混凝土重力壩溫控設計研究與優化分析

朱文舉

(肇源縣水利工程指導中心，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、發電系統及船閘等，最大壩高65m，總庫容2.46億m3，調節庫容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12.6萬kW，多年平均發電量3.24億kW·h[1]。工程區多年平均氣溫14.6℃，多年平均日照時數1707.7h，多年平均降水量803mm，多年平均蒸發量1078.5mm，多年平均風速1.2m/s，最大凍土深度7cm[2]。混凝土重力壩結構示意及澆筑分層圖，見圖1。

圖1 混凝土重力壩結構示意及澆筑分層圖

2 混凝土溫控設計標準[3]

2.1 基礎溫差

根據設計規范及基礎溫差要求，壩體混凝土基礎允許溫差，見表1。

表1 壩體混凝土基礎允許溫差 ℃

2.2 混凝土設計允許最高溫度

根據壩體各部位混凝土的允許基礎溫差、恒定溫度及澆筑最高溫度等控制，混凝土建筑塊設計允許最高溫度，見表2：

表2 澆筑塊設計允許最高溫度

2.3 混凝土表面保護標準

保護標準：混凝土內外溫差≤20℃，當日平均氣溫持續下降6-8℃時，28d齡期內混凝土表面需采取表面保護措施，保溫后等效放熱系數β≤2-3.0W/m2·℃[4]。中、后期混凝土溫控措施根據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時，在新舊混凝土0.2L高度區間內的上下層溫差保持在16-18℃。若新澆混凝土無法保持連續澆筑，溫差范圍應適當嚴格。

2.4 填塘、陡坡混凝土的溫控要求

根據設計規范標準要求，當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。混凝土溫控標準為基礎約束區的允許最高溫度，高溫季節適當加嚴1-2℃，采取鋪設冷水管、噴灑水霧等降溫措施，待與相鄰高程面接近時且溫度與基巖溫度相近時可澆筑上層混凝土。

2.5 混凝土出機口溫度條件

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

3 溫度控制條件及分析

3.1 溫度計算

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算混凝土入倉及澆筑溫度。混凝土的澆筑溫度計算公式為[5]：

Tj=T0+T0′

(1)

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

經計算，不同月份混凝土出機口及澆筑溫度匯總表，見表3：

表3 不同月份混凝土的出機口與澆筑溫度匯總表

3.2 混凝土最高溫度計算及成果分析

3.2.1 計算方法

混凝土內部最高溫度計算公式[6]：

Tmax=Ti+ζ·Tr

(1)

式中：Tmax為混凝土內部最高溫度；ζ為取決于澆筑溫度、水化熱、結構尺寸，ζ=0.60-0.72。

3.2.2 自然入倉計算成果

根據C20W8F150(常態)28d絕熱溫升為27.56℃;、C20W6F100(碾壓)28d絕熱溫升為17.29℃。混凝土絕熱溫升試驗成果，見圖2：

圖2 工程常用混凝土絕熱溫升值試驗成果曲線圖

結合實際分倉分層規劃當層厚為1.5m以下時，ζ取0.6，當層厚為3.0m以下時，ζ取0.72，計算自然澆筑條件下混凝土內部最高溫度。自然入倉時混凝土內部最高溫度計算成果表，見表4：

表4 自然入倉時混凝土內部最高溫度計算成果表

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

表5 控制機口溫度≤20℃后，混凝土內部最高溫度計算成果表

通過計算分析，比較上表允許混凝土內部最高溫度值，可見常態混凝土5-9月份層厚3m時超出允許內部溫度34℃-39℃值，需要進行通水削峰處理。

3.3 計算成果分析

根據上述成果可知，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℃，混凝土需采取預冷措施，預冷混凝土出機口溫度≤20℃。根據混凝土允許最高溫度的控制標準，分析結果如下：

1)4-10月份強約束區碾壓混凝土5-9月層厚3m結構混凝土，拌制時采用預冷，運輸中采用苫蓋，澆筑時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行削峰控制混凝土內部溫度等綜合措施，保證混凝土最高溫升在設計允許范圍內。

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，來保證混凝土內外溫差≤設計允許標準。

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

4)11-3月澆筑的常態混凝土均采用覆蓋保溫板的措施，來保證混凝土內外溫差不超過設計允許標準。

5)4-10月澆筑的常態混凝土需通水冷卻，以此降低混凝土最高溫度<設計允許值。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，需結合不同施工部位、不同施工時段，需采取預冷混凝土、通水冷卻、倉面噴霧保溫、養護及表面保護等一種或多種組合溫控措施。具體溫度控制措施如下：

1)高溫季節混凝土拌制、運輸及入倉溫度控制中合理控制運輸時間，減少轉運次數。運輸時需采取隔熱、防曬等措施。當外界氣溫> 22℃，車廂外側灑水降溫，控制混凝土澆筑溫度在 22℃以內。

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

3)初期冷卻埋設冷卻水管，水文控制在10-12℃，高溫季節的基礎約束區加密水管水平間距1.0m，澆筑層厚度>2.0m的加設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，及時進行表面流水冷卻，一般在混凝土終凝后開始表面流水，流水時間持續 1-2d，溫度有效降低后可更換為灑水養護。

5)優化混凝土配合比設計，提高混凝土抗裂性能。在混凝土施工配合比和生產工藝試驗中，降低單位水泥用量，減少混凝土水化熱溫升，延緩水化熱發散速率。

5 結 論

文章根據某混凝土重力壩壩址區水文地質和水工混凝土溫控設計標準，基于溫控理論計算混凝土澆筑的出機口溫度和澆筑溫度，分析得出不同月份混凝土入倉最佳溫度區間，結合內部最高溫度提出高、低溫季節的溫控主要措施，結論對大體積混凝土澆筑溫控設計及措施研究提供一定的指導價值。