大，壩體溫度場監(jiān)測采用“三梁三拱”網(wǎng)狀控制，即選取560.00m、579.00m、605.00m、620.00m高程拱圈，三個(gè)主監(jiān)測斷面——主河床拱冠梁壩段、左岸岸坡壩段、右岸岸坡壩段進(jìn)行溫度監(jiān)測(見圖1)。

圖1 溫度監(jiān)測儀器布置圖

壩體表面溫度采用埋設(shè)在距壩體上下游表面5～10cm的壩體混凝土內(nèi)沿高程布置的溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，壩體內(nèi)部混凝土溫度采用網(wǎng)格布置溫度測點(diǎn)監(jiān)測，網(wǎng)格間距為8～15m。對于基巖溫度，則在溫度觀測斷面的基礎(chǔ)底部，靠上、下游設(shè)置深入基巖5～10m深的鉆孔，在孔內(nèi)不同的深度處設(shè)置測點(diǎn)布設(shè)溫度計(jì)，以監(jiān)測基礎(chǔ)溫度分布。

4 監(jiān)測成果分析

施工期溫度監(jiān)測成果表明：

a.根據(jù)澆筑期最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，主監(jiān)測壩段存在部分測點(diǎn)超標(biāo)現(xiàn)象，但整體超標(biāo)幅度不大，超出幅度大部分在5℃以內(nèi)，監(jiān)測到的最高溫度為31.1℃，出現(xiàn)在6號壩段的T1-17測點(diǎn)。

b.混凝土澆筑后進(jìn)行了通水冷卻，根據(jù)溫控要求“混凝土的日降溫速度控制在每天0.5～1.0℃范圍內(nèi)”，整體來看通水冷卻降溫速度控制較好，日降溫速度控制達(dá)標(biāo)率為91.7%，少數(shù)超標(biāo)的原因可能是因?yàn)橐黄诶鋮s水采用河水，其水溫?zé)o法控制。

c.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，拱壩混凝土澆筑后經(jīng)歷了一期冷卻、中期冷卻和后期冷卻。

從實(shí)測混凝土溫度來看，一期冷卻降溫速率滿足設(shè)計(jì)要求，中期冷卻后混凝土溫度均在18℃以下，也滿足設(shè)計(jì)要求。

施工期壩體典型溫度過程線見圖2～圖4。

圖2 6號壩段597.00m高程溫度過程線

圖3 9號壩段591.00m高程溫度過程線

圖4 13號壩段581.00m高程溫度過程線

d.強(qiáng)約束區(qū)典型混凝土溫度-時(shí)間過程線見圖5(測點(diǎn)T1-4位于6號壩段567.70m高程)。由圖5可以看出，混凝土溫度經(jīng)歷了五個(gè)階段：

圖5 強(qiáng)約束區(qū)典型混凝土溫度過程線

一期冷卻階段，混凝土澆筑后由于水化熱作用，溫度逐漸升高，達(dá)到最高溫度16.5℃，在冷卻作用下，溫度逐漸降低，至一冷結(jié)束，混凝土溫度為13.9℃。一冷期間混凝土平均降溫速度0.1℃/d，符合設(shè)計(jì)要求(1.0℃/d)；

一冷結(jié)束后，混凝土溫度開始回升，至中期冷卻開始前，達(dá)到最高溫度17.3℃，滿足設(shè)計(jì)允許最高溫度19℃要求；

中期冷卻階段，隨著冷卻的實(shí)施，混凝土溫度再次降低，至中期冷卻結(jié)束，混凝土溫度14.4℃，平均降溫速率小于0.1℃/d，符合設(shè)計(jì)要求；

中期冷卻結(jié)束后，隨著冬季來臨，外界環(huán)境溫度下降，混凝土溫度也繼續(xù)降低，至次年夏季，混凝土溫度又有緩慢回升；

后期冷卻階段，后期冷卻開始時(shí)混凝土溫度10.2℃，后期結(jié)束溫度5.7℃，平均降溫速率0.1℃/d，符合設(shè)計(jì)要求。后期冷卻結(jié)束后，實(shí)測封拱灌漿溫度5.7℃，符合設(shè)計(jì)要求的封拱灌漿溫度6℃要求。

e.將2013年12月20日(一期)和2014年4月20日(二期)各高程的平均溫度與設(shè)計(jì)封拱溫度進(jìn)行對比，得出：一期灌漿時(shí)封拱溫度偏高，部分超出設(shè)計(jì)封拱溫度，二期灌漿時(shí)因剛經(jīng)歷過一冬，封拱溫度較一期明顯降低，均滿足設(shè)計(jì)封拱溫度要求。

5 結(jié) 語

山口工程制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)與措施來進(jìn)行溫度控制，主要包括最高溫升控制標(biāo)準(zhǔn)、水管冷卻溫差標(biāo)準(zhǔn)、大壩越冬保護(hù)措施等，對混凝土的入倉溫度、最高溫度、日降溫速率等進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證大壩不出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。結(jié)合溫度監(jiān)測結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

a.壩體部分測點(diǎn)超過最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，但大部分測點(diǎn)超過幅度不大；通水冷卻日降溫速度除個(gè)別部位外，基本滿足控制標(biāo)準(zhǔn)；一期冷卻和中期冷卻均滿足設(shè)計(jì)要求；低于0℃的測點(diǎn)大部分出現(xiàn)在591.00m高程靠下游側(cè)，和氣溫的相關(guān)性較好。

b.一期灌漿時(shí)封拱溫度偏高，個(gè)別部位超出設(shè)計(jì)封拱溫度。二期灌漿時(shí)因剛經(jīng)歷過一冬，封拱溫度較一期明顯降低。均滿足設(shè)計(jì)封拱溫度要求。

c.溫度控制措施較為合理，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律總體符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，拱壩整體溫控效果較好。

d.因工程所處地域溫差大、氣候條件復(fù)雜，混凝土澆筑完成后，建議采用聚乙烯保溫被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保持水分；越冬面采用厚塑料膜+保溫被的方式保溫；在壩體上下游面采用聚氨酯進(jìn)行永久保溫。