大垸泵站進(jìn)水流道底板混凝土溫控措施分析

敖躍飛，趙 寧，肖鵬舉

(1. 江西省鄱陽湖水利樞紐建設(shè)辦公室，江西 南昌 330009；2. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

混凝土施工期溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因在于內(nèi)外溫差、溫降速率以及結(jié)構(gòu)約束作用[1]。防止溫度裂縫產(chǎn)生的辦法是多方面的[1-4]，有保溫措施、通水冷卻、優(yōu)選混凝土配合比、進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等等。對于底板等薄層結(jié)構(gòu)，在冬季低溫季節(jié)澆筑，由于環(huán)境溫度很低，混凝土溫降很快，而又不便于在內(nèi)部埋設(shè)水管通水冷卻以降低混凝土內(nèi)部最高溫度，因此保溫就成為防止溫降過快的重要溫控手段之一[3]。本文以大垸泵站進(jìn)水流道底板為例，基于有限元分析原理，對底板混凝土溫度場和溫度應(yīng)力場進(jìn)行模擬計(jì)算，對比分析低溫季節(jié)不同保溫措施對底板溫控的影響，探討合理可行的保溫措施。

1 工程基本情況

大垸泵站安裝6臺混流式水泵機(jī)組，主廠房平面尺寸56.84 m×34.5 m(長×寬)。水泵轉(zhuǎn)輪中心高程16.00 m，低駝峰出水管道中心高程23.75 m。主機(jī)間從上至下共有5層，最上層為電機(jī)層，高程為32.40 m，第二層為風(fēng)道層，高程29.45 m，第三層為聯(lián)軸層，高程為26.25 m，第四層為水泵層，高程為14.90 m；第五層為流道層，底板厚1.5 m；進(jìn)口底板高程11.9～10.5 m，下游側(cè)底板高程10.8 m，作為泵房檢修集水之用。

主泵房地基上部為粘性土層，下部為粉細(xì)砂、中粗砂及砂卵(礫)石。建基面下的持力層為中高壓縮性土層，地基土層在上部荷載作用下，容易產(chǎn)生壓縮變形，因土層的分布變化大，易出現(xiàn)不均勻沉降等問題，采用鉆孔灌柱樁，樁徑為120 cm，主機(jī)間底板共布置165根，樁長27.1 m。

泵站地處江漢平原南部，漢江下游南岸，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.5℃，極端最低氣溫-14.2℃，極端最高氣溫39.3℃，一般1月最冷，7月最熱。泵站所在地當(dāng)?shù)囟嗄暝缕骄鶜鉁匾姳?。

表1 多年月平均氣溫 ℃

大垸泵站共有六個(gè)流道，在實(shí)際施工中，分為左中右三聯(lián)進(jìn)行澆筑，每兩個(gè)流道為一聯(lián)。底板層及進(jìn)水流道層澆筑分層示意圖如圖1所示，擬定的澆筑進(jìn)度如表2所示。

圖1 大垸泵站主泵房流道部分澆筑分層示意圖

表2 大垸泵站主泵房流道部分澆筑計(jì)劃表

2 模型及計(jì)算參數(shù)

本文選擇1號、2號機(jī)組(左聯(lián))進(jìn)行分析，地基沿泵房向外橫向取3.5 m，縱向取3.5 m，流道混凝土和地基主要采用空間八結(jié)點(diǎn)等參單元，對稱面施加對稱荷載，灌注樁為圓柱形，矩形布置。底板模型及邊墩部位特征點(diǎn)位置參見圖2及圖3。

計(jì)劃于一月份澆筑。由于底板各部分結(jié)構(gòu)尺寸差異很大，外界氣溫很低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于圖2、圖3中的B-B及C-C斷面所在部位是溫控防裂的重點(diǎn)。

圖2 底板模型及特征斷面位置示意圖

圖3 邊墩部位特征點(diǎn)位置示意圖(單位：m)

泵站混凝土力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 混凝土力學(xué)參數(shù)

大垸泵站混凝土的熱學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 大垸泵站流道混凝土熱學(xué)參數(shù)

冷卻水管采用PE管，管內(nèi)徑25 mm，壁厚3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為1.656 kJ/(m2·h·℃)。

