嚴寒地區混凝土拱壩澆筑期間溫控措施及監測方法

朱國建

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新彊 烏魯木齊 830000)

拱壩是受兩岸壩肩、基巖三面約束的高次超靜定混凝土薄殼結構，在壩體溫度變化過程中受外界的約束較強，容易產生較大的溫度應力。在施工過程中，混凝土拱壩受較大的基礎溫差作用可能會產生貫穿性裂縫，同時較大的內外溫差也會導致表面裂縫的產生。而嚴寒地區年平均氣溫低，冬季寒冷、夏季炎熱，全年寒潮頻繁，導致混凝土拱壩承受的基礎溫差、內外溫差、上下層溫差及運行期非線性溫差都很大，防止裂縫的任務艱巨。因此，在拱壩施工過程中必須嚴格控制壩體的基礎溫差和內外溫差，以防止危害性裂縫的產生[1-2]。

拱壩工期溫度控制始于20世紀30年代建設的美國胡佛拱壩，結合胡佛拱壩建設研究開發的預冷骨料、通水冷卻等溫控措施部分沿用至今[3]。國內大崗山[4]、構皮灘[5]、溪洛渡[6]等拱壩建設過程中，均采取了適應工程需要的溫控措施。溫度監測可以直觀反映大壩溫控效果，為工程施工、仿真分析提供數據支撐，尤其是在高低溫季節混凝土澆筑及溫度變化情況，可為大壩混凝土的溫度控制提供一定的經驗[7-8]。

為研究嚴寒地區混凝土拱壩澆筑期間溫度控制及溫控效果，本文以山口混凝土拱壩為例，結合工程特點提出了溫度控制措施，介紹了溫度監測布置情況，根據溫度監測數據對溫控效果進行了分析，相關成果可為同類型工程溫控防裂提供參考。

1 工程概況

山口水電站水庫為峽谷型水庫，大壩為常態混凝土雙曲拱壩，壩頂高程649.00m，建基面高程555.00m，最大壩高94.0m，拱冠梁底寬27.0m，厚高比0.287。壩身布置表孔和深孔組合泄洪，深孔兼有放空檢修電站進水口的功能，表孔壩段布置在拱冠段，共布置三孔，每孔凈寬10m，放水深孔布置在其右側，一孔，凈寬6m，出口均采用挑流消能。

工程所在地氣候特征是：空氣干燥，春秋季短，冬季較長；夏季氣溫較高，冬季多嚴寒，氣溫日較差明顯，年較差懸殊。根據工程區所在地氣象站多年氣象資料統計：其多年平均氣溫為5℃；極端最高氣溫達39.4℃，極端最低氣溫達-41.2℃；工程所在河流冰情一般發生在11月上旬至次年4月中旬，并且冰蓋較厚，河水水溫在5—10月平均值為9.3℃，最高值為20.2℃。

2 施工期溫度控制

在山口壩址區，夏季炎熱、冬季嚴寒且持續時間長；晝夜溫差大且寒潮頻繁。本工程施工期為每年4—10月，11月進入負溫期，直至次年3月，冬季月平均氣溫除11月(-3.3℃)和3月(-3.5℃)稍高外，12月至次年2月都在-13.3℃以下，冬季嚴寒持續時間長且風大，不適合混凝土施工。夏季氣溫較高(6—8月平均氣溫在20℃以上)，混凝土降溫問題較為突出。這種嚴寒氣候條件和長間歇式的施工方式使其具有獨特的溫度應力時空分布規律，大大增加了壩體混凝土溫控與防裂的難度。

必須采取一系列措施，才能在施工期和運行期有效控制壩體混凝土的基礎溫差、上下層溫差和內外溫差以及壩體混凝土的最高溫度，從而將壩體混凝土溫度應力控制在允許范圍之內，達到防止或較少產生混凝土裂縫的目的。為滿足混凝土防凍防裂要求，除繼續摻防凍劑外，采取多項溫控措施和溫控標準。

