嚴寒、大溫差、干燥地區混凝土高拱壩溫控技術探討

郭萬福

摘要：因新疆地區干燥少雨、蒸發量大、晝夜溫差大、冬夏冷熱懸殊、大體積混凝土無法在冬季施工，目前該地區沒有100m以上的混凝土高壩。本文就目前新疆地區正在建設100m級以上混凝土雙曲拱壩大體積混凝土溫控技術的應用經驗進行總結和分享，為修建百米級高壩混凝土溫控控制措施提供設計及施工經驗。

關鍵詞：工程；高拱壩；溫控技術

DOI：10.12433/zgkjtz.20233348

一、工程概述

本工程二級樞紐由混凝土拱壩、水墊塘及二道壩、發電引水系統和電站、生態放水洞、過魚設施等建筑物組成。混凝土拱壩為拋物線型雙曲拱壩，壩頂高程880.5m，最大壩高167.5m，壩頂全長288.4m。混凝土拱壩工程包括1～16號壩段壩體混凝土、廊道混凝土、牛腿混凝土、壩頂結構混凝土等。

樞紐工程大壩混凝土澆筑總量90.87萬m?，主體大體積混凝土采用P.MH42.5級中熱硅酸鹽水泥配制，混凝土骨料采用人工開采灰巖骨料。壩址區基巖以巨厚層、厚層、中厚層灰巖為主，巖質堅硬。

二、水文及氣象條件

拱壩為地處嚴寒、強震區的高拱壩，多年平均氣溫7.7℃ ，極端最高氣溫41.6℃ ，極端最低氣溫

﹣36.4℃ ，極端最大溫差78℃ ，最大凍土深度141cm。壩址區氣候條件惡劣，夏季炎熱、冬季干冷，具有氣溫年變幅、日變幅大，氣溫驟降頻繁，冬季越冬期長（長達5個月），太陽輻射強，氣候干燥等特點，對混凝土表面保溫防裂不利。

三、樞紐工程溫控控制技術特點

晝夜溫差大，氣溫驟降頻繁。監測資料表明，樞紐壩址平均晝夜溫差為11.2℃ ，最大晝夜溫差為20.8℃ 。

工程所在地1月份和7月份年平均氣溫差超過40℃ ，冬夏極端氣溫相差接近80℃ 。

氣候嚴寒不利于施工，新老混凝土溫差問題突出。冬季混凝土停工的影響嚴重，在恢復施工后要求控制長間歇倉面混凝土溫度。由于氣溫年變幅大，增加了拱壩上下層溫度梯度控制難度。加之晝夜溫差大，對大壩混凝土澆筑施工極為不利，增加了混凝土表面開裂風險和溫控難度。

大壩基礎強約束區混凝土澆筑階段，約束作用強，混凝土標號更高，面臨著更高的混凝土溫度控制標準。

四、樞紐工程溫控控制標準

（一）封拱溫度

拱壩橫縫接縫灌漿前，混凝土應冷卻到相應的封拱溫度。其中大壩高程713.0～800m之間封拱溫度為7.5℃ ，高程800.0～840m封拱溫度為8.0℃ ，高程840.0～880.5m之間封拱溫度為9.0℃ 。

（二）溫差控制標準

壩體混凝土基礎容許溫差不大于15℃，孔口約束區、老混凝土以上0.2L高度范圍內按基礎約束區的溫差標準15℃控制。壩體混凝土上下層容許溫差不大于15℃ ，壩體混凝土內外容許溫差不大于16℃。

（三）設計允許最高溫度

基礎約束區最高溫度23℃ ，非約束區27℃ 。在齡期28天以上的老混凝土上澆筑新混凝土，新澆筑混凝土設計允許最高溫度按基礎約束區控制。

（四）出機口溫度

混凝土出機口溫度約束區按7℃控制，自由區按10℃控制。

（五）設計允許最高溫度

混凝土澆筑溫度約束區不能超過12℃ ，自由區要求不能超過15℃ ，且不能低于5℃ 。同時要求混凝土從出機口至上坯層混凝土覆蓋前的溫度回升值在高溫季節不大于5℃ ，低溫季節不大于3℃ 。

五、樞紐工程溫控控制措施

（一）混凝土預冷系統設計

混凝土系統設計規模：系統主要包括攪拌樓、膠凝材料罐、空壓機房、外加劑車間、膠帶機輸送系統、一次風冷料倉及一次風冷模塊、攪拌樓二次風冷模塊、制冷水模塊、冰庫模塊、地衡等。本系統要求混凝土出機口溫度為7℃ ，通過計算并結合地形條件及以往工程經驗，確定本系統預冷措施為“粗骨料兩次風冷＋片冰拌和＋冷水拌和”。

