混凝土重力壩溫控設(shè)計(jì)研究與優(yōu)化分析

朱文舉

(肇源縣水利工程指導(dǎo)中心，黑龍江 肇源 166500)

1 工程概述

某水利樞紐為黃河流域的梯級開發(fā)水利工程，主要建筑物包括碾壓式混凝土重力壩、壩身溢洪道、發(fā)電系統(tǒng)及船閘等，最大壩高65m，總庫容2.46億m3，調(diào)節(jié)庫容1.13億m3，正常蓄水位485m，樞紐混凝土為131.5萬m3，電站總裝機(jī)12.6萬kW，多年平均發(fā)電量3.24億kW·h[1]。工程區(qū)多年平均氣溫14.6℃，多年平均日照時(shí)數(shù)1707.7h，多年平均降水量803mm，多年平均蒸發(fā)量1078.5mm，多年平均風(fēng)速1.2m/s，最大凍土深度7cm[2]?；炷林亓谓Y(jié)構(gòu)示意及澆筑分層圖，見圖1。

圖1 混凝土重力壩結(jié)構(gòu)示意及澆筑分層圖

2 混凝土溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]

2.1 基礎(chǔ)溫差

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及基礎(chǔ)溫差要求，壩體混凝土基礎(chǔ)允許溫差，見表1。

表1 壩體混凝土基礎(chǔ)允許溫差 ℃

2.2 混凝土設(shè)計(jì)允許最高溫度

根據(jù)壩體各部位混凝土的允許基礎(chǔ)溫差、恒定溫度及澆筑最高溫度等控制，混凝土建筑塊設(shè)計(jì)允許最高溫度，見表2：

表2 澆筑塊設(shè)計(jì)允許最高溫度

2.3 混凝土表面保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：混凝土內(nèi)外溫差≤20℃，當(dāng)日平均氣溫持續(xù)下降6-8℃時(shí)，28d齡期內(nèi)混凝土表面需采取表面保護(hù)措施，保溫后等效放熱系數(shù)β≤2-3.0W/m2·℃[4]。中、后期混凝土溫控措施根據(jù)大壩澆筑部位和外界氣溫而定。

在舊混凝土(28d齡期)上澆筑新一倉混凝土?xí)r，在新舊混凝土0.2L高度區(qū)間內(nèi)的上下層溫差保持在16-18℃。若新澆混凝土無法保持連續(xù)澆筑，溫差范圍應(yīng)適當(dāng)嚴(yán)格。

2.4 填塘、陡坡混凝土的溫控要求

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)大壩的混凝土澆筑塊建基面高差>5m，該部分定義為填塘混凝土。混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)約束區(qū)的允許最高溫度，高溫季節(jié)適當(dāng)加嚴(yán)1-2℃，采取鋪設(shè)冷水管、噴灑水霧等降溫措施，待與相鄰高程面接近時(shí)且溫度與基巖溫度相近時(shí)可澆筑上層混凝土。

2.5 混凝土出機(jī)口溫度條件

高溫及次高溫時(shí)段(5-9月)出機(jī)口預(yù)冷混凝土溫度≤20℃，其他月份按自然溫度拌制供應(yīng)。

3 溫度控制條件及分析

3.1 溫度計(jì)算

綜合混凝土入倉與澆筑方式，充分考慮保溫與噴霧等措施后，以最不利組合方式計(jì)算混凝土入倉及澆筑溫度?；炷恋臐仓囟扔?jì)算公式為[5]：

Tj=T0+T0′

(1)

式中：T為j混凝土的澆筑溫度；T0為出機(jī)口溫度；T0′為溫度補(bǔ)償值，取值取決日平均氣溫。

經(jīng)計(jì)算，不同月份混凝土出機(jī)口及澆筑溫度匯總表，見表3：

表3 不同月份混凝土的出機(jī)口與澆筑溫度匯總表

3.2 混凝土最高溫度計(jì)算及成果分析

3.2.1 計(jì)算方法

混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算公式[6]：

Tmax=Ti+ζ·Tr

(1)

式中：Tmax為混凝土內(nèi)部最高溫度；ζ為取決于澆筑溫度、水化熱、結(jié)構(gòu)尺寸，ζ=0.60-0.72。

3.2.2 自然入倉計(jì)算成果

根據(jù)C20W8F150(常態(tài))28d絕熱溫升為27.56℃;、C20W6F100(碾壓)28d絕熱溫升為17.29℃?；炷两^熱溫升試驗(yàn)成果，見圖2：

圖2 工程常用混凝土絕熱溫升值試驗(yàn)成果曲線圖

結(jié)合實(shí)際分倉分層規(guī)劃當(dāng)層厚為1.5m以下時(shí)，ζ取0.6，當(dāng)層厚為3.0m以下時(shí)，ζ取0.72，計(jì)算自然澆筑條件下混凝土內(nèi)部最高溫度。自然入倉時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算成果表，見表4：

