溢洪道大體積混凝土溫控防裂措施優化試驗研究

孫娟娟，張 兵

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

1 工程背景

某水電站是一座以發電為主的綜合性小型徑流式水電站，主要由攔河壩、溢洪道以及引水發電系統構成。其中，水庫大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩壩型設計，其壩頂高程為497.0m，最大壩高65.5m，電站的裝機總容量為2×2500kW。水電站的溢洪道布置在拱壩河床部位中部，為弧形鋼閘門控制的溢流堰泄流方式。其具體工程布置為沿大壩拱圈徑向布置4孔溢洪道，單孔凈寬12.0m，堰頂高程為488.0m。每孔溢洪道之間設置1扇弧形閘門，在相鄰溢洪道之間設置一道橫縫，整個溢洪道被設置的橫縫劃分為5個壩塊。對水庫大壩實施全斷面碾壓混凝土澆筑，自下而上澆筑至484.1m 高程后，在 1#、2#橫縫部位，也就是邊墩與壩體碾壓混凝土結合處開始安裝模板，澆筑非溢流壩壩體，此處即為溢洪道與大壩非溢流壩段分界點，澆筑過程中采用C30混凝土[2]。由于大壩溢洪道混凝土為大體積混凝土結構，澆筑過程中產生的水化熱不易散失，并產生較大的溫度應力[3]。因此，研究不同溫控措施對混凝土的溫度應力的影響，并選擇最為科學的溫控防裂方案，對工程的順利建成和安全運行具有重要意義。基于此，此次研究通過現場試驗的方式，對入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內部的溫度和應力的影響展開分析，以便為類似工程施工提供必要的經驗和技術支持。

2 試驗設計

2.1 試驗概況

此次現場試驗選擇大壩溢洪道混凝土澆筑施工現場進程，試驗壩塊選擇的是1號壩塊。試驗的目的是對澆筑過程中混凝土內部的溫度和應力進行實時測量，通過溫度和應力變化，對各種溫控措施進行評價和參數優化。試驗的主要內容是將溫度和應力的探頭提前埋入混凝土結構內部的指定位置，在混凝土澆筑施工完成之后，利用埋設的儀器進行溫度和應力的測量，并記錄好相應的數據。

2.2 數據監測

混凝土內部溫度的監測采用的是JDC-2型電子測溫儀，該儀器是大體積和冬季施工混凝土測溫的專用儀器，由主機和溫度傳感器兩部分構成，可以直接顯示測點溫度，使用簡單、操作便捷，僅用一臺主機即可實現所有測溫點的溫度采集，可以顯著降低試驗費用和人力投入。為了保證溫度測量的準確性，每個溫度傳感器在埋設之前均應該進行標定，在埋設之前應該固定好傳感器，保證測溫探頭不與鋼筋接觸，在澆筑施工過程中應該盡量小心，避免溫度探頭出現移動、脫落和損壞。

混凝土內部應力采用振弦傳感器進行測量，該系統主要由控制器、信號采集線路、人機交互界面以及通信接口和電源模塊組成。傳感器從上游到下游依次布置，并保證所有關鍵部位的應力都能獲得有效的監控。其中上游測點距離上游壩面4m，下游測點距離下游壩面3m。

2.3 試驗方案

相關研究表明，入倉溫度對大體積混凝土的溫控防裂具有重要影響，如果入倉溫度過高，不僅對混凝土澆筑后期的內部溫度有影響，還會造成最大溫度應力提前出現，從而增加溫度裂縫的風險[8]。但是，一味降低入倉溫度，也有諸多不利之處，特別是較低的入倉溫度會對下層混凝土造成明顯的“冷擊”，造成拉應力裂縫。基于此，結合工程實際，設計出不同的外界環境和入倉溫度試驗方案，結果見表1。

