觀音巖水電站大體積碾壓混凝土溫度裂縫控制

胡壽美

(中國水利水電第七工程局有限公司 科研設(shè)計院，四川成都 611730)

1 概述

觀音巖水電站位于云南省麗江市華坪縣與四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段，為金沙江中游河段規(guī)劃的八個梯級電站的最末一個梯級，上游與魯?shù)乩娬鞠嚆暯印?/p>

觀音巖水電站為一等大(1)型工程，以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合利用功能。水庫正常蓄水位高程134 m，庫容約20.72億m3，電站裝機(jī)容量3000(5×600)MW。

攔河大壩由左岸、河中碾壓混凝土重力壩和右岸粘土心墻堆石壩組成，為混合壩。碾壓混凝土重力壩部分最大壩高為159 m，心墻堆石壩部分最大壩高為71 m。

由于該電站地處攀枝花與云南交界處，高熱低濕，常年平均降水量低于其他地方，而蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于降雨量，故大體積混凝土的溫度控制十分困難。

2 大體積碾壓混凝土裂縫類型

大體積碾壓混凝土裂縫的類型可分為由溫差引起的裂縫和由于不均勻沉降引起的裂縫等類型。筆者重點討論的是由溫差引起的裂縫。由溫差引起的變形裂縫是大體積混凝土最常見的裂縫。近年，由于碾壓混凝土技術(shù)更加成熟，大體積碾壓混凝土也被廣泛采用，大體積混凝土由于內(nèi)外溫差引起的裂縫越來越成為工程施工中需要解決的重要問題之一。

3 大體積碾壓混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因

(1)溫度變化引起的變形。在大體積混凝土工程施工中，由于大體積混凝土在連續(xù)澆筑和硬化過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的水化熱，該熱量聚集在其內(nèi)部不易散發(fā)，而表面散熱較快，從而在混凝土內(nèi)部和外部形成較大溫差。水泥水化熱引起混凝土內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力劇烈變化，實際上，常態(tài)混凝土內(nèi)部的最高溫度多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑的最初3～7 d，隨著混凝土齡期的增長，溫度逐漸下降，而彈性模量增高，因此，混凝土內(nèi)部降溫收縮也就愈來愈大，以致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種應(yīng)力時，開始出現(xiàn)溫度裂縫。

(2)應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生?；炷猎缙诳估瓘?qiáng)度是很低的，通過增加煤灰摻量能有效推遲水泥水化熱的高峰時間，為混凝土抗拉強(qiáng)度的增長贏得了時間，最大程度地減少了因抗拉強(qiáng)度與水泥水化熱高峰值不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力對混凝土的破壞。在碾壓混凝土配合比設(shè)計時，三級配碾壓混凝土煤灰最大摻量為65%，二級配為60%。由于煤灰摻量大，從而有效地推遲了水泥水化熱高峰到來的時間。從試驗情況看，水化熱高峰期在14 d 左右。

(3)外界氣溫變化的影響。大體積混凝土在施工期間，外界氣溫變化的影響也很大。混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外界氣溫愈高，混凝土的結(jié)構(gòu)溫度也愈高，如果外界溫度下降，會增加混凝土的降溫幅度，特別是在外界氣溫驟降時，會增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形造成的，溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。

4 控制措施

對大體積混凝土溫度裂縫采取的基本控制措施分為設(shè)計措施與施工措施。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和施工技術(shù)的完善，現(xiàn)場大體積混凝土的施工積累了不少經(jīng)驗，如留永久性變形縫或伸縮縫、用蛇形冷卻水管來降低大體積混凝土內(nèi)部溫度等。綜上所述，為防止裂縫的產(chǎn)生并降低溫度應(yīng)力，觀音巖電站主要是從控制溫度方面著手。

(1)設(shè)計措施。

精心設(shè)計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性能的情況下，應(yīng)盡可能降低混凝土的單位用水量。對于摻高效減水劑和高性能引氣劑以及高粉煤灰摻量的應(yīng)按設(shè)計準(zhǔn)則生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值的抗裂混凝土。

(2)施工措施(控制溫度的措施)。

①優(yōu)化配合比，改善骨料級配，盡量使用骨料粒徑大的級配。該大壩是碾壓混凝土重力壩，可用煤灰直接取代水泥，通過實驗，三級配碾壓混凝土煤灰摻量達(dá)到65%，二級配碾壓混凝土煤灰摻量達(dá)到60%。在摻煤灰的基礎(chǔ)上采取加緩凝高效減水劑及引氣劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。觀音巖水電站碾壓混凝土C9020W8F100二級配水泥用量僅為74 kg/m3，煤灰用量為110 kg/m3，C9020W6F100三級配水泥用量僅為55 kg/m3，煤灰用量為103 kg/m3。