1.一次風冷

一次風冷系統由一次風冷料倉、冷風機、冷風循環系統、冷源組成。特大石、大石、中石、小石倉設計工況（34℃/﹣15℃ ）耗冷量均為580kW，合計2320kW。

2.二次風冷

二次風冷與一次風冷流程基本相同，不同在于二次風冷需采用更低的蒸發溫度，且采用氟泵強制供液型式。四個料倉設計工況（34℃/﹣17℃ ）耗冷量分別為特大石倉280kW、大石倉250kW、中石倉250kW、小石倉220kW，合計1000kW。粗骨料一次風冷后經膠帶機進入攪拌樓料倉進行二次風冷。

3.制片冰

采用集裝箱型式，配置4臺40t/d型片冰機，1座50t冰庫，1套9t/h氣力輸冰裝置及冷源。標準工況

下，配備冷量1582kW，片冰通過氣力輸送到攪拌樓小冰倉內，再經過稱量用以混凝土攪拌。

4.制冷水

制冷水采用集裝箱模塊，配備冷量（設計工況34℃/1℃ ）400kW。可生產6℃冷凍水， 用于混凝土攪拌和片冰生產用冷水。進水溫度24℃ ，出水溫度6℃ ，

出水量15m3/h。

在氣溫較低的月份，冷水機組可停運，或同時停運部分冷風機。

（二）混凝土出機口溫度控制

為確保混凝土出機口溫度滿足設計需求，采取增大骨料倉堆高并搭設遮陽棚避免陽光直射，并采取加片冰、加制冷水拌和粗骨料一二次風冷等措施以降低混凝土出機口溫度。

（三）混凝土入倉溫度控制

大壩混凝土采用25t自卸汽車配9m?立罐入倉。自卸汽車頂部加蓋防雨遮陽棚，防止太陽直射；在混凝土運輸車及吊罐與混凝土接觸的外部暴曬部位貼一層5cm厚的聚苯乙烯擠塑保溫被。在高溫特殊工況時段施工時，在拌和樓前10～25m長的道路兩側設噴霧裝置，噴霧導管略高于自卸汽車車廂，以形成霧狀環境，避免太陽光直射，降低車廂溫度。

盡量縮短混凝土在運輸工具內的停留時間，以降低混凝土入倉溫度。

（四）混凝土澆筑溫度控制

1.拱壩混凝土澆筑溫度約束區不能超過12℃ ，自由區要求不能超過15℃ ，且不能低于5℃ 。同時要求混凝土從出機口至上坯層混凝土覆蓋前的溫度回升值在高溫季節不大于5℃ ，低溫季節不大于3℃ 。

2.在大壩混凝土澆筑前期，加強混凝土從出機口到澆筑過程中的溫度檢測，以修正施工過程中的溫升系數，優化混凝土施工及保溫措施，確保混凝土從出機口到澆筑溫度回升滿足設計需求。

3.高溫季節混凝土入倉后及時平倉振搗，縮短混凝土坯層覆蓋時間。

4.合理安排澆筑時段，盡可能避免高溫時段澆筑。充分利用低溫季節和早晚及夜間氣溫低的時段開倉澆筑。高溫季節澆筑時，開倉時間盡量安排在早晚和夜間，盡量避免在白天高溫時段開倉；在施工進度滿足要求的前提下，高溫時段只做備倉工作。

5.倉面噴霧降溫。當倉內氣溫高于22℃時，混凝土澆筑過程中開啟噴霧機進行倉面噴霧，降低倉內環境溫度。白天開倉時提前2h噴霧降溫，以降低老混凝土面溫度，同時減少預冷混凝土對舊混凝土面的冷擊。噴霧機交叉布置在澆筑倉面的兩側。

6.倉面保溫。高溫季節澆筑混凝土過程中，在混凝土振搗后立即覆蓋1～2層厚度為2cm的保溫被（內含聚乙烯泡沫塑料板）保溫隔熱，降低倉面內混凝土溫度，控制澆筑溫度，直至上坯混凝土開始鋪料時再逐步揭開。每年4月份和10月份在新澆筑混凝土層面立即覆蓋兩層2cm厚的保溫被（內含聚乙烯泡沫塑料板），直至上層混凝土澆筑時再逐層揭開。

（五）混凝土通水冷卻

根據拱壩混凝土溫控防裂要求，大壩混凝土應全過程采取嚴格的溫度控制，從混凝土生產至接縫灌漿完成控溫為止，整個施工過程應按設計要求進行溫度控制。采用向大壩混凝土通制冷水的方式降低混凝土內部溫度，以減小內部最高溫度、內外溫差及不同高程范圍的溫度梯度。

