高寒地區混凝土壩施工期間溫度控制研究

汪春燕

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330000)

0 引 言

隨著中西部大開發的逐漸深入，在中西部高寒地區的水利工程建設逐漸增多。但西部高寒地區海拔高，日照時間長，晝夜溫差大，多風少雨。高寒地區特殊的氣候特點，在施工過程中要重點關注其溫度控制。以西部高寒地區的水利工程建設中施工期間溫度控制為例展開研究，對于類似工程提供參考經驗。

文章以西部高寒地區大港碾壓混凝土重力壩混凝土施工為例，探究施工期間溫控措施。通過設定可對比性的試驗，跟蹤各條件下的溫度變化并對比分析，綜合考慮工程效益成本等方面，對溫控措施相關參數給出最佳推薦值，提出合理的溫控措施[1]。

1 工程概況

1.1 大港

大港碾壓混凝土重力壩壩高131m，壩長368m，壩體共需要18萬m3的混凝土澆筑。壩體分為15個壩段，其中最大壩寬32.5m。壩身共需修建6個泄洪表孔，1個泄洪底孔，5個發電進水口，壩體結構復雜。加上施工環境惡劣，施工期長，對壩體溫控工作開展帶來很多阻力。壩址處全年各月平均氣溫如表1。

文章選擇10#壩段為研究對象，該段壩高93m，長110m，寬29m。碾壓混凝土熱學參數試驗結果如表2。

表1 大壩所處地區年平均氣溫

表2 混凝土的熱學性能參數情況

圖1 10#壩段材料分區

圖2 10#壩段壩體有限元網絡模型

壩段溫度場計算設基巖的底面加上4個側面為絕熱面，與大氣接觸的基巖頂面是散熱面，壩體上下游面、頂面是散熱面，兩個橫側面是絕熱面。在溫度應力場計算中，三向全約束只有基巖底面，自由面有上游面。壩體頂面及4個側面[2]。

依據相關公式計算水電站運行期壩前水庫水溫分布情況，結合實際工程，設定庫底水溫均值是6℃，并將此值作為邊界值，得到穩定溫度場分布情況，具體見圖。由圖1 可以得到大壩平均穩定溫度變化范圍是8-10℃，取其均值9℃設定是大壩平均穩定溫度。依據平均穩定溫度，MIDAS/GTS軟件明確壩體基礎溫差、最高溫度控制標準，具體情況如表3所示。

圖3 10#壩段穩定溫度場圖

表3 基礎溫差、最高溫度控制標準表

備注：強約束區、弱約束區、自由區的分界點是壩底長的20%、40%處。

4 溫控措施

4.1 澆筑溫度

根據施工情況，選擇3種不同工況條件的澆筑溫度進行分析，在4-10月期間強約束區、弱約束區、自由區的混凝土澆筑溫度依次是12/15/18℃(1)、14/17/20℃(2)、16/19/21(3)℃，三種施工條件下壩體內部最高溫度變化趨勢見圖4。

圖4 種施工條件下壩體內部最高溫度隨高程變化趨勢

由圖2分析，不難看出，壩體整體的最高溫度與3種約束區的澆筑溫度、高程均成正相關關系。3種約束區壩體最高溫度，自由區達到最大值后呈現減小趨勢。從3種工況角度看，工況3澆筑溫度最高，壩體內部最高溫度也最高，但其變化趨勢在同一約束區比工況2變化急促。綜合考慮多種因素，給定在強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為：14℃、17℃、20 ℃[3-4]。

4.2 冷卻水管

水利壩體溫度控制主要通過布設冷卻水管，按照計劃進行通水，可以有效降低內部升溫速度，控制最高溫度大小。本工程中冷卻水管規格是：長180m，管內徑28mm，壁厚6mm。其布置方式采用蛇形布設。

4.2.1 冷卻水管間隔

改變冷卻水管間隔形成3種不同布設方案，通水時長一樣，均24d，水溫保持在12℃，測定三種間隔下壩體內部不同約束區的最高溫度情況如表4所示。

由表4數據分析。

表4 不同間隔的冷卻水管壩體內部不同約束區最高溫度 ℃

4.2.2 冷卻水溫

冷卻水溫也是影響壩體內部最高溫度的一個關鍵因素，為了找到最佳冷卻水溫，依次改變冷卻水溫，設定10、12、14℃，測定壩體內部不同約束區最高溫度(冷卻水管間隔選用1.2m×1.2m，通水時長24d)，具體見表5。