表4 自然入倉時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算成果表

大體積混凝土在5-10月控制出機(jī)口溫度為20℃情況下，控制機(jī)口溫度≤20℃后，混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算成果表，見表5：

表5 控制機(jī)口溫度≤20℃后，混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算成果表

通過計(jì)算分析，比較上表允許混凝土內(nèi)部最高溫度值，可見常態(tài)混凝土5-9月份層厚3m時(shí)超出允許內(nèi)部溫度34℃-39℃值，需要進(jìn)行通水削峰處理。

3.3 計(jì)算成果分析

根據(jù)上述成果可知，10月-次年4月份氣溫適中，混凝土自然入倉。5月-9月平均氣溫為24℃，混凝土需采取預(yù)冷措施，預(yù)冷混凝土出機(jī)口溫度≤20℃。根據(jù)混凝土允許最高溫度的控制標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果如下：

1)4-10月份強(qiáng)約束區(qū)碾壓混凝土5-9月層厚3m結(jié)構(gòu)混凝土，拌制時(shí)采用預(yù)冷，運(yùn)輸中采用苫蓋，澆筑時(shí)采用噴霧營造倉面小氣候降低澆筑溫度，澆筑后采用通冷卻水進(jìn)行削峰控制混凝土內(nèi)部溫度等綜合措施，保證混凝土最高溫升在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

2)12-2月澆筑的碾壓混凝土均采用倉面覆蓋保溫板的措施，來保證混凝土內(nèi)外溫差≤設(shè)計(jì)允許標(biāo)準(zhǔn)。

3)12-2月份澆筑脫離約束區(qū)的碾壓混凝土，采用苯板或保溫被等表面保溫措施即可。

4)11-3月澆筑的常態(tài)混凝土均采用覆蓋保溫板的措施，來保證混凝土內(nèi)外溫差不超過設(shè)計(jì)允許標(biāo)準(zhǔn)。

5)4-10月澆筑的常態(tài)混凝土需通水冷卻，以此降低混凝土最高溫度<設(shè)計(jì)允許值。冷卻水管采用高密聚乙烯類管材，直徑選取φ32mm，壁厚2mm。

6)冷卻水管埋設(shè)部位：左、右非壩段、底孔壩段、縱向圍堰壩段、泵站、電站等部位，>6m的墩、墻等部位。冷卻水管采用高密聚乙烯類管材，直徑宜為φ32mm，壁厚2mm。

4 混凝土主要溫控措施

壩址氣候夏季炎熱多雨，冬季較冷。主體混凝土施工范圍廣，溫控難度大。在施工過程中，需結(jié)合不同施工部位、不同施工時(shí)段，需采取預(yù)冷混凝土、通水冷卻、倉面噴霧保溫、養(yǎng)護(hù)及表面保護(hù)等一種或多種組合溫控措施。具體溫度控制措施如下：

1)高溫季節(jié)混凝土拌制、運(yùn)輸及入倉溫度控制中合理控制運(yùn)輸時(shí)間，減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)。運(yùn)輸時(shí)需采取隔熱、防曬等措施。當(dāng)外界氣溫> 22℃，車廂外側(cè)灑水降溫，控制混凝土澆筑溫度在 22℃以內(nèi)。

2)高溫時(shí)段澆筑施工時(shí)進(jìn)行倉面噴霧，控制霧滴直徑范圍在40-80μm，避免混凝土泛漿。

3)初期冷卻埋設(shè)冷卻水管，水文控制在10-12℃，高溫季節(jié)的基礎(chǔ)約束區(qū)加密水管水平間距1.0m，澆筑層厚度>2.0m的加設(shè)1層。

4)通過上述措施降溫后的混凝土最高溫度超過容許最高溫度時(shí)，及時(shí)進(jìn)行表面流水冷卻，一般在混凝土終凝后開始表面流水，流水時(shí)間持續(xù) 1-2d，溫度有效降低后可更換為灑水養(yǎng)護(hù)。

5)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，提高混凝土抗裂性能。在混凝土施工配合比和生產(chǎn)工藝試驗(yàn)中，降低單位水泥用量，減少混凝土水化熱溫升，延緩水化熱發(fā)散速率。

5 結(jié) 論

文章根據(jù)某混凝土重力壩壩址區(qū)水文地質(zhì)和水工混凝土溫控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，基于溫控理論計(jì)算混凝土澆筑的出機(jī)口溫度和澆筑溫度，分析得出不同月份混凝土入倉最佳溫度區(qū)間，結(jié)合內(nèi)部最高溫度提出高、低溫季節(jié)的溫控主要措施，結(jié)論對大體積混凝土澆筑溫控設(shè)計(jì)及措施研究提供一定的指導(dǎo)價(jià)值。