相關(guān)規(guī)范未明確泵站混凝土溫度應(yīng)力最小抗裂安全系數(shù)的取值問題，參考混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL319-2018附錄E)規(guī)定[5]，對大壩可根據(jù)工程的重要性及開裂的危害性在1.5～1.8之間取值，考慮到泵站底板的重要性及本泵站屬Ⅱ等工程，允許抗裂安全系數(shù)取小值1.5。

為分析比較和突出重點(diǎn)，選擇如圖2和圖3 所示的3個(gè)斷面(A-A，B-B，C-C)，其中A-A斷面主要用來比較。每個(gè)斷面選擇邊墩部位離澆筑層表面不同高度的3個(gè)點(diǎn)(每個(gè)點(diǎn)離邊墩側(cè)面0.6 m)，A斷面3個(gè)點(diǎn)離表面的距離分別為0.57、1.12 m和1.64 m，B、C斷面3個(gè)點(diǎn)離表面的距離均分別為0.18、0.35 m和0.53 m。

3 不同保溫措施的混凝土溫度與溫度應(yīng)力分析

施工計(jì)劃擬定于1月9日澆筑。由于底板最薄處厚度0.8 m(見圖3)，不便于布置水管，經(jīng)參考類似工程經(jīng)驗(yàn)[3]和多方案比較，確定澆筑溫度17℃。由于元月份環(huán)境溫度很低，想辦法提高環(huán)境溫度與表面保溫就成為了優(yōu)先考慮的方案。擬定的保溫措施(方案)有：①前10 d搭保溫棚人工加熱，之后養(yǎng)護(hù)毯保溫；②單層保溫被保溫；③前10 d搭保溫棚，之后單層保溫被保溫；④前5 d搭保溫棚，之后單層保溫被保溫。養(yǎng)護(hù)毯保溫表面放熱系數(shù)20 kJ/(m2·h·℃)，單層保溫被保溫表面放熱系數(shù)7.2 kJ/(m2·h·℃)。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，搭設(shè)保溫棚人工升溫環(huán)境溫度可以提高5℃～8℃，本文按照提高5℃考慮。

上述4種保溫措施情況下，特征點(diǎn)最高溫度與最小抗裂安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)見表5，其中，A-A斷面與C-C斷面在單層保溫被情況下已經(jīng)滿足了抗裂要求，因此在保溫措施③～④情況下，只列出了B-B斷面特征點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)值。

表5 特征點(diǎn)最高溫度與最小抗裂安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.1 不同保溫措施對底板溫度的影響分析

由于底板各部分厚度差異較大，各部分的最高溫度差異也比較大。在前十天搭保溫棚，之后養(yǎng)護(hù)毯保溫情況下，A-A斷面(厚度1.5 m)最高溫度最高，表面點(diǎn)達(dá)35.82℃(1.5 d，出現(xiàn)時(shí)間，下同)，中間點(diǎn)達(dá)37.57℃(2.0 d)，而B-B斷面(厚度0.8 m)最高溫度表面點(diǎn)29.51℃(1.0 d)，中間點(diǎn)31.44℃(1.0 d)，C-C斷面(厚度0.8 m)最高溫度表面點(diǎn)29.42℃(1.0 d)，中間點(diǎn)31.58℃(1.0d)。A-A、B-B和C-C斷面表面點(diǎn)與中間點(diǎn)的溫差分別為1.75℃、1.93℃和2.16℃。

當(dāng)采用單層保溫被后，A-A斷面最高溫度表面點(diǎn)38.95℃(2.0 d)，中間點(diǎn)39.79℃(2.0 d)，而B-B

斷面最高溫度表面點(diǎn)32.81℃(1.5 d)，中間點(diǎn)33.36℃(1.5 d)，與方案①比較，其最高溫度分別提高了3.13℃(A-A表面點(diǎn))、2.22℃(A-A中間點(diǎn))、3.30℃(B-B表面點(diǎn))、1.92℃(B-B中間點(diǎn))。A-A、B-B和C-C斷面表面點(diǎn)與中間點(diǎn)的溫差分別減小為0.84℃，0.55℃和0.75℃，最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間推遲，因此由于溫差導(dǎo)致的相互約束必然減小。說明保溫被保溫具有明顯的作用。

