碾盤山水利樞紐泄水閘混凝土工程溫度控制分析

李新源

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司第二工程公司碾盤山水利水電樞紐泄水閘工程項目，湖北省武漢市武昌區(qū)民主路260號 430060)

1 基本資料

1.1 項目概況

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游，距丹江口壩址261km，距雅口航運(yùn)樞紐58km，距鐘祥市區(qū)10km，距興隆水利水電樞紐117km，是漢江中下游規(guī)劃開發(fā)梯級中的倒數(shù)第二級。該水利水電樞紐以航運(yùn)、發(fā)電為主，并兼顧供水、灌溉功能，且為引江濟(jì)漢工程運(yùn)行創(chuàng)造良性條件[1]。

碾盤山水利水電樞紐軸線總長度1200m,建筑物自右至左依次布置船閘、連接混凝土重力壩(含魚道)、電站廠房、泄水閘、左岸連接土石壩段。布置形式為一線式。

碾盤山水利水電樞紐工程泄水閘閘室建筑物級別為1級建筑物，主要建筑物和工程的合理使用年限均為100年，次要建筑物合理使用年限50年。泄水閘混凝土閘墩、底板環(huán)境類別分別為三類、二類。

泄水閘壩段布置在河床中部，其左側(cè)為土壩，右側(cè)為發(fā)電廠房，壩段總長457.2m，包括泄水閘及左岸翼墻。泄水閘共24孔，采用2孔一聯(lián)，閘孔凈寬13m，順?biāo)鞣较蜷L45m，兩聯(lián)總寬35.6m，其中閘墩厚3.2m，底板厚3.2m，水閘最大高度29.68m。泄水閘垂直河流總長427.2m，兩孔一聯(lián)閘底板面積1602m2。

1.2 水文氣象

長江中下游最大支流漢江，干流全長1577km，流域集水面積約15.9萬km2，于武漢市龍王廟匯入長江。下距皇莊水文站8.13km，集水面積14.03萬km2。漢江流域?qū)贃|亞副熱帶季風(fēng)氣候，受西太平洋副熱帶高壓影響夏季高溫多雨，受歐亞大陸冷高壓影響冬季寒冷，具有明顯季節(jié)性氣候特征[2]。

根據(jù)碾盤山壩址附近鐘祥氣象臺1951～2016年觀測資料統(tǒng)計，多年平均氣溫為16.3℃，月平均最高氣溫發(fā)生在7月，為27.9℃；1月平均最低氣溫3.39℃，1961年6月22日發(fā)生極端最高氣溫為39.7℃，1977年1月30日發(fā)生極端最低氣溫為-15.3℃。

查閱1950年～2016年共67年水文統(tǒng)計資料，顯示湖北碾盤山水利水電樞紐所在壩址多年平均降水量為950mm，其中，2012年降水量為歷年最小值，537mm,1980年降水量為歷年最大值，1471mm。5～8月春夏兩季，壩址處降水較集中，其降水量占年降水的58.3%。

碾盤山水利水電樞紐流域四季洪水具有季節(jié)性特點(diǎn)，洪水時空與暴雨時空基本一致，暴雨主要產(chǎn)生洪水災(zāi)害。漢江流城多年平均降水量為700mm～1000mm，5～10月降水占全年的70～80%，7～9月占年降水量的40～60%，漢江流域暴雨多發(fā)生于7～9月，個別年份暴雨推遲于10月上旬；4～6月份暴雨較少。日降水量大于100mm以上的大暴雨多發(fā)生于7～9月份[3]。

2 混凝土溫度計算

2.1 計算數(shù)據(jù)

碾盤山水利樞紐工程泄水閘閘室底板、閘墩及左岸空箱擋土墻，采用C30三級配常態(tài)混凝土，每立方米原材料用量為：水泥205kg、水105kg、砂523kg、卵石1487kg、外加劑6.9kg、粉煤灰51kg。參照《水利水電工程施工手冊》計算[4]。

2.2 最大絕熱溫升

最大絕熱溫升計算公式為

Th=(mc+K·F)Q/c·ρ

(1)

