高碾壓混凝土壩取消骨料預冷可行性研究

程 井 李同春 陳祖榮 劉曉青

（1.河海大學 水利水電學院，南京 210098；2.中國水利水電第十六工程局有限公司，福州 350003）

碾壓混凝土壩以其施工速度快、造價低的優勢得到了快速發展，成為當前主流壩型之一.近20年來我國在200m級高碾壓混凝土重力壩及拱壩的施工技術方面發展迅速［1－2］.沙牌拱壩在汶川地震中經受住了極大的考驗，更加證明了碾壓混凝土壩的安全可靠性.

溫控防裂是限制碾壓混凝土施工速度進一步提高的技術難點之一［3－4］.目前碾壓混凝土施工期溫控措施及溫控標準仍主要參考常態混凝土［5］，如何結合碾壓混凝土自身特點以及當前溫控技術成果，進一步提高施工速度、優化溫控措施，提高碾壓混凝土施工的質量、效率和成本，具有重要工程價值.本文結合烏江沙沱碾壓混凝土重力壩工程，先從工程技術上提出了取消骨料預冷的可行性；然后依據壩體實際施工條件及過程，通過對混凝土出機口溫度、入倉溫度、倉面溫度回升以及通水冷卻過程的研究分析，來探討和論證取消骨料預冷的可行性和合理性，并對其經濟效益進行了分析.理論分析結果和實際澆筑過程表明，在合適的通水冷卻及倉面溫控措施條件下，高溫季節取消骨料預冷是可行的.

1 碾壓混凝土溫控技術進展

早期碾壓混凝土壩由于方量小，一般考慮高溫季節停碾度汛，如藺河口［6］、索風營、普定等；但如果壩高較大，工期就會較長，如百色重力壩，壩高130m，壩體混凝土方量269萬m3，利用枯水期進行施工，工期長達3年；考慮骨料預冷和通制冷水后，壩體可以實現全年施工，如龍灘重力壩采取高溫季節連續澆筑，壩高192m，2004年8月4日大壩開澆第一倉混凝土，2006年9月30日正式下閘蓄水.

可見，隨著材料配合比設計［7］及水管冷卻技術的不斷進步，碾壓混凝土的溫控措施將更加高效簡捷.以下結合當前我國碾壓混凝土壩自身溫控特點來談談取消骨料預冷的可行性：

1）材料方面：水泥用量及膠凝材料總用量少，粉煤灰摻量高，摻入緩凝減水劑，水化熱低，前期水化反應速率及最高溫升遠低于常態混凝土，最高溫度出現時間較晚，一般在5～7d以后，早期通水削峰效果相當明顯；

2）倉外溫控：碾壓混凝土筑壩，具有強度高、工期短、快速施工的特點.配置的預冷骨料系統所需制冷容量大、成本高、使用周期短；碾壓混凝土屬于干硬性拌和物，用水量低，常態混凝土常用的加冰拌和降低拌和物出機口溫度的溫控措施不太適用；

3）施工方面：采用全斷面薄層連續上升，碾壓層間歇短，一般6～8h，采取高效緩凝劑后可以達到10～12h；壩體較少分縫，施工倉面大，壩基附近倉面可達5 000m2以上，采用骨料預冷后攤鋪過程冷量損耗很大，索風營實測運輸及攤鋪期混凝土溫升可到6～8℃以上；而常態混凝土采用柱狀澆筑，單邊尺寸僅約20m，采用50cm臺階法澆筑，混凝土受氣溫倒灌影響小；

4）施工倉面大，澆筑時間跨度長，導致澆筑層內混凝土的澆筑溫度在時間及空間上分布極為不均，這種不均勻會加大溫度應力，增大溫控防裂的難度.