限于篇幅，這里僅列出B-B斷面在方案①與方案②、方案③和方案④的早期溫度變化過程線，參見圖4～圖6。從圖4可以看出，在方案①情況下，當(dāng)停止保溫棚保溫措施后，特別是B-B斷面表面點(diǎn)及中間點(diǎn)，溫降速率明顯加大。而在采用保溫被保溫的情況下，B-B斷面各點(diǎn)雖然最高溫度增高了，但是溫降速率要小很多。

圖6 方案①與方案④早期溫度變化過程線

而在方案③和方案④的情況下，由于前期搭設(shè)保溫棚保溫，其最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間與最高溫度值與方案①的相同，不受影響。但是從圖5和圖6可以明顯看出，采取保溫被保溫后，混凝土的最低溫度明顯提高，最低溫度從方案①的9.69℃(18.5 d)提高到方案③的11.77℃(22.5 d)和方案④的11.76℃(22 d)。因此，前期搭設(shè)保溫棚+后期保溫被保溫方案，混凝土最高溫度低于直接采用保溫被保溫方案的值，同時(shí)后期最低溫度值也提高了，其出現(xiàn)時(shí)間推遲，因此，該方案具有控制最大溫差，從而控制混凝土溫降速率的雙重作用。

3.2 不同保溫措施對底板溫度應(yīng)力的影響分析

分析表5，溫控防裂的重點(diǎn)在B-B斷面的表面點(diǎn)，上述各方案情況下B-B斷面表面點(diǎn)溫度應(yīng)力過程線見圖7。

圖7 B-B斷面表面點(diǎn)溫度應(yīng)力過程線

下面結(jié)合表5及圖4～圖7，對各種情況下的溫度應(yīng)力及其抗裂安全系數(shù)進(jìn)行分析。

3.2.1 前10 d搭保溫棚+養(yǎng)護(hù)毯保溫

在方案①情況下，B-B斷面的表面點(diǎn)和中間點(diǎn)混凝土抗裂安全系數(shù)僅僅為1.16和1.38，對應(yīng)的拉應(yīng)力分別為2.00 MPa和1.70 MPa，分別出現(xiàn)在澆后的20.5 d與21.5 d(也就是元月底)。這是由于養(yǎng)護(hù)毯保溫效果比較差，混凝土溫降速率大所導(dǎo)致的。

與B-B斷面對應(yīng)的C-C斷面表面點(diǎn)和中間點(diǎn)混凝土抗裂安全系數(shù)為1.51和1.65，對應(yīng)的拉應(yīng)力分別為1.52 MPa和1.41 MPa，分別出現(xiàn)在澆后的19.5 d與20.5 d。分析這兩處差別的原因，就是B-B斷面處于底板厚度1.5 m突變到0.8 m的位置，B-B斷面受到1.5 m厚底板的約束作用更強(qiáng)。因?yàn)閺臏囟茸兓倪^程來看，A-A斷面相對于B-B斷面是溫升膨脹，B-B斷面則是溫降收縮，因而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大。另外，雖然B-B斷面的最高溫度及其出現(xiàn)時(shí)間與C-C斷面的一致，但C-C斷面處于斷面尺寸緩慢變化的部位，其周圍各點(diǎn)的溫升溫降基本同步，因此相互之間約束小，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力當(dāng)然要小了。

同時(shí)，分析比較B-B斷面與A-A斷面，雖然A-A斷面最高溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于B-B斷面最高溫度，但是由于A-A斷面所在部位體積較大，相對來說各個(gè)部分的溫降速率要明顯小于B-B斷面溫降速率，因此雖然其最小抗裂安全系數(shù)對應(yīng)的拉應(yīng)力為1.60 MPa，但出現(xiàn)的時(shí)間為澆后23 d(這時(shí)候混凝土對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度也提高了)，也明顯要遲于B-B斷面的20.5 d。因此，A-A斷面抗裂能力要顯著的強(qiáng)于B-B斷面抗裂能力。

因此，對于冬季低溫季節(jié)澆筑的很薄的底板，控制溫降速率，也就是保溫對防止早期溫度應(yīng)力過大就成了最重要的手段，特別是對于結(jié)構(gòu)尺寸差異很大的部位。

