魚洞壩水庫拱壩混凝土溫度動態(tài)分析及溫度控制措施

李太軍 劉春蝶

【摘要】拱壩產(chǎn)生裂縫的主要因素是當(dāng)壩體混凝土內(nèi)部及內(nèi)外溫度不同，形成溫差進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)其超過了混凝土自身的抗拉應(yīng)力時導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。本文針對拱壩結(jié)構(gòu)特點及所處的地理氣候狀況，對壩體內(nèi)部溫度進(jìn)行動態(tài)了分析，以便根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的措施，從而控制混凝土拱壩裂縫的產(chǎn)生，保證壩體的整體性。

【關(guān)鍵詞】魚洞壩水庫；混凝土拱壩；溫度動態(tài)分析；溫度控制措施

1、概述

1.1 工程簡況

盤縣魚洞壩水利大壩樞紐工程位于貴州省六盤水市盤縣淤泥鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址位于珠江流域北盤江支流烏都河左岸一級支流淤泥河上，距縣政府所在地紅果鎮(zhèn)約66Km，距淤泥鄉(xiāng)約3Km，距雞場坪鄉(xiāng)約12Km。工程的主要任務(wù)是供水，并兼有農(nóng)田灌溉、旅游。魚洞壩水利工程包括水庫、工業(yè)基地輸水及灌溉工程三部分。水庫正常蓄水位1705.00m，總庫容2610萬m3，水庫工程規(guī)模屬中型，工程等別為Ⅲ等。

大壩壩型為雙曲C2820常態(tài)混凝土拱壩，拱壩中心線方位角為N53.714°E，建基面高程1651.50m，最大壩高57m，壩頂高程1708.50m，壩頂寬5m，壩底最大寬度14.0m，大壩厚高比0.246，頂拱中心角89°，壩軸線長145.72m，左岸1699.00～1705.50m高程設(shè)重力墩。

1.2 水文氣象

魚洞壩壩址以上集雨面積101Km2，主河道河長14.36Km，主河道平均坡降9.5‰。據(jù)流域附近的盤縣氣象站多年資料統(tǒng)計，多年平均年降水量1393mm（其中5～9月占79.6%），多年平均水面蒸發(fā)量1526.7mm，多年平均氣溫15.1℃，最熱月七月平均氣溫21.9℃，最冷月一月平均氣溫6.3℃，區(qū)內(nèi)氣候溫和，最高氣溫35.6℃，最低氣溫-7℃，全年無霜期約256天。多年平均風(fēng)速1.7m/s，多年平均最大風(fēng)速9.8m/s，實測最大風(fēng)速為21.0m/s。

2、混凝土溫度動態(tài)分析

2.1 拱壩的溫度特征

混凝土拱壩與重力壩除了在結(jié)構(gòu)、受力特點等方面不同外，其施工過程、溫控措施等也有明顯的差異，因此，拱壩的施工期溫度場至運行期溫度場經(jīng)歷了相當(dāng)復(fù)雜的過程。拱壩的溫度特性主要表現(xiàn)為：

（1）施工期拱壩的溫度變化過程：混凝土入倉，由于水化熱作用溫度迅速上升；施工期壩體混凝土的邊界條件動態(tài)變化，在新澆筑混凝土與已澆筑混凝土接觸區(qū)、二冷區(qū)與非二冷區(qū)接觸區(qū)等部位均有可能產(chǎn)生較大的溫度梯度。

（2）運行期的溫度變化：由于拱壩一般比較單薄，因此拱壩在運行期受氣溫和水溫影響敏感，壩內(nèi)溫度變化比較大。

2.2 混凝土溫控分區(qū)

拱壩的大體積混凝土分為以下2個區(qū)：1區(qū)（強約束區(qū)）混凝土是指距基巖0.2L以內(nèi)的混凝土，2區(qū)（一般約束區(qū)）混凝土是指距基巖（0.2～0.4）L范圍內(nèi)的混凝土（L為澆筑塊的長邊）。除1、2區(qū)混凝土以外的混凝土為非約束區(qū)混凝土。1區(qū)混凝土澆筑層最大允許厚度為1.5m，2區(qū)和非約束區(qū)混凝土澆筑層最大允許厚度為3.0m。