綜上，碾壓混凝土溫控重點應該放在倉面內，重點在于保證混凝土溫度的均勻和長期穩定.為此，在沙沱工程中提出了“溫控轉移”或者“預冷轉移”的概念，取消骨料預冷、提早通水、長期通水.充分利用早期混凝土拌合物的流塑性，在初凝前即開始通水，即相當于將骨料預冷的措施轉移到倉面上來，這樣有效減少了混凝土攪拌、運輸及攤鋪碾壓過程中的冷量損失，簡化施工工藝，節省投資.建議在水管以上完成1～2個薄層的攤鋪碾壓后即開始通水，通水時間為40d或更長，早期通大流量低溫水，待達到混凝土溫度峰值后可以適當減小流量.及早通冷卻水既能有效帶走拌合物中的熱量、控制混凝土的最大溫升，又能提高大體積混凝土溫度的整體均勻性.

2 出機口溫度、入倉溫度、澆筑溫度計算分析

本節從出機口溫度、入倉溫度及澆筑溫度3個階段指標來分析是否采取骨料預冷的影響.

2.1 出機口溫度T0

沙沱混凝土配合比見表1，其中采用的原材料為國茂牌PoO42.5普通硅酸鹽水泥、貴州大龍電廠生產的Ⅱ級粉煤灰、甕福黃磷廠的磷渣粉、河北外加劑廠生產的DH4AG緩凝高效減水劑、沙沱水電站砂石系統生產的灰巖碎石和人工砂等.依據該配合比，結合沙沱氣溫資料，對比分析了高溫季節控制RCC15拌合物出機口溫度為7℃、10℃、14℃、20℃、26℃時所采用的溫控措施.初始條件為：河水平均溫度23.7℃，骨料溫度26℃.

表1 沙沱壩體混凝土配合比

通過熱工計算，采取骨料二次風冷加4℃冷水拌合，拌合物出機口溫度可達7℃；僅采用一次風冷時出機口溫度可控制在10℃左右；取消骨料預冷，采取地籠取料等簡易方法控制骨料溫度，并綜合采用加冰及制冷水拌合時，控制出機口溫度最低可達16～20℃左右.

2.2 入倉溫度T1

混凝土出拌和樓后，經過運輸進入澆筑倉面時的溫度稱為入倉溫度.夏季氣溫通常高于混凝土的出機口溫度，混凝土在運輸過程中溫度的回升值主要取決于氣溫與出機口溫度的差值、運輸方式、太陽輻射情況和運輸時間，具體計算公式參考文獻［8］；沙沱大壩采用容積為6～9m3的自卸汽車進行運輸，運輸時間為10～25min.以9m3汽車容積、25min為例分析入倉溫度T1及運輸過程回升值（T1－T0），見表2.當出機口溫度為7℃時，回升值為2.5～4.3℃；出機口溫度為20℃，溫度回升值為1.7～2.6℃.運輸時間每減小5min，溫度回升值下降0.1～0.2℃；采取遮陽棚，回升值可以降低1～2℃.

表2 不同出機口溫度T0及氣溫Ta時運輸過程中的溫度回升值 （單位：℃）

2.3 澆筑溫度Tp

澆筑溫度是大體積混凝土施工期溫度仿真計算的起點.碾壓混凝土入倉后需要進行攤鋪、斜層或平層分層碾壓，期間溫度回升情況受溫度、太陽輻射、倉面遮陽及噴霧措施、攤鋪碾壓速度影響.為提高澆筑溫度的計算精度，以包含10個碾壓薄層的3m升程為例，采用有限元法分層仿真計算單個升程的平均澆筑溫度.由于太陽輻射受日地距離、輻射角、晴朗指數、散射及反射情況影響，計算過于復雜，這里將其影響近似迭加在周圍環境溫度（記為Ta）上，迭加值為10～15℃.高溫時段，倉面噴霧裝置采用噴霧機和采用高壓水沖毛機改制的噴頭噴霧.當倉面寬度大于20m時，沿左、右游側模板每隔30m各設一噴霧頭；當倉面寬度小于20m時，沿左側或右游模板頂每隔30m設一噴霧頭.噴霧效果近似取為環境溫度Ta降低3～5℃.記攤鋪碾壓澆筑過程中的溫度回升值為ΔTp＝Tp－T1，入倉溫度和環境溫度之差為ΔTa＝Ta－Tp，攤鋪碾壓時長為Δt.對仿真計算結果進行統計分析發現，入倉溫度與環境溫度之差越大，碾壓時間越長，溫度回升值越大，且ΔTp與ΔTa及Δt呈如下正線性關系：

