堆石混凝土壩澆筑倉施工期堆石溫度研究

李廣金

摘 要：堆石混凝土是一種新型的大體積混凝土技術，為掌握其內部堆石的溫度變化規律，本文依托于茅坡水庫工程，對該工程的堆石混凝土中的堆石溫度進行了測量。實驗結果可以看出，堆石的溫度與混凝土的溫度變化規律相似，但堆石溫度略低于混凝土溫度，從宏觀的角度來看，可以將堆石混凝土視為一種顆粒級配很大的混凝土材料，當對堆石混凝土溫度進行研究時，可以忽略堆石對溫度分布產生的非均勻性。

關鍵詞：大體積混凝土；堆石混凝土；堆石溫度；溫度檢測

中圖分類號：TV544 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）11-0125-03

1 引言

隨著社會經濟發展，水利水電工程的重要性日益凸顯。在水利水電工程中，大體積混凝土占有極為重要的地位。而在大體積混凝土的使用過程中為降低混凝土膠凝材料用量，施工時往往使用較大粒徑的骨料，但由于常規混凝土施工過程需要拌和、振搗，大粒徑骨料難以直接投入使用。為解決這個難題，堆石混凝土（rock-filled concrete，簡稱RFC）筑壩技術逐漸進入人們視野。堆石混凝土技術是于2003年由清華大學金峰教授和安雪暉教授提出的，以自密實混凝土技術為基礎而發展的一種新型大體積混凝土施工技術[1]。

堆石混凝土筑壩技術的主要施工工序為：首先將粒徑較大（通常大于30cm，最大可達1m）的塊石或卵石堆放至倉面從而形成有空隙的堆石體，必要時可碾壓密實；然后澆筑具有高流動性、高抗離析性能的自密實混凝土，使其填充堆石體[2]。圖1為堆石混凝土的形成過程示意圖。

相比較于普通混凝土，堆石混凝土主要有以下優點[3]：

（1）水泥使用量小，絕熱溫升數值低。（2）造價低，經初步篩選的堆石占據堆石混凝土的大部分體積，堆石體的孔隙率一般約45%左右，即在堆石混凝土中自密實混凝土占總體積的45%。（3）施工速度快，質量有保證。與常態混凝土壩建設工期相比，采用堆石混凝土筑壩技術可使工程更早獲得效益。（4）強度高、耐久性好。

堆石混凝土屬于新型的大體積混凝土，對于大體積混凝土，由于其溫度易升高，容易產生溫度裂縫，因此對其溫度的研究一直是研究的熱點，堆石混凝土也不例外。從堆石混凝土技術出現以來，眾多學者對其溫度規律做了大量研究。

金峰、李樂等通過將自密實混凝土絕熱溫升物理試驗與堆石混凝土絕熱溫升過程數值試驗相結合的方法，研究了堆石混凝土絕熱溫升性能，提出了堆石混凝土絕熱溫升的簡便計算方法[4]。

金峰、潘定才等通過自密實混凝土與堆石混凝土絕熱溫升物理試驗，進行了堆石不發熱的假定，通過熱平衡方程計算，得到了堆石混凝土的絕熱溫升的簡單計算可通過計算自密實混凝土絕熱溫升的結論。

堆石混凝土水化升溫低的主要原因是巨石能夠吸收一部分自密實混凝土硬化產生的水化熱，可以達到減少大體積混凝土水化熱的目的[5]。但是實際施工中，這些吸收了熱量的巨石的溫度變化規律并沒有被掌握。而且上面的研究有的沒有對堆石本身的溫度規律進行研究，有的僅僅是做出了假設，這對于研究堆石混凝土是不夠的。本文中進行的實驗就是針對堆石的溫度進行測量，并比較堆石和混凝土溫度變化，為進一步研究堆石混凝土整體溫度變化規律打下基礎。

2 工程概況

本實驗依托于遵義市茅坡水庫工程，遵義市茅坡水庫位于新蒲新區新舟鎮綠塘村境內湘江二級支流、湄江一級支流洛安江中游河段，屬于長江流域烏江水系。

工程總體布置由水庫樞紐、輸水工程組成。水庫樞紐工程主要建筑物有大壩、壩頂溢流表孔、取放水建筑物。大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高43.0m，壩頂寬為10.0m，壩底最大厚度為39.9m；大壩壩頂中部設泄洪表孔，為開敞式設閘泄洪方式，堰頂高程818.00m，共3孔，孔寬6m，溢流凈寬18m，設3道6×8m（B×H）弧形工作鋼閘門，孔頂設交通橋連接大壩兩端；取水兼放空建筑物布置在大壩右壩段，采用壩式進水口，進口底板高程805.50m。輸水工程采用單管有壓重力式輸水至目標地，輸水管道設計流量1.28m3/s，管長約13.6km。

