高寒地區大壩混凝土施工期的溫控設計與研究

楊晨光，侯 攀，黃 瑋

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

某大壩為混凝土重力壩,樞紐布置格局為重力壩+壩后式廠房，由左右岸擋水壩段、溢流壩段、廠房壩段、沖砂底孔壩段、壩后式地面廠房、消力池和海漫等組成。整個壩體分為19個壩段，壩體在澆筑期間設1條縱縫，大壩混凝土以四級配、常態混凝土為主。大壩混凝土采用纜機澆筑，全年施工，混凝土澆筑不受洪水影響，壩體上升均勻。

工程所在地區屬高原溫帶、寒溫帶氣候，壩區多年平均氣溫9.2℃，極端最高、最低氣溫分別為32.0℃、-16.6℃，最高氣溫多發生在6、7月；晝夜溫差較大。多年平均降水量540.5mm，多年平均相對濕度51%，多年平均風速1.6m/s，最大風速19m/s。

2 大壩的溫控特點

與其它工程相比，由于該工程地處高原地帶，具有氣候寒冷，氣溫年變幅、日變幅均較大，氣候干燥，太陽輻射熱強，冬季施工期長等特點，這些因素對大壩施工期間的溫控顯得尤為重要。結合上述壩區氣象條件，大壩混凝土溫控應注意以下4個方面：

(1) 冬季(每年12～翌年2月)月平均氣溫在0～4.7℃之間，具有高原、高寒地區的氣候特點，混凝土施工的防凍問題突出，因此需做好混凝土施工從骨料生產到倉面澆筑一系列環節的保溫措施。

(2) 夏季(6～8月)氣溫較高，必須采取降低出機口溫度、水管冷卻等有效人工降溫措施，把混凝土溫度控制在允許范圍內，并做好混凝土澆筑的倉面養護。

(3) 壩區晝夜溫差大，需加強混凝土表面保護，防止內外溫差過大導致混凝土開裂。

(4)上游面劈頭裂縫問題。由于大壩的基巖對混凝土約束較大，混凝土方量大，水化熱溫升較高，當壩體最高溫度較高時，約束區上游面附近仍會有較大的溫差，同時該部位受內外溫差和基礎溫差的雙重作用，極易產生劈頭裂縫。因此，約束區上游面附近的防裂應是溫控重點之一。冬季遇低溫時，使拉應力加大，易在上游面附近產生裂縫。

3 典型壩段的準穩定溫度場及溫度控制標準

3.1 壩體準穩定溫度場

壩體準穩定溫度場取決于多年月平均氣溫、月平均庫水溫度。采取一類邊界條件，上游面溫度為庫水溫，庫底年均水溫是較難確定的一個參數，一般參照條件相近的已建水庫的實測資料，用類比的方法確定。我國西北地區深度50m以上的水庫，庫底年均水溫約6℃，本工程取庫底水溫為6℃，庫表年平均水溫11.2℃，廠房進水口處水溫8.1℃，沖沙底孔孔口水溫6.8℃。下游面氣溫考慮太陽輻射熱后增加3℃。

取左岸底孔壩段、溢流壩段和廠房壩段，用三維模型分別計算了其準穩定溫度場。廠房壩段的準穩定溫度場見圖1、2。

圖1 廠房壩段1月份準穩定溫度場

圖2 廠房壩段7月份準穩定溫度場

3.2 壩體施工期溫控標準

采用典型壩段的三維模型，仿真計算了在不同溫控措施、不同月份開始澆筑約束區及非約束區混凝土的溫度場及應力場。針對不同壩段，做了大量的工況仿真計算，在滿足大壩允許拉應力的前提下,提出了不同壩段的推薦溫控標準及溫控措施(見表1)。

表1 混凝土容許溫差 ℃

此外，溫控標準還要求：對岸坡壩段，約束區混凝土的溫差標準適當從嚴。

上、下層溫差控制標準可以比基礎約束適當放寬。設計擬定：當澆筑塊上層混凝土短間歇均勻上升的澆筑高度大于0.4L時，上、下層允許溫差取 18℃；對長間歇情況，上、下層允許溫差不大于 15℃。

根據計算成果，設計要求控制內外溫差不大于5.0℃/m，即距離1.0m內的混凝土溫度梯度不大于5.0℃。為了便于施工管理，擬控制混凝土不超過允許最高溫度。同時，針對不同季節的氣候特點，輔以表面保護措施(見表2)。