式中，Th為混凝土最大絕熱溫升，℃；mc為混凝土中水泥(包括外加劑)用量，kg/m3，取值211.9；F為混凝土活性摻和料用量，kg/m3，取值51；K為摻和料折減系數(shù)。粉煤灰取0.25～0.30，Ⅱ級粉煤灰取0.30；Q為水泥28d水化熱，kJ/kg，取值42.5，普通硅酸鹽375kJ/kg；c為混凝土比熱，kJ/(kg·K)，取值0.963；ρ為混凝土密度，計算得2378kg/m3。

Th計算結(jié)果為37.2℃，即泄水閘混凝土最大絕熱溫升為37.2℃。[5]

2.3 混凝土中心溫度

混凝土中心溫度計算公式為

TZ(t)=Tj+Th·ε(t)

(2)

式中,TZ(t)為t齡期混凝土中心溫度，℃；Tj為混凝土澆筑溫度，℃，本工程6月～8月氣溫最高，按經(jīng)過溫控措施后設(shè)計允許最大澆筑溫度考慮，取26℃；Th為混凝土最大絕熱溫升，℃，取37.2℃；ε(t)為t齡期降溫系數(shù)，閘室底板澆筑層厚為1.5m，取值0.49；閘墩澆筑層厚為3.0m，取值0.68。

閘室底板混凝土澆筑溫度計算結(jié)果為44.2℃。

閘墩混凝土澆筑溫度計算結(jié)果為51.3℃。

計算結(jié)果顯示,混凝土入模澆筑溫度在26℃左右，施工過程中閘室底板混凝土內(nèi)部最高溫度44.2℃左右，大于底板設(shè)計允許最高溫度35.0℃；閘墩混凝土內(nèi)部最高溫度51.3℃，大于閘墩設(shè)計允許最高溫度44.0℃，需采取倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管溫控措施。

2.4 混凝土表面溫度

混凝土表面以下50～100mm處溫度計算公式為

TB(t)=Tq+4h'(H-h')[TZ(t)-Tq]/H2

(3)

式中，TB(t)為混凝土表面溫度，℃；Tq為施工期大氣平均溫度，℃，按多年平均16.3℃；h'為混凝土虛厚度，m，h'=k·λ/β=2/3×2.33/1.41≈1.1；H為混凝土計算厚度，m，H=h+2h'=1.5+2×1.1=3.7；h為混凝土實際厚度，m。

則閘室底板混凝土表面溫度計算結(jié)果為39.6℃。

混凝土中心溫度和表面溫度差為4.6℃，小于20℃，滿足設(shè)計內(nèi)外溫差控制不超過20℃的要求。

大體積混凝土采用保溫覆蓋措施，下層鋪設(shè)密封塑料薄膜、上層鋪設(shè)雙層保溫麻袋并澆水養(yǎng)護(hù)。根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用增加覆蓋物層數(shù)方法來動態(tài)降低內(nèi)外溫差超過20℃的趨勢，保證內(nèi)外溫差滿足設(shè)計要求[5]。

2.5 混凝土表層保溫材料厚度

保溫材料厚度采用公式為

δ=0.5h·λx·Kb(T2-Tq)/[λ(Tmax-T2)]

(4)

式中，δ為保溫材料的厚度，m；h為混凝土厚度，m；λx為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，采用麻袋，λx=0.09W/m·K；Kb為傳熱系數(shù)修正值，考慮大風(fēng)情況，保溫材料上下各鋪設(shè)一層不透風(fēng)材料，取1.4；T2為混凝土表面溫度(表面下50～100mm處)(34.9℃)；Tq為大氣平均最高溫度，℃，施工期為夏季，取Tq=30.5℃；λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)，取λ=2.33W/m·K；Tmax為計算混凝土最高溫度，Tmax=44.2℃。