3 測量儀器、測點布置及測量過程

3.1 測量儀器

本實驗溫度測量儀器選擇XHS-DS18型溫度傳感器，這種型號傳感器可以對溫度進行精確測量，具有精度高、穩定性好、抗干擾能力強等特點。實物圖參見圖2。

3.2 測點布置

本測試方案綜合考慮堆石混凝土大壩的對稱性、澆筑厚度以及施工澆筑順序，共設置7個監測點，測點按上、中、下三層布置，上層測點稱為1點，中層測點稱為2點，下層測點稱為3點，大壩每倉澆筑高度2m，所以1點距離澆筑倉面300mm，2點距離澆筑倉面1000mm，3點距離澆筑倉面1700mm，連續測量3倉（標高823m-829m，每倉澆筑高度2m）堆石混凝土大壩。其中第1倉和第2倉測量溫度與應變，其中，每個監測點上、下兩層布置一個溫度傳感器測量溫度，中層布置一個三向應變計組測量應變，并在每層選擇A、B、E三個點位巨石測量巨石溫度變化；考慮到對混凝土應變測試值的修正，在每個監測點設置一個無應力點。第3倉只測量溫度，分別布置在每個測點的上、中、下三層，同樣選取A、B、E三個點位測量堆石溫度變化。監測點位布置圖以及實際安裝圖詳見圖3-圖4。

3.3 測量過程

溫度的監測思路為在混凝土澆筑后以及養護初期，結構內部應變變化較大，而后期變化則比較平緩，因此監測頻率以前期高頻，后期低頻的原則進行。

測量過程為先對澆筑起始時間及每個應變傳感器埋設時間的溫度做好相關記錄，記下混凝土的入模溫度以及當時的環境溫度，混凝土整體澆筑之后，在混凝土水化升溫過程中每隔1h采集一次數據；在養護期間，及時做好相關施工日志的記錄，降低監測頻率，按每2h測讀采集一次數據，具體的監測周期以及頻率如表1所示。最后整理數據，匯總每天的數據，生成曲線并進行分析，實時掌握堆石的溫度分布規律。

4 數據處理和測量結果

4.1 測量數據處理

根據適用范圍，相關的計算以廠家提供的說明書里面的修正公式對數據進行處理修正。其中，最主要的修正以溫度修正為主，溫度修正的公式為：

（式4-1）

式中：

——i時刻的溫度，單位℃；

——選取的初始值的溫度，單位℃；

初始讀數與初始溫度的確定應根據相關規范要求選取，通常在埋入混凝土8-24小時之間確定。

4.2 測量結果

根據溫控得到的溫度數據，分別作出第二倉A、B、E點、第三倉A、B、E點的堆石溫度曲線與相應點下層溫度曲線如圖5-圖10所示。

5 分析與結論

通過對各倉測點堆石的溫度-時間曲線的分析，可以得出：

（1）堆石的溫度上升相較于自密實混凝土是比較緩慢的，但是大致的發展趨勢和自密實混凝土是相似的，在澆筑后的初期是上升的，然后在各自的某一時刻達到最高點，之后再緩慢下降，直至溫度場基本達到穩定；（2）對比第二倉A、B點堆石溫度曲線（圖5-圖6），堆石溫峰值低于相應測點下層溫峰值，最高溫度的溫差在3℃左右，堆石的溫峰出現相較于自密實混凝土的溫峰晚了70h左右，之后再緩慢降低；A、B點的堆石溫度在上升階段溫度是低于自密實混凝土，但在下降階段是高于自密實混凝土，這是由于A、B點屬于上游點位，靠近邊界，散熱條件較好，自密實混凝土溫度下降速度快，堆石下降速率慢。第三倉A、B點堆石溫度也表現出類似的規律。（3）分析第二倉E點堆石溫度曲線（圖7），堆石溫峰值也低于相應測點下層溫峰值，最高溫度的溫差在5℃左右，堆石的溫峰出現相較于自密實混凝土的溫峰晚了65h左右，之后再緩慢降低；堆石溫度在上升階段和下降階段均低于自密實混凝土溫度，這是由于E點在結構中部，散熱條件差，自密實混凝土長期保持較高溫度，堆石屬于不發熱材料，熱傳導能力差，最后導致堆石溫度低于自密實混凝土溫度；堆石溫度變化曲線和自密實混凝土溫度曲線表現一直；第三倉E點堆石溫度也表現出類似的規律。

從以上分析和溫度變化曲線不難看出，堆石溫度和自密實混凝土溫度發展規律相似，溫度相近，堆石引起的溫度不均勻性可以忽略，在對堆石混凝土進行溫度問題分析時，可以忽略堆石對堆石混凝土溫度產生的不均勻性影響。堆石混凝土在宏觀上可以看為顆粒級配很大的一種混凝土材料。

參考文獻

[1]安雪暉，金峰，石建軍.自密實混凝土充填堆石體試驗研究[J].混凝土，2005，（1）：1-6.

[2]黃錦松，周虎，等.堆石混凝土綜合性能的試驗研究[J].建筑材料學報，2008，（2）：206-211.

[3]金峰，安雪暉，石建軍，張楚漢.堆石混凝土及堆石混凝土大壩[J].水利學報，2005，（11）：1347-1353.

[4]金峰，李樂，周虎，安雪暉.堆石混凝土絕熱溫升性能初步研究[J].水利水電技，2008，（5）：59-63.

[5]韓健，張彩雙，等.堆石混凝土技術的研究與應用[J].中國水運（下半月），2013，（12）：354-355.