表2 混凝土允許最高溫度 ℃

3.3 壩體施工期推薦溫控措施

與其他工程不同的是，大壩不僅在夏季需要控制混凝土的澆筑溫度，而且在冬季，必須對混凝土進行加熱保溫措施。各月澆筑溫度見表3。

表3 大壩混凝土各月混凝土允許澆筑溫度 ℃

經過綜合比較，夏季(6～8月)通水應采用水溫8℃的人工冷卻水，其它季節通天然河水。為保證冷卻水管內有足夠的流量使管內形成紊流條件，經過計算，冷卻水流量不小于2.66m3/h，即45L/min。基礎強約束區混凝土的通水時間不少于20d，脫離基礎約束區通水時間為14～20d。二期冷卻通水時間為40天, 8.0℃水冷卻通水30天，再用6.0℃水冷卻10天。推薦溫控措施見表4。

4 低溫季節混凝土澆筑溫度研究

嚴寒地區大壩混凝土施工期一般為4月至10月,每年10月末至次年4月初停止混凝土施工。由于該工程工期緊,冬季月平均氣溫在0℃以上，所以在低溫季節不考慮停工。該地區混凝土壩主要有以下特點:(1)年平均氣溫低。壩體內部混凝土散熱慢,長期處于高溫狀態,冬季內外溫差大,容易出現

表4 大壩(含廠房混凝土)強約束區(0～0.2L)混凝土主要溫控措施建議

注：1)表中A為水管冷卻；B為骨料預冷；C為表面保溫。

2)弱約束區和自由區(4～10月)允許澆筑溫度可適當放寬2～3℃。

裂縫,對溫度控制要求嚴。(2)氣溫低,混凝土凍融破壞嚴重。如吉林的豐滿大壩溢流壩面和遼寧的參窩大壩溢流壩面,皆因凍融破壞而采取鑿除重新澆筑鋼筋混凝土的處理措施。(3)空氣干燥,全年空氣濕度小。西北地區夏季日蒸發量大,光照強度大、時間長,特別是有風的時候,水分蒸發特別快,很容易使混凝土在初凝之后因為水分不足而不能充分進行水化反應,甚至使混凝土因干縮而導致裂縫。

借鑒類似工程經驗，本工程在每年11月初～翌年2月末，日平均氣溫低于5℃，大壩混凝土即進入冬季施工。混凝土冬季施工采用“蓄熱法”。

(1)成品骨料堆內埋設蒸汽排管，防止骨料凍冰結塊，混凝土拌和樓料倉內采用熱風對粗骨料進行加熱，骨料加熱溫度應滿足冬季混凝土各月出機口溫度的要求。

(2) 混凝土必須采用熱水拌合，控制拌合水溫一般不超過60℃。

(3)為滿足混凝土防凍防裂要求，控制混凝土的澆筑溫度為5～10℃。

(4)在基巖面上或所有混凝土面上澆筑新混凝土前，用暖風機或其它升溫措施，將其表層混凝土升溫至2～3℃以上，加熱深度不小于10cm。

5 表面保護研究

壩址處的氣象條件決定了表面保護是該工程溫控的重點。夏季，白天氣溫較高，氣溫日變幅較大；冬季平均氣溫低，氣溫年變幅大。這些都容易引起表面裂縫。計算表明，在氣溫降幅較大或冬季氣溫較低時，須采取一定的混凝土表面保護措施，以提高壩體的抗裂安全系數。初擬如下主要保護措施：

(1)倉面覆蓋一層塑料膜+一層土工膜+2cm厚棉被，上、下游面鋼模板外貼2cm厚聚乙烯苯板(或等同的其他材料)。壩身深孔、底孔、表孔等結構部位，其混凝土表面保溫材料適當加厚。

(2)對于上、下游面等永久暴露面，施工期保溫按外掛保溫材料的全年保溫方式。

(3)各壩塊側面及上表面采取臨時保溫方式，需保溫過冬的混凝土在每年9月底完成所有部位混凝土表面保溫工作，對底孔、深孔等壩體重要部位形成的孔洞、廊道、豎井等也必須在9月底前掛保溫材料封口，防止冷空氣對流。每年10月～次年4月澆筑的混凝土，在澆筑完畢后其上表面及側面應立即覆蓋保溫材料，直至上層混凝土開始澆筑前方可揭開。

(4)廊道進、出口冬季盡可能封堵。

(5)冬季澆筑的混凝土應適當推遲拆模時間。

(6)在高溫季節澆筑混凝土時，應該在表面通流水，以降低混凝土最高溫度。

6 結束語

(1)壩址處年均氣溫低，晝夜溫差大，混凝土方量大，水化熱溫升高，對混凝土防裂不利，溫控問題尤為重要。

(2)低溫季節易出現溫度驟降，容易出現表面裂縫，因此，低溫季節混凝土的防裂防凍是本工程的溫控特點。

(3)建議考慮上、下游附近混凝土采取分區溫控的方式。由于水庫水溫低，應嚴格控制上游面附近的溫控標準和措施，簡化中下游溫控措施。

[1] 侍克斌，等.高碾壓混凝土壩在嚴寒干旱地區的溫控探討[J].水力發電,2007(1).

[2] 胡平，等.拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩溫控防裂研究[J].水力發電,2007(11).