3.2.2 單層保溫被保溫

在此情況下，結(jié)構(gòu)很薄部位表面點(diǎn)和中間點(diǎn)抗裂安全系數(shù)有較大提高，B-B斷面最小抗裂安全系數(shù)從1.16和1.38提高到1.30和1.53，C-C斷面最小抗裂安全系數(shù)從1.51和1.65提高到1.71和1.86。而對于厚度為1.5 m的底板部位表面點(diǎn)和中間點(diǎn)抗裂安全系從1.49和1.51提高到1.60和1.68。這充分說明了加強(qiáng)表面保溫(保溫被保溫)對于減小低溫季節(jié)體積單薄的混凝土結(jié)構(gòu)溫降速率，從而控制溫度拉應(yīng)力具有顯著的作用。同時(shí)比較底板不同厚度也可以發(fā)現(xiàn)，表面保溫對于像B-B和C-C這樣的厚度很薄的結(jié)構(gòu)，效果更明顯。

3.2.3 搭設(shè)保溫棚+單層保溫被保溫

由于環(huán)境溫度低，單純采用保溫被保溫，混凝土表面點(diǎn)抗裂安全系數(shù)仍然不能滿足要求。通過搭設(shè)保溫棚再采用保溫被保溫，比直接采用單層保溫被保溫，混凝土抗裂安全系數(shù)有明顯的提高(方案③最小值1.45)，最小抗裂安全系數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間推遲。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，搭設(shè)保溫棚可以有效提高環(huán)境溫度5～8℃以上(本文是按照5℃計(jì)算的)，前10 d搭設(shè)保溫棚+后期單層保溫被保溫的方案是基本滿足溫控防裂要求的。

對于本工程，分析圖5和圖6，前5 d搭設(shè)保溫棚+后期保溫被保溫(方案④)，比前10 d搭設(shè)保溫棚+后期保溫被保溫，其溫度過程線與最低溫度及其出現(xiàn)時(shí)間沒有明顯差異，因此其溫度應(yīng)力及最小抗裂安全系數(shù)也無本質(zhì)的差異。不同的是前5 d搭設(shè)保溫棚方案，在到第10 d時(shí)，混凝土的溫度要稍高于前10 d一直搭設(shè)保溫棚保溫方案的溫度，也就是說保溫被的保溫效果好于搭設(shè)保溫棚的保溫效果，方案④的前期(10 d前)溫降速率小于方案③的溫降速率。但由于方案③和方案④的最低溫度基本一致，也就意味著方案④的后期溫降速率要大于方案③的溫降速率。由于混凝土后期的彈性模量要大于前期的彈性模量，導(dǎo)致方案④的最大拉應(yīng)力(1.71 MPa，25 d)要稍大于方案③的最大拉應(yīng)力(1.67 MPa，26 d)，因此方案④的最小抗裂安全系數(shù)(1.43)稍小于方案③的最小抗裂安全系數(shù)(1.45)。

因此，通過前期搭設(shè)保溫棚+后期保溫被保溫具有提高環(huán)境溫度，控制早期溫降速率，防止后期溫降過大，減小溫度拉應(yīng)力的作用，方案③也成為被推薦的施工保溫措施。

4 結(jié) 語

通過對大垸泵站底板混凝土冬季施工不同保溫措施的影響分析，有以下認(rèn)識和結(jié)論：

1)對于冬季施工的泵站進(jìn)水流道底板，由于其厚度比較薄，且各部位結(jié)構(gòu)尺寸差異較大，必須采取溫控措施，特別是保溫措施，防止出現(xiàn)溫度裂縫。

2)覆蓋保溫被保溫，能有效提高混凝土最低溫度，減小溫降速率，減小溫度拉應(yīng)力，防止出現(xiàn)早期溫度裂縫。搭設(shè)保溫棚(時(shí)間不宜少于1周，本工程是10 d)，提高環(huán)境溫度對于底板早期溫控防裂具有重要作用。搭設(shè)保溫棚+單層保溫被保溫的保溫措施對冬季施工的泵站進(jìn)水流道底板混凝土溫控防裂是可供選擇的方案。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量避免底板相鄰結(jié)構(gòu)尺寸差異過大。在施工的時(shí)間安排上也應(yīng)盡可能避開氣溫最低的時(shí)間。