2.3 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）允許基礎(chǔ)溫差。控制基礎(chǔ)溫差是防止大壩發(fā)生裂縫的主要手段，根據(jù)對大壩的實驗室模擬計算分析，并考慮水庫所在地區(qū)的氣候環(huán)境及相關(guān)規(guī)范要求、工程經(jīng)驗等，大壩混凝土允許基礎(chǔ)溫差限值控制見表 1。2區(qū)（弱約束區(qū)）在此基礎(chǔ)上提高 1℃～3℃控制。

注：L為澆筑塊長邊尺寸，混凝土為C2820，單位：℃

（2）壩體內(nèi)部允許最高溫度值。壩體內(nèi)部混凝土允許最高溫度限值隨外部環(huán)境溫度變化而變化，溢流壩段與非溢流壩段最高溫度限值也有所不同。

（3）上下層溫差控制范圍。為了防止壩體出現(xiàn)貫穿裂縫，下部混凝土澆筑超過 28d 的，在其上連續(xù)澆筑時，新老混凝土界面各自壩塊長度的 0.25倍的高度范圍內(nèi)，其上下層溫差按 15℃～20℃控制。

3、混凝土溫度控制措施

根據(jù)工程施工條件，結(jié)合拱壩混凝土施工特點，當(dāng)?shù)貧夂驐l件氣候溫和。為確保大壩混凝土順利施工，預(yù)防大壩混凝土產(chǎn)生裂縫，確保水庫大壩安全。對夏季高溫季節(jié)對混凝土拱壩采取骨料遮擋、制冷機(jī)制冷水拌合、倉面采取噴霧冷卻等措施，對冬季低溫季節(jié)采取加防凍劑防凍措施，對大壩采取分層分段跳倉澆筑，分層厚度為2.0米，基礎(chǔ)部分分層厚度為1.0米，用以混凝土拱壩溫度控制。具體混凝土溫控措施如下。

3.1 降低混凝土入倉溫度

外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高，混凝土溫度高將加速水泥的水化反應(yīng)，混凝土達(dá)到最高溫度的時間縮短，因而減少了可利用的散熱時間，不利于降低混凝土的最高溫度和減小溫差。一般情況下，混凝土的澆筑溫度不宜大于28℃。

混凝土原材料中的水泥一般難以采用降溫措施。拌合用水可采用制冷水，砂石用量占混凝土的權(quán)重最大，常采用凈料堆存高度不低于6m的措施，以使砂、石溫度趨近或略高于旬平均氣溫。由于預(yù)冷砂的技術(shù)較復(fù)雜，因此常用的最有效的措施是預(yù)冷粗骨料。一般情況下，石子溫度下降1℃，可使混凝土出機(jī)口溫度下降0.6℃左右。加冰拌合也為常用的有效措施，一般情況下，每立方米混凝土加10kg冰，可使出機(jī)口溫度下降1℃左右。根據(jù)三峽的經(jīng)驗，當(dāng)出機(jī)口溫度為10℃左右時，入倉溫度可控制在7℃以內(nèi)，即混凝土從拌合樓到倉面的溫升值可控制在5℃。

魚洞壩水庫工程通過骨料遮擋、制冷機(jī)制冷水拌合等方法，降低混凝土的出機(jī)口溫度，將拌和站布置在大壩右岸壩頂上游20米處，盡可能縮短運輸距離，從而降低混凝土入倉溫度。

同時，夏季在環(huán)境氣溫較低的晚上、早晨澆筑混凝土，盡量避開高溫時段施工。

3.2 倉面保溫

澆筑混凝土?xí)r，如果只降低入倉溫度，由于外部熱量回灌，可能會影響最高溫度降低的效果。低溫入倉在澆筑早期氣溫高于混凝土溫度，因此熱量回灌，抵消了預(yù)冷骨料、加冷水等措施的效果。因此采取適當(dāng)?shù)膫}面保溫措施。

夏季澆筑混凝土采用倉面噴霧的方法降低倉面環(huán)境溫度。通過直管式噴霧器等設(shè)備在混凝土澆筑后，將低溫水霧化噴灑在倉面，形成一個小的被低溫水霧籠罩的小環(huán)境，使倉面混凝土在澆筑過程中減少陽光直射強度，降低倉面環(huán)境溫度，對減少混凝土在澆筑振搗過程中溫度回升有較好效果。

噴霧除可使倉面溫度降低從而達(dá)到降低混凝土溫度的目的外，還可以通過表面水分蒸發(fā)的方式，加大混凝土表面的散熱量。

3.3 表面保護(hù)