大壩壩體按3.0m升層施工，施工遇廊道、牛腿、孔口及特殊結構等部位層進行適當調整；大壩橫縫灌區高度以9m為主，局部以11.5m、12m分層，共分為18層灌區。大壩混凝土冷卻采用三期九階段連續冷卻，連續冷卻以灌區為單位同步冷卻。

壩體內的冷卻水管采用高導熱性HDPE塑料管。主管規格為：內徑32.6mm，壁厚3.7mm，外徑40.00mm。支管規格為：內徑28.0mm，壁厚2.0mm，外徑32.0mm。大壩用HDPE塑料冷卻水管為專用管材。拱壩混凝土冷卻水管間距分兩種：約束區為1.0m（水平）×1.5m（豎直），自由區為1.5m（水平）×1.5m（豎直）。

1.大壩混凝土通水冷卻目標溫度

一期冷卻目標溫度T1（℃ ）：高程840.0～880.5m約束區為21℃ ，非約束區為23℃ 。中期冷卻目標溫度T2（℃ ）：大壩高程713.0～840m約束區為20℃ ，

非約束區為22℃ 。高程713.0～800m約束區16℃ ，高程800.0～840m約束區17℃ ，高程840.0～880.5m約束區18℃ 。二期冷卻目標溫度Tc（℃ ）同封拱溫度。

2.通水冷卻控制要求

根據拱壩混凝土溫控防裂特點，為預防混凝土裂縫產生，混凝土通水冷卻降溫過程分為一期冷卻、中期冷卻、二期冷卻共三期九個階段，以降低混凝土內部最高溫度、內外溫差及不同高程范圍的溫度梯度，滿足混凝土小溫差、早冷卻、緩慢冷卻的要求。

（1）一期通水

對于大壩所有澆筑的混凝土，進行一期通水冷卻措施，以降低混凝土最高溫度。一期通水采用進壩水溫5～7℃的制冷水，當天然河水水溫能夠滿足最高溫度控制要求時可采用。通水時間約為20d，水管通水流量通制冷水時不小于18L/min，通河水時不小于20L/min，日降溫速率應≤0.5℃/d。達到一期通水目標后應采用控制措施避免溫度回升，并維持該溫度至中期冷卻開始。冷卻水方向每24h調換一次，但當進出口水溫溫差超過8℃時，應12h換向一次。

（2）中期通水

通水水溫為8℃～10℃ ，當天然河水水溫能夠滿足要求時，可采用天然河水。通水時間約15～20d，水管通水流量不小于20L/min，降溫速率不大于0.5℃/d，

以混凝土塊體溫度達到16℃～18℃為準。通水冷卻應盡量保持連續緩慢降溫，同一灌區混凝土應同步中冷。

（3）二期通水

壩體接縫灌漿及岸坡接觸灌漿的部位，在灌漿前，必須進行二期通水冷卻，將混凝土溫度降至灌漿溫度。二期通水根據接縫灌漿進度安排，水溫要求低于5℃ 。通水時應保證連續通水，緩慢降溫，同一灌區混凝土應同步冷卻，控制壩體降溫速度不大于0.5℃/d。水管通水流量不小于18L/min，以壩體達到灌漿溫度為準。壩體通水冷卻后的溫度應達到設計規定的壩體接縫灌漿溫度，并在接縫灌漿之前維持通水。

（六）智能通水溫度控制系統

1.系統架構及功能

智能通水溫控系統是在大壩施工期布設的制冷水站及倉外管網、倉內管網、倉內測溫溫度計的基礎上，增加了智能化的成套監測和控制設備及軟件平臺。整個系統包括熱交換裝置、熱交換輔助裝置、控制裝置和大壩數據采集裝置。為了實現遠程監控，上述系統還可以包括遠端控制裝置、現場控制裝置、熱交換輔助裝置、熱交換裝置、大體積混凝土數據采集裝置和遠端控制裝置連接，連接方式為標準連接。

2.數據采集

混凝土出機口溫度、入倉澆筑溫度測試記錄，在每個拌和樓、混凝土澆筑倉面派專人攜帶混凝土溫度測試記錄儀負責混凝土出機口和入倉澆筑溫度測量，并發送數據。太陽輻射由太陽輻射儀測量太陽總輻射，包括傳感器和數據傳輸設備，可聯網將數據發送到平臺。倉面和上下游溫度梯度由埋設在典型壩段需要測量梯度的多個點式溫度計連接溫度梯度儀測量，溫度梯度儀為前述拱壩多點溫度采集裝置，通過聯網將數據發送到平臺。