表5 不同冷卻水穩條件下壩體內部不同約束區最高溫度 ℃

分析表5中的數據，冷卻水的溫度對混凝土最高溫度影響不大，冷卻水溫度升高2℃，混凝土最高溫度僅升高0.6℃。考慮到經濟成本考慮，冷卻水建議選取10℃的天然水即可。

4.2.3 通水時長

冷卻水的通水時長同樣也影響著壩體內部最高溫度，同理確定最佳通水時長，依次改變冷卻水通水時長，設定測定12d、18d、24d，測定壩體內部不同約束區最高溫度(冷卻水管間隔選用1.2m×1.2m，冷卻水溫10℃)，變化曲線見圖5。

圖5 3種通水時長同一位置壩體內部溫度跟蹤變化曲線

由圖3可以看出，混凝土澆筑完成后的7d內其溫度不斷上升，在7d左右達到最高溫度，之后有一段下降期，后期處于緩慢上升階段。對比3個通水時長，24d的通水時長，使得混凝土壩體最高溫度有效降低，抗裂安全系數降低。綜合考慮工程成本及工程質量，通水時長最佳為24d。

4.3 混凝土表面保溫

高寒地區壩體混凝土表面在越冬時期，常常由于外界溫度驟降，造成內外溫差大，極易形成裂縫，所以混凝土表面保溫很有必要。選用三種保溫措施，依次是不保溫-1、覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板-2、覆蓋一層8cm聚苯乙烯保溫板。3種措施下均通一期冷卻水，測定其溫度變化見圖6。

圖6 3種不同表面保溫措施大壩同一位置溫度變化曲線

分析圖6，不難看出，不采取保溫措施壩體混凝土溫度在9月份開始迅速降溫。覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板額混凝土溫度緩慢下降，而覆蓋一層8cm的聚苯乙烯保溫板的混凝如溫度上升，不利于溫度控制。綜合考慮工程中各因素，混凝土表面保溫措施以采用覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板。

4.4 計算結果分析

綜上分析，本施工宜采用是溫控措施有：強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為：14℃、17℃、20 ℃。冷卻水管鋪設間隔為1.2m*1.2m，蛇形鋪設，冷卻水選取10℃的天然水，通水時長24d。混凝土表面覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板實現表面保溫。在上述溫控措施下，應用MIDAS/GTS軟件計算得到10#壩段的溫度場、應力場見圖7。

通過圖6溫度場、應力場分布，均符合工程設計要求，且有效降低了混凝土裂縫安全系數，充分表明溫控措施的有效性。

圖7 10號壩段溫度場、應力場

5 總 結

文章以西部高寒地區某碾壓混凝土重力壩混凝土施工為例，探究施工期間溫控措施。認為設定具有可以對比性的試驗，對壩體溫度跟蹤，將其變化進行對比分析，標定其溫控參數，選取經濟合理有效的溫控措施，得到如下結論：

1)強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為：14℃、17℃、20 ℃。

2)冷卻水管鋪設采用1.2m×1.2m間隔的蛇形布設；冷卻水建議選取10℃的天然水，通水時長最佳為24d。

3)壩體上下游面、倉面混凝土表面保溫通過覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板來實現。

[1]崔俊峰,宋秀萍,肖自龍.高寒地區施工大體積混凝土溫度控制[J].華北水利水電學院學報,2003(04):21-23.

[2]馬敬,蔣兵.高寒地區碾壓式瀝青混凝土心墻施工配合比的確定及溫度控制[J].中國農村水利水電,2008(07):84-85.

[3]阮新民,魯一暉,夏世法.高寒地區某RCC重力壩夏季高溫期施工溫控措施及應用效果分析[J].水利建設與管理,2009(08):25-28.

[4]劉要武.高寒地區施工大體積混凝土溫度控制[J].交通世界(建養.機械),2011(10):192-193.