表1 入倉溫度計算方案

大體積混凝土的溫度裂縫主要表現為表面裂縫。因此，有必要采取科學、合理的表面溫控措施。但是，如果采取過量的表面溫控措施，不僅不利于大體積混凝土內部的結構散熱，還會進一步提升經濟成本。基于此，結合相關領域的研究成果，設計出如表2所示的混凝土表面溫控措施試驗方案。

表2 保溫措施計算工況設計

大體積混凝土的澆筑層厚也是影響溫度裂縫效果的重要因素，結合工程實際，設計1.0、1.5、2.0m三種不同的澆筑層厚進行試驗，分別記為方案20、方案21和方案22。

3 試驗結果與分析

3.1 入倉溫度的試驗結果與分析

采用現場試驗的方式，對不同入倉溫度試驗方案下的混凝土內部的溫度和應力進行試驗，提取出試驗結果的最大值，詳見表3。由試驗數據可知，隨著入倉溫度和環境溫差的增大，混凝土內部的第一主應力呈現出增大的特點，而第三主應力呈現出減小的特點。具體來看，當環境溫差小于5℃時，第一主應力的增大幅度相對較小，當環境溫差大于5℃時，第一主應力的增加比較迅速。因此，在大體積混凝土的澆筑施工過程中，需要時刻關注施工現場的氣候特點和天氣變化情況，及時調整混凝土的入倉溫度，使之與環境溫度之間的差值控制在5℃以內。

表3 不同入倉溫度方案下的混凝土內部溫度和應力最大值

3.2 表面保溫措施的試驗結果與分析

采用現場試驗的方式，對不同表面溫控措施試驗方案下的混凝土內部溫度和應力進行試驗研究，并從試驗數據中提取其最大值，結果見表4。由試驗結果可知，隨著表面溫控措施的強化，混凝土內部的最高溫度呈現出不斷升高的變化特征。究其原因，主要是表面溫控措施，對混凝土內部的環境散熱產生了明顯的抑制作用，因此混凝土內部的溫度明顯升高。從具體的計算結果來看，第三主應力的最大值在2.5MPa左右，顯著低于C30混凝土的抗壓強度值，因此不會產生抗壓破壞。從第一主應力的試驗結果來看，方案13、方案14、方案15的第一主應力最大值較大，已經超過C30混凝土抗拉強度設計值，而方案17、方案18和方案19的第一主應力最大值已經十分接近C30混凝土的抗拉強度設計值。由此可見，方案17的表面溫控措施最為有利。也就是說，在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內部設置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。采取上述表面保溫措施，不僅可以有效降低表面開裂的風險，同時施工簡單，施工成本也相對較低。

表4 不同表面溫控措施方案下的混凝土內部溫度和應力最大值

3.3 澆筑層厚的試驗結果與分析

采用現場試驗的方式，對不同澆筑層厚試驗方案下的混凝土內部溫度和應力進行試驗研究，并從試驗數據中提取其最大值，結果見表5。由試驗結果可知，隨著澆筑層厚的增加，混凝土內部的最高溫度和應力值均呈現出先減小后增大的特點，當采用方案21，也就是澆筑層厚為1.5m時，混凝土內部的應力和溫度控制效果最佳，當然可以獲得最好的溫度裂縫控制效果。

表5 不同澆筑層厚方案下的混凝土內部溫度和應力最大值

4 結論

此次研究以某水電站混凝土重力壩為例，利用現場的方法，研究了混凝土入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內部溫度和應力的影響，并獲得如下主要結論：

(1)當溫差小于5℃時，隨著溫差的增大，第一主應力的增大幅度較為有限，當溫差大于5℃時，增加的速率較為迅速，建議將入倉溫度和環境溫度之差控制在5℃以內。

(2)在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內部設置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。

(3)隨著澆筑層厚的增加，混凝土內部的最高溫度和應力值均呈現先減小后增大的特點，當澆筑層厚為1.5m時，混凝土內部的應力和溫度控制效果最佳，獲得最好的溫度裂縫控制效果。