計算為40mm。

3 混凝土測溫及監(jiān)控

泄水閘大體積混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)時，需對混凝土表面溫度和內(nèi)部中心溫度進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)控制措施保證混凝土澆筑溫度要求[6]。當(dāng)混凝土內(nèi)、外溫度差值超過20℃時，應(yīng)緊急增加覆蓋一層土工布，控制內(nèi)外溫差，增加制冷水循環(huán)。在泄水閘混凝土內(nèi)部溫度峰值來臨前期每2h測一次溫度；泄水閘混凝土內(nèi)部溫度峰值來臨后，每4h測一次溫度，后期6～8h測一次溫度，并同時量測記錄氣溫，所有測溫點(diǎn)編號，表面溫度和內(nèi)部不同深度測量，測溫數(shù)據(jù)記錄，交技術(shù)負(fù)責(zé)人簽字[7]。

施工期對混凝土溫度控制過程進(jìn)行監(jiān)測，確保溫度監(jiān)測原始記錄完整有效，泄水閘混凝土溫度監(jiān)測包括:原材料溫度、混凝土出機(jī)口溫度，入倉溫度、澆筑溫度、混凝土內(nèi)部溫度、外界氣溫、澆筑倉編號、冷卻水管進(jìn)出口水溫、水壓、流量等主要內(nèi)容，混凝土內(nèi)外溫差不大于20℃為重點(diǎn)控制項，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取措施動態(tài)調(diào)整。

3.1 原材料溫度監(jiān)測

水泥、摻合料、骨料，水和外加劑等原材料的溫度應(yīng)至少每4h測量一次。

3.2 混凝土溫度監(jiān)測

(1)出機(jī)口溫度：出機(jī)口混凝土溫度要求每4h測量一次數(shù)據(jù)，并記錄混凝土溫度值。

(2)入倉溫度：混凝土入倉后平倉前，測量深5～10cm處的入倉溫度，入倉溫度每4h測量一次，并記錄混凝土溫度數(shù)據(jù)。

(3)澆筑溫度：混凝土經(jīng)平倉、振搗或碾壓后、覆蓋上層混凝土前，測量本層混凝土面以下5～10cm處的澆筑溫度[8]。

(4)內(nèi)部混凝土溫度：泄水閘混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測采用后埋式溫度計監(jiān)測的方法，即在剛振搗完成的倉面上開槽埋設(shè)，開槽深度約25cm，回填混凝土為原配合比混凝土并搗實，每2～3個澆筑層布置1個測溫點(diǎn)。溫度計埋設(shè)工作與混凝土施工之間進(jìn)行配合與協(xié)調(diào)。溫度計埋設(shè)后每隔4h觀測1次，直至混凝土達(dá)到最高溫度以后每天觀測1次，直至單孔泄水閘澆筑完成后1個月，之后每月觀測1～2次。

3.3 通水冷卻監(jiān)測

(1)每倉混凝土中選擇1根-3根冷卻水管進(jìn)行進(jìn)出口水溫、流量、壓力的測量，并記錄各期通水開始時間、結(jié)束時間。水溫、流量、壓力宜每6～12h測量一次。

(2)初期通水冷卻結(jié)束時，宜采用水管悶水測溫方法監(jiān)測混凝土溫度，悶水時間采用5～7d，并記錄悶水開始日期、結(jié)束日期及測溫結(jié)果。

3.4 澆筑倉氣溫及保溫層溫度監(jiān)測

(1)混凝土施工過程中，測量倉內(nèi)中心點(diǎn)附近距離混凝土表面高度1.5m處的氣溫，并同時測量倉外氣溫。

(2)混凝土表面保溫期間，在混凝土最高溫度出現(xiàn)前每8h觀測1次，最高溫度出現(xiàn)至28d每24h觀測1次，28d至保溫材料拆除前每周觀測1次。氣溫驟降期間，應(yīng)增加溫度測量次數(shù)。

4 分析及對策

4.1 高溫時段溫控

壩址區(qū)年平均氣溫高，高溫持續(xù)時間長，其中4月-10月月平均氣溫達(dá)到22.4℃，月平均最高氣溫發(fā)生在7月，為27.9℃，極端最高氣溫為39.7℃，對應(yīng)時段的混凝土控溫難度大。通水冷卻分三期進(jìn)行，同一時段通水高差大，相應(yīng)地施工、運(yùn)行、管理復(fù)雜，難度大。