聯網方式根據距離和施工便捷性做出不同選擇，如距離較近（<50m），通過有線通信電纜連接到控制柜，如距離較遠，直接通過無線方式連接到系統平臺。

溫控要素的檢測內容既作為溫控工作需要記錄的內容，又是整個智能溫控系統的有機組成部分和重要邊界條件，參與實時智能控制和仿真的運算。

3.水站和管網

（1）管網布置

本工程選用3臺LS-170m3/h冷水機用于大壩混凝土溫控，每臺冷水機組設備功率為568kW，每臺冷水機組用電設備主要包括2臺RC2-830BF螺桿壓縮機（2*230kW）、1臺KS-400m3/h全鋼逆流式冷卻塔（16kW）、1臺55kW冷凍水循環泵、1臺37kW冷卻水循環泵。冷水站按照上下高差40m控制的原則分別布置在壩后橋及壩后邊坡平臺上。冷水站和廊道內冷卻水管之間采用?300及?219的供水管路連接，形成循環閉合系統。

（2）通水設備

智能通水設備由通水柜、控制柜、一體流溫控制、數字溫度計和多點溫度移動采集裝置等部分組成，可個性化拆卸組裝使用。通水柜包括通水溫度采集、通水流量采集、通水流量控制、一體流溫控制等裝置，能滿足多回路流量和溫度一體組合控制，并集中與廊道內主供水管路水包接入。

（七）智能溫控分析

1.最高溫度

最高溫度為93.6%。因本工程所用中熱水泥具有早期水化速度快，水化放熱量大等特點，個別倉最高溫度小幅超標。

2.內外溫差

設計要求控制混凝土內外溫差≤16℃ ，各倉均滿足要求。

3.上下層溫差

設計要求控制混凝土上下層溫差≤15℃ ，各倉均滿足要求。

4.間歇期控制

設計要求層間歇時間一般控制在5～10d，實際澆筑中8#-004、9#-002兩倉澆筑間歇期分別達16.8d、15.0d，超出間歇期控制標準。

5.澆筑溫度

設計要求澆筑溫度需低于12℃ ，實際平均出機口溫度為6.7℃ ，符合率為100%；平均入倉溫度為9.0℃ ，平均澆筑溫度為9.9℃ ，符合率為100%。

6.通水冷卻

各倉平均通水流量為22.0L/min，最大通水流量為141.5L/min；升溫期間混凝土溫度平均每天上升1.5℃ ，

溫度日增長幅度最大為7.2℃（9#-02倉），平均通水流量為42.6L/min；混凝土降溫期間日降溫速率平均為0.25℃ ，平均通水流量為9.7L/min，降溫速率符合率達94.8%。

7.氣溫

近期壩區氣平均氣溫為-5.6℃ ，監測期間平均晝夜溫差為11.2℃ ，最大晝夜溫差為31.4℃ 。

（八）越冬保溫

壩體上下游面噴涂10cm的聚氨酯進行永久保溫。越冬倉面臨時保溫主要采用：0.6mm塑料薄膜+8cm厚聚乙烯保溫被+三防帆布+0.6mm塑料薄膜+8cm厚聚乙烯保溫被+2cm厚聚乙烯保溫被+三防帆布；橫縫主要采用0.6mm塑料薄膜+8cm厚XPS板+三防帆布+2*2cm厚聚乙烯保溫被+三防帆布。

2021年11月20日至2022年2月25日，保溫被內平均溫度為7.4℃ ，平均氣溫為﹣5.6℃ 。保溫被內溫度日變幅平均小于2℃ ，顯著低于氣溫日變幅。監測結果表明，越冬期間保溫效果優良。從2022年2月25日開始揭除保溫被進行裂縫普查情況看，未發現一條裂縫，說明所采取的永久及臨時保溫方案滿足設計要求。

六、結語

從2021年大壩已澆筑倉整體溫控情況：出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度均100%滿足設計要求，最高溫度符合率為93.6%，間歇期控制滿足率91.4%，降溫速率控制符合率達94.8%，全過程平均倉內溫差為2.4℃ 。2021-2022越冬期間，最低溫度為-24℃ ，平

均氣溫為-5.6℃ ，平均晝夜溫差為11.2℃ ，保溫被內平均溫度為7.4℃ ，日變幅平均小于2℃ ，監測結果表明，越冬期間保溫效果優良。在壩體混凝土澆筑過程及越冬期過后壩體混凝土均未發生裂縫，壩體混凝土溫度控制及越冬期保溫均達到預期目的，說明采用嚴格的溫度控制措施，尤其是采用智能溫控技術對壩內混凝土從溫度、流量、降溫速率等方面進行全程精準化控制，嚴格按照設計方案組織實施冬季越冬保溫措施，是嚴寒地區拱壩大體積混凝土溫度控制的關鍵措施，值得推廣和借鑒。

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