2.1 控制混凝土出機溫度和澆筑溫度

為了防止早期混凝土受凍，寒冷季節施工時混凝土的澆筑溫度不得低于5℃。為了減小內外溫差和基礎溫差，滿足防裂要求，澆筑溫度亦不得高于各部位混凝土的設計要求值。考慮到運輸和澆筑過程中的熱量損失，出機口混凝土溫度控制在8～10℃。各部位各月混凝土澆筑溫度不應超過表1的限值。

表1 混凝土澆筑溫度控制標準 單位：℃

2.2 基礎和冷壁(模板)預熱和臨時保溫

在澆筑混凝土以前，對與新混凝土接觸的基礎和邊界(鋼模板和老混凝土等)，應用蒸汽(或熱風)清除所有的冰和霜凍。建議在白天氣溫較高的時間備倉，并將驗收合格后的倉面用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進行臨時覆蓋保溫，盡可能使基礎(老混凝土)溫度控制在5℃以上，澆筑混凝土時隨揭隨澆。

2.3 原材料加熱

當氣溫不低于-1℃時，可只需將拌和水加熱，以滿足出機溫度的要求。水溫不超過60℃，以免水泥發生假凝。當氣溫低于-1℃時，須將水與細骨料加熱，同時加熱粗骨料，使其中的冰雪融化。加熱砂石料時應避免過熱和過分干燥，最高溫度不得超過75℃。

2.4 運輸中的保溫

采用大型運輸罐，運輸罐外噴聚氨酯保溫層。纜機吊罐外噴10cm聚氨酯保溫層，頂部亦應采取相應保溫措施，避免混凝土運送入倉過程中熱量損失過大。

2.5 澆筑過程中減少熱量損失

加快澆筑速度，縮短澆筑時間；已平倉振搗完畢的倉面立即用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進行覆蓋保溫，其他工作面用2層2cm厚聚乙烯棉被覆蓋保溫。澆筑時間建議選在氣溫不低于-5℃的時間段內。

2.6 保溫養護

新澆混凝土任何位置溫度不得降至零下。倉面在澆筑后立即采用2層2cm厚聚乙烯棉被和1層三防帆布進行臨時覆蓋保溫，一周后按設計要求進行越冬倉面保溫。對于冬季拆除的模板外側全部(包括桁架)噴6cm厚聚氨酯進行臨時保溫，冬季不拆除的模板噴10cm厚聚氨酯進行越冬保溫。

2.7 水管冷卻

當澆筑溫度在8～10℃時，按設計要求在澆筑混凝土前0.5h開始通水進行冷卻，冷卻水溫不得低于4℃。當澆筑溫度低于8℃時，在澆筑后12h開始通水冷卻，冷卻水溫不得低于4℃。混凝土一期冷卻通水時間一般不少于7d，實際通水時間視混凝土內部溫度變化而定，當混凝土溫度升至最高溫度后下降至18℃時可停止一期通水冷卻。當澆筑溫度低于6℃時可取消一期冷卻，由于后期冷卻的需要，冷卻水管仍需按設計要求進行鋪設。

3 溫度監測布置

溫度監測包括壩體混凝土溫度、基礎溫度分布、表面溫度、庫水溫等監測。常態混凝土壩的溫度變化對壩體應力影響比較大，壩體溫度場監測采用“三梁三拱”網狀控制，即選取560.00m、579.00m、605.00m、620.00m高程拱圈，三個主監測斷面——主河床拱冠梁壩段、左岸岸坡壩段、右岸岸坡壩段進行溫度監測(見圖1)。

圖1 溫度監測儀器布置圖

壩體表面溫度采用埋設在距壩體上下游表面5～10cm的壩體混凝土內沿高程布置的溫度計進行監測，壩體內部混凝土溫度采用網格布置溫度測點監測，網格間距為8～15m。對于基巖溫度，則在溫度觀測斷面的基礎底部，靠上、下游設置深入基巖5～10m深的鉆孔，在孔內不同的深度處設置測點布設溫度計，以監測基礎溫度分布。