措施：全面統(tǒng)籌安排各項工程施工，配備足夠的混凝土施工設(shè)備及資源，合理安排混凝土施工進(jìn)度及澆筑時段，盡量做到閘墩混凝土短間歇均勻上升，同時避開高溫時段開澆溫控要求嚴(yán)的部位。高溫時段澆筑混凝土，采取混凝土運(yùn)輸機(jī)具外加保溫板及防曬棚，避免混凝土自卸車與布料機(jī)在太陽下暴曬，加快混凝土入倉及覆蓋速度，加強(qiáng)倉面噴霧降溫，及時覆蓋倉面保溫被等，以最大限度地降低混凝土澆筑溫度?；炷羶?nèi)部埋設(shè)溫度計，動態(tài)監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度過程，確保溫控數(shù)據(jù)真實可靠，并及時調(diào)整溫控措施與通水工況，確保兩期通水冷卻過程符合要求。采用移動式冷水站供制冷卻水，配置足量冷水站制冷容量，冷水站采用開式循環(huán)，與閘室就近布置，加強(qiáng)冷水站及冷卻供水管網(wǎng)的管理，減小混凝土施工與混凝土冷卻之間的干擾，保證冷水站安全、可靠、及時地向混凝土體提供保質(zhì)、保量的制冷水。

4.2 混凝土防裂溫控

泄水閘混凝土施工多工序交叉，結(jié)構(gòu)繁雜，對混凝土溫控防裂工作影響大。

措施：建立健全施工管理體系和溫度控制管理體系，成立混凝土溫控小組，負(fù)責(zé)混凝土溫控措施的實施及特殊情況處理。實行混凝土溫度控制及主要溫控指標(biāo)預(yù)警預(yù)控制度，嚴(yán)格倉面工藝設(shè)計和施工管理。[9]

對有特殊溫控要求的部位，寬槽或其它結(jié)構(gòu)部位，除合理安排施工時段外，還需采取一些有針對性的特殊溫控措施，加密冷卻水管間距、采取個性化通水、加強(qiáng)倉面噴霧、表面流水養(yǎng)護(hù)，確?；炷翜囟葷M足設(shè)計要求。

4.3 混凝土內(nèi)外溫控

主體結(jié)構(gòu)混凝土水化熱大，溫升快，內(nèi)部溫度高，冬季施工時，環(huán)境溫度較低，同時壩址河床平坦開闊，氣溫驟降頻繁，混凝土內(nèi)外溫差控制難度大。

措施：每年10月下旬至11月上旬，對應(yīng)當(dāng)年4月～10月澆筑的混凝土進(jìn)行中期和后期通水冷卻。冬季來臨前，將孔洞、寬槽等易形成透風(fēng)通道的縫口進(jìn)行封閉。冬季新澆混凝土加強(qiáng)表面保溫防護(hù)，收倉后水平面及時覆蓋2cm厚聚氨脂保溫被，保溫時間不小于5天；上下游面、側(cè)面覆蓋4cm厚聚苯乙烯保溫卷材，防止新澆混凝土內(nèi)外溫差超標(biāo)。

4.4 混凝土防裂溫控

二期混凝土長間歇層面受外界影響時間長，受力條件差，混凝土內(nèi)易產(chǎn)生裂縫。

措施：對受力條件差的部位，加強(qiáng)混凝土表面保溫、保濕、通水冷卻等常規(guī)溫控措施，并對邊坡采取處理措施。邊坡上設(shè)置邊坡系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土支護(hù)和排水設(shè)施。邊坡系統(tǒng)錨桿，直徑φ25mm，長6.0m，間距2.5m×2.5m；坡頂系統(tǒng)錨桿，直徑φ28mm，長9.0m，間距2.5m×2.5m。坡面采用12cm厚的鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)型噴射混凝土進(jìn)行保護(hù)，排水孔應(yīng)按次序排列，每個排水孔長6.0m，直徑φ56mm，間距3.0m×3.0m。邊坡上設(shè)置排水溝、截水溝、排水孔。