其中f（·）及g（·）均表示某種線性函數.本算例中，

當ΔTa＝Ta－Tp為10℃，鋪筑時長為9h時，溫度回升值為

3 施工期溫度場仿真分析

溫控的最終目的是確保混凝土的溫度應力不超過混凝土的抗拉強度.現場一般通過最高溫度來控制.沙沱壩址氣象資料見表3，大壩內部碾壓混凝土絕熱溫升為θ（τ）＝17.02τ／（5.35＋τ），采用0.3m薄層施工，升程為3.0m，相鄰兩層時間間隔8～12h；冷卻水管分布為1.5m×1.5m.依據規范［9］，《沙沱大壩混凝土施工溫控技術要求》規定：對于碾壓混凝土，4～10月高溫季節強約束區基礎允許溫差控制在16℃，弱約束區基礎允許溫差控制在18℃，最高溫度控制在32℃.通過三維冷卻水管精細有限元直接算法［10－11］，仿真計算了兩種工況下的溫度情況，并對澆筑塊的內部最高溫度、一期冷卻結束時溫度以及水管周邊混凝土的平均溫度變化規律進行研究，計算模型如圖1所示.1）取消骨料預冷，出機口溫度為23℃，進入倉面攤鋪碾壓后溫度為25℃；水管上面覆蓋1～2薄層并碾壓完成后，開始通13℃的冷卻水.2）采取骨料預冷，出機口溫度為14℃，進入倉面攤鋪碾壓后溫度為20℃；待每澆筑升層碾壓完成后，開始通13℃的冷卻水.

表3 沿河站多年平均氣溫水溫統計表 （單位：℃）

圖1 計算模型

圖2～3分別給出了兩種工況下上下層水管控制區內的特征溫度，包括進口水溫、出口水溫、混凝土平均溫度及最高溫度的時程線圖.計算結果分析如下.

工況1（取消骨料預冷）：①施工期內部最高溫度為24.0～28.9℃，其中最高溫度28.9℃發生在出水管周邊約1m處；②從空間分布來看：上層水管控制區混凝土比下層水管控制區混凝土溫度稍高；在同一高程面上，水管進口段第一個彎段內部混凝土最低，出水段最后一個彎段內部最高；從不同高程來看，兩層水管之間的溫度比其他部分混凝土溫度高；③進口水溫為13℃時，上層出口水溫約19.8～16.1℃，下層出口水溫約19.8～15.8℃；隨通水過程逐漸降低；通水結束后混凝土溫度有小幅上升；水管附近混凝土在4～7d左右從13.5℃上升到16℃，升幅為2.5℃；80d齡期后內部溫度分布基本均勻，溫度值為14.9～15.5℃；④內部混凝土先有一定溫升，在通水的情況下達到最高溫度后逐漸下降至接近水管水溫；離水管越遠最高溫度越大，達到最高溫度的時間也越長；一般在2.5～4d達到最高溫度.

工況2（采取骨料預冷）：①采用澆筑溫度為20℃，冷卻水溫13℃，施工期內部最高溫度為25.6～28.0℃，其中最高溫度28.0℃發生在兩層水管中間的層面上，分布范圍較大；②從空間分布來看：對于同一倉混凝土，下層水管周圍混凝土比上層水管周圍混凝土溫度稍高，主要是因為在開始通水時，下層水管附近混凝土齡期長，混凝土水化熱已經部分釋放；從不同高程來看，兩層水管之間的溫度比其他部分混凝土溫度高；③對于上層水管控制區，開始通水時平均溫度為26℃，上升幅度為6℃；通水后平均溫度即開始下降；進口水溫為13℃時，出口水溫約為20.0～13.6℃，隨通水過程逐漸降低；對于下層水管控制區，開始通水時平均溫度為26.3℃，上升幅度為6.3℃；通水后平均溫度即開始下降；進口水溫為13℃時，出口水溫約為21.3～13.5℃，隨通水過程逐漸降低；④兩層水管中間部分開始通水時溫度達26.9℃，通水后1.5d內小幅上升至最高值28.0℃；通水結束后內部溫度會有小幅上升；混凝土在80d齡期后內部溫度基本均勻，為15～15.5℃.