4 監測成果分析

施工期溫度監測成果表明：

a.根據澆筑期最高溫度控制標準，主監測壩段存在部分測點超標現象，但整體超標幅度不大，超出幅度大部分在5℃以內，監測到的最高溫度為31.1℃，出現在6號壩段的T1-17測點。

b.混凝土澆筑后進行了通水冷卻，根據溫控要求“混凝土的日降溫速度控制在每天0.5～1.0℃范圍內”，整體來看通水冷卻降溫速度控制較好，日降溫速度控制達標率為91.7%，少數超標的原因可能是因為一期冷卻水采用河水，其水溫無法控制。

c.根據設計要求，拱壩混凝土澆筑后經歷了一期冷卻、中期冷卻和后期冷卻。

從實測混凝土溫度來看，一期冷卻降溫速率滿足設計要求，中期冷卻后混凝土溫度均在18℃以下，也滿足設計要求。

施工期壩體典型溫度過程線見圖2～圖4。

圖2 6號壩段597.00m高程溫度過程線

圖3 9號壩段591.00m高程溫度過程線

圖4 13號壩段581.00m高程溫度過程線

d.強約束區典型混凝土溫度-時間過程線見圖5(測點T1-4位于6號壩段567.70m高程)。由圖5可以看出，混凝土溫度經歷了五個階段：

圖5 強約束區典型混凝土溫度過程線

一期冷卻階段，混凝土澆筑后由于水化熱作用，溫度逐漸升高，達到最高溫度16.5℃，在冷卻作用下，溫度逐漸降低，至一冷結束，混凝土溫度為13.9℃。一冷期間混凝土平均降溫速度0.1℃/d，符合設計要求(1.0℃/d)；

一冷結束后，混凝土溫度開始回升，至中期冷卻開始前，達到最高溫度17.3℃，滿足設計允許最高溫度19℃要求；

中期冷卻階段，隨著冷卻的實施，混凝土溫度再次降低，至中期冷卻結束，混凝土溫度14.4℃，平均降溫速率小于0.1℃/d，符合設計要求；

中期冷卻結束后，隨著冬季來臨，外界環境溫度下降，混凝土溫度也繼續降低，至次年夏季，混凝土溫度又有緩慢回升；

后期冷卻階段，后期冷卻開始時混凝土溫度10.2℃，后期結束溫度5.7℃，平均降溫速率0.1℃/d，符合設計要求。后期冷卻結束后，實測封拱灌漿溫度5.7℃，符合設計要求的封拱灌漿溫度6℃要求。

e.將2013年12月20日(一期)和2014年4月20日(二期)各高程的平均溫度與設計封拱溫度進行對比，得出：一期灌漿時封拱溫度偏高，部分超出設計封拱溫度，二期灌漿時因剛經歷過一冬，封拱溫度較一期明顯降低，均滿足設計封拱溫度要求。

5 結 語

山口工程制定了嚴格的標準與措施來進行溫度控制，主要包括最高溫升控制標準、水管冷卻溫差標準、大壩越冬保護措施等，對混凝土的入倉溫度、最高溫度、日降溫速率等進行嚴格控制，以保證大壩不出現較大的拉應力。結合溫度監測結果，可以得到以下結論：

a.壩體部分測點超過最高溫度控制標準，但大部分測點超過幅度不大；通水冷卻日降溫速度除個別部位外，基本滿足控制標準；一期冷卻和中期冷卻均滿足設計要求；低于0℃的測點大部分出現在591.00m高程靠下游側，和氣溫的相關性較好。

b.一期灌漿時封拱溫度偏高，個別部位超出設計封拱溫度。二期灌漿時因剛經歷過一冬，封拱溫度較一期明顯降低。均滿足設計封拱溫度要求。

c.溫度控制措施較為合理，溫度監測數據變化規律總體符合設計及規范要求，拱壩整體溫控效果較好。

d.因工程所處地域溫差大、氣候條件復雜，混凝土澆筑完成后，建議采用聚乙烯保溫被進行養護，保持水分；越冬面采用厚塑料膜+保溫被的方式保溫；在壩體上下游面采用聚氨酯進行永久保溫。