在適度控制溫度的條件下，混凝土拱壩仍可能發(fā)生一些裂縫，但絕大多數(shù)為表面性的。即使出現(xiàn)個別深層或基礎(chǔ)貫穿裂縫，也基本是由表面裂縫發(fā)展形成的。引起這些裂縫的原因主要是氣溫驟降，因此對壩體進(jìn)行抵抗氣溫驟降的保護(hù)，是混凝土大壩溫控中不可缺少的一部分。

拱壩暴露面大，應(yīng)根據(jù)設(shè)計表面保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。重視基礎(chǔ)約束區(qū)、倉面、上下游表面及其他重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)。尤其應(yīng)重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前，還必須加以維護(hù)以及保護(hù)，以防損壞。澆筑塊的棱角和突出部分應(yīng)加強保護(hù)。

當(dāng)日平均氣溫在2～4d內(nèi)連續(xù)下降超過（含等于）6℃時，28d齡期內(nèi)混凝土表面必須進(jìn)行表面保溫保護(hù)。低溫季節(jié)如拆模后混凝土表面溫降可能超過6～9℃以及氣溫驟降期，應(yīng)推遲拆模時間，否則須在拆模后立即采取其他表面保護(hù)措施，當(dāng)氣溫降到冰點以下，齡期短于7d的混凝土應(yīng)覆蓋保溫材料作為臨時保溫層。

3.4 表面保濕

如果不能保持混凝土表面濕潤或防止水分蒸發(fā)，那么最終會發(fā)生表面干操，產(chǎn)生干縮應(yīng)變，從而產(chǎn)生干縮應(yīng)力。防止混凝土開裂的一個重要原則是盡可能使新澆筑混凝土少失水分?；炷帘砻娓稍锘蛩终舭l(fā)過快時，可能產(chǎn)生干縮應(yīng)力，引起表面混凝土開裂且裂縫會向內(nèi)伸展。因此，盡量長時間地保持混凝土表面濕潤，讓其表面慢慢干燥，使混凝土能夠增長強度以抵抗拉應(yīng)力。主要有蓄水養(yǎng)護(hù)和覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)兩種方式，養(yǎng)護(hù)時間一般不少于4d。表面流水養(yǎng)護(hù)也是降低混凝土最高溫度的有效措施之一，采用表面流水養(yǎng)護(hù)可使混凝土早期最高溫度降低1.5℃左右。

4、溫控措施實施效果

魚洞壩水庫大壩于2011年1月2日開始填筑壩體，2011年4月30日達(dá)到度汛目標(biāo)1666.0m高程，2011年10月18日完成溢流面1700.0m以下壩體混凝土填筑，2012年5月30日大壩正式封頂。壩體填筑過程中，分別在不同高程布置溫度計用于監(jiān)測壩體溫度。具體位置、溫度計數(shù)量和監(jiān)測結(jié)果如表2。

1）溫度監(jiān)測

通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的溫度監(jiān)測資料表明：砼澆筑后在2～15天達(dá)到最高溫度，溫差值在9.5℃～18℃之間，然后開始緩慢下降。溫度表現(xiàn)為中部溫度高于底部和上部溫度，拱圈中心溫度高于上下游壩面溫度，內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求。

2）位移觀測

通過一年多的施工期和二年多的運行期對大壩的位移監(jiān)測資料表明：水平位移觀測、垂直位移觀測、壩基滲流、滲壓、基巖變位計實測結(jié)果滿足規(guī)范要求，表明壩體是穩(wěn)定安全的。

5、結(jié)論

魚洞壩水庫大壩工程通過拌合系統(tǒng)混凝土澆筑前溫度控制，混凝土澆筑過程溫度控制，混凝土澆筑后溫度控制等措施，可以有效地防止混凝土內(nèi)外溫差過大而在溫度應(yīng)力的作用下發(fā)生裂縫。通過對大壩內(nèi)外部溫度進(jìn)行監(jiān)測，內(nèi)外溫差滿足規(guī)范要求，大壩至今沒有出現(xiàn)裂縫，順利通過大壩蓄水安全鑒定，通過完工驗收，蓄水一年多來，運行正常。該溫控措施對其他類似工程有一定的借鑒。

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作者簡介： 李太軍（1972-），男（土家族），貴州省印江縣人，高級工程師，項目總監(jiān)，工程碩士，從事水利水電工程施工監(jiān)理工作。