對以上兩種夏季澆筑工況的溫度結果及變化規律進行對比分析可知：

①取消骨料預冷情況下，澆筑溫度25℃，最高溫度27.6～28.9℃，平均最高溫度26.4～26.7℃，最高溫升3.9℃；采取骨料預冷，澆筑溫度20℃，最高溫度27.9～28.0℃，平均最高溫度26.3～27.1℃，最高溫升8℃；兩種工況下出機口溫度相差9℃，澆筑溫度相差5℃，平均最高溫度基本接近，取消骨料預冷工況的局部最高溫度比采取骨料預冷工況僅高1℃；兩種工況均滿足設計溫控標準.

②進一步仿真分析表明，取消骨料預冷后混凝土最高溫度隨澆筑溫度的增大而增大、隨冷卻水溫的降低而降低；考慮骨料預冷并保持澆筑溫度為20℃且通制冷水的條件下，混凝土內部最高溫度受冷卻水溫影響相對較小，受碾壓層間間歇期的影響較大；保持澆筑溫度20℃及冷卻水溫13℃不變時，層間間歇從0.5d變至0.3d，混凝土最高溫度下降1.3～1.9℃.

4 溫控成本分析

取消骨料預冷后，溫控成本大大降低，主要體現在骨料預冷系統成本的節約.本節假定出機口溫度為14℃，來分析沙沱碾壓混凝土的骨料預冷成本.高溫季節沙沱大壩碾壓混凝土右岸澆筑月高峰強度為8.62萬m3／月（2009年7月），碾壓混凝土澆筑強度最大為5～8號壩段EL303.5～EL307，碾壓混凝土50 680m3，澆筑時間為2009年7月3日～2009年8月10日，最大日澆筑強度7 230m3，一個工作日按照兩班作業21h計算，澆筑強度為344m3／h，采用2×4 m3拌和樓；采取骨料預冷時，出機口溫度為14℃時，依據內部碾壓混凝土的配合比及各組分比熱容，近似計算各組分的溫度見表4.

表4 內部碾壓混凝土各種組分的用量及拌合溫度

經初步計算，需配置制冷容量為3 035.6kJ.參考彭水大壩制冷系統［11］，需要配置9臺單機制冷量為1 319.3kW的螺桿制冷壓縮機.按照2009年6～9月份預冷需求計算，壓縮機、冷凝器、空氣壓縮器、冷卻塔、儲氮器、氮泵、水泵等總設備費約為790萬，設備安裝、臨時土建費、工人費320萬，水電費420萬，合計1 530萬.如取消骨料預冷，僅右岸混凝土工程即可節省約1 000萬元.

5 結 論

本文提出了取消高碾壓混凝土壩骨料預冷的溫控理念，并結合沙沱碾壓混凝土壩，從技術發展背景、施工全過程仿真及溫控成本等方面進行了分析論證，并提出如下結論及建議：

1）取消骨料預冷的價值不僅體現在節省骨料預冷系統成本上，還可以有效提高拌合物生產效率及施工速度、降低混凝土碾壓層間間歇的要求.這對大型碾壓混凝土壩工程的大倉面施工、高升程、連續不間斷施工等技術的突破具有重要的支撐價值.

2）取消骨料預冷的前提是做好早期通水冷卻：充分利用混凝土拌合物早期的流塑性，在保證水管不被碾壞的條件下盡早通水，合理設計水管間距和冷卻水溫度，嚴格控制初期流量及進出口水溫差，做好倉面保溫養護.

3）取消骨料預冷的本質是混凝土拌合物的“預冷轉移”，將溫控重點放在倉面上.針對實際工程，應結合氣溫條件及溫控標準，通過精細三維水管有限元算法進行計算確定.

4）對于氣溫過高環境，仍應控制混凝土拌合物入倉溫度，并輔以倉面低溫噴霧、夜間澆筑等綜合措施；在技術可行條件下考慮加密水管間距，如從1.5m×1.5m加至1.0m×1.2m或更密；加密水管增加的投資僅僅為骨料預冷投資的很小部分.

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