②混凝土攪拌前，對骨料進(jìn)行一冷和二冷，對粗骨料采取一次風(fēng)冷，使骨料初溫降為5℃～8℃;對拌和樓粗骨料倉采取二次風(fēng)冷，使骨料終溫降為-1℃～4℃。加片冰拌和混凝土，加冰量按加水量中扣除骨料含水和外加劑含水后的最大可能量加入，以降低混凝土的出機(jī)口溫度。嚴(yán)格控制出機(jī)口溫度，常態(tài)混凝土為10℃，碾壓混凝土為12℃;澆筑溫度控制在17℃。

③澆筑施工盡量選取低溫時段，避開高溫時段進(jìn)行澆筑。

④高溫時段施工(大于25℃)時，采用倉面噴霧降溫、及時對倉面實施保溫被覆蓋、加快混凝土澆筑覆蓋速度等措施;倉面噴霧可降低混凝土溫度3℃左右。

⑤混凝土水平運輸過程中，在自卸汽車上設(shè)置遮陽棚，防止陽光曝曬，可以保證將混凝土在運輸過程中將溫度上升控制在0.5℃～1℃之間。

⑥混凝土澆筑完成后及時進(jìn)行保溫被覆蓋;在混凝土澆筑完成一個月內(nèi)進(jìn)行持續(xù)灑水養(yǎng)護(hù)，采取在永久面上覆蓋保溫板等措施。

⑦熱天澆筑混凝土?xí)r，減少澆筑厚度，盡量減少澆筑時間，以減少氣溫溫度倒灌。將碾壓混凝土每一澆筑層嚴(yán)格控制在30 cm 內(nèi)，利用澆筑層面散熱。

⑧在混凝土中埋設(shè)水管，混凝土凝固后即通入冷水降溫。

⑨規(guī)定合理的拆模時間。氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

⑩對于施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)采取保溫被覆蓋措施。

?使用中熱水泥。水泥的主要發(fā)熱成分為鋁酸三鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)，生產(chǎn)時適當(dāng)降低這兩種成分的含量，即可降低其水化熱。

此外，改善混凝土的性能，提高其抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫十分重要。應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，若其出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此，施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

根據(jù)以上分析，大體積碾壓混凝土在三個階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力均與其內(nèi)、外部的溫差有關(guān)，因此，有效的控制混凝土內(nèi)外溫差就成為有效控制溫度應(yīng)力的關(guān)鍵。對此，《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》曾作如下要求:“大體積混凝上表面和內(nèi)部溫差應(yīng)控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)計無具體要求時，溫差不宜超過25℃”;并對澆筑溫度也作了“不宜超過28℃”的規(guī)定。但由于觀音巖水電站所處地理位置的特殊性，主體壩段碾壓混凝土設(shè)計澆筑溫度不大于17℃。因此，對于大體積混凝土的溫差控制一般從以下三方面著手:第一是控制混凝土的絕對發(fā)熱量;第二是采取有效措施降低混凝土內(nèi)外溫差;第三是改善周圍的約束條件，減小裂縫寬度。所以，要真正實現(xiàn)大體積混凝土的質(zhì)量控制，應(yīng)從原材料、設(shè)計、施工等各個環(huán)節(jié)抓起。

5 結(jié)語

通過對以上各個環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以大壩24#壩段碾壓混凝土為例，從澆筑到通水冷卻時間(2010年3月15日到4月28日，共44 d)據(jù)其內(nèi)部埋設(shè)的溫度計統(tǒng)計結(jié)果:溫度最高值為27.9℃，低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(29℃)，且壩內(nèi)溫度曲線趨于穩(wěn)定，壩體沒有出現(xiàn)因內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生裂縫的情況。

總之，大體積混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，以及混凝土的脆性和不均勻性、結(jié)構(gòu)不合理、原材料不合格、模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。為了保證建筑物和構(gòu)件的安全，一方面要從控制溫度著手，另一方面則應(yīng)盡可能設(shè)法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取以上行之有效的措施，才能控制裂縫的出現(xiàn)或延伸，進(jìn)而保證建筑物安全、穩(wěn)定的工作。