高寒地區(qū)混凝土越冬蓄水保溫方案的研究與應(yīng)用

劉 洋

(中國(guó)水利水電第十六工程局有限公司，福州 350000)

1 工程概況

奮斗水庫(kù)是一座以城鎮(zhèn)供水為主、結(jié)合防洪、兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用功能的大型水利樞紐工程，樞紐建筑物主要由攔河壩、電站、壩式進(jìn)水口及供水口組成。攔河壩為全斷面碾壓混凝土重力壩，壩頂高程385.90m，最大壩高45.9m，壩頂軸線全長(zhǎng)406m，共分22個(gè)壩段。電站采用壩后式廠房，裝機(jī)容量4(1.7×2+0.6×1)MW。主體工程混凝土施工期為2016年9月—2018年6月，跨越了兩個(gè)冬季。

奮斗水庫(kù)位于黑龍江省東部，N44°28'，地處高寒地區(qū)，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，最低氣溫出現(xiàn)在1月份，極端最低氣溫可達(dá)到-44.1℃，最大凍土深度為1.68m，最大冰厚為1.42m。

2 蓄水保溫方案的提出

奮斗水庫(kù)于2016年9月15日進(jìn)行大壩首倉(cāng)混凝土澆筑，至當(dāng)年10月22日共完成11#-15#壩段混凝土澆筑1.3萬(wàn)m3，澆筑厚度為4m(其中底部為1m常態(tài)墊層混凝土，上部為3m碾壓混凝土)，混凝土頂面高程EL344m，混凝土外露面積為3400m2。由于混凝土越冬面還處于壩基強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)，且冬季氣溫較低，為確?；炷临|(zhì)量，必須采取保溫措施[1]。

2.1 傳統(tǒng)保溫不利條件

奮斗水庫(kù)大壩混凝土越冬保溫如采取傳統(tǒng)保溫方案，將存在如下不利條件：

1)奮斗水庫(kù)工程地處高寒地區(qū)，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，達(dá)到5個(gè)月(11月份—翌年3月份)，極端最低氣溫達(dá)到-44.1℃，最大凍土深度可達(dá)到1.68m。

2)2016年混凝土越冬面處于原地面基坑以下，且低于上游河床水位，為避免冬季基坑集水影響混凝土保溫效果，確?；炷临|(zhì)量，必須進(jìn)行冬季基坑抽排水。冬季低溫環(huán)境下抽排水不僅難度較大，而且還需考慮現(xiàn)場(chǎng)人員的值班、水泵及管路的保溫及現(xiàn)場(chǎng)供電保障等方案。

3)由于基坑內(nèi)上、下游邊坡滲水較大，為避免因邊坡滲水進(jìn)入保溫材料內(nèi)而降低保溫效果，必須考慮邊坡滲水的攔截及引排等措施。

4)傳統(tǒng)越冬保溫方法如蓋草墊子、鋪沙子、覆蓋棉被及覆蓋橡塑海綿板等措施，雖能滿足保溫要求，但施工工序相對(duì)復(fù)雜、施工要求高、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、工期長(zhǎng)且造價(jià)高。

2.2 蓄水保溫條件

蓄水保溫方案實(shí)施的主要條件為：①現(xiàn)場(chǎng)具備天然“蓄水池”的地形；②越冬混凝土面低于上游河床水位(至少2m)，避免因蓄水外滲導(dǎo)致冬季補(bǔ)水的麻煩。根據(jù)奮斗水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，混凝土越冬保溫采取蓄水保溫方案具有以下有利條件：

1)大壩基坑全部開挖完成，基坑內(nèi)為四周封閉深坑，深度達(dá)到12m，具備良好的蓄水條件。

2)2016年底，混凝土越冬面高程為EL344m，最低處原地面高程為EL352m，上游河床水位高程為EL349.2m，上游水位高程高于混凝土越冬面5.2m，低于基坑原地面2.8m。因此，冬季基坑蓄水后不用考慮蓄水外滲的影響，也不存在蓄水溢出基坑的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)以上分析，奮斗水庫(kù)2016年越冬混凝土采取蓄水保溫具備有利條件。奮斗水庫(kù)2016年越冬蓄水前后面貌對(duì)比圖見(jiàn)圖1和圖2。

基于傳統(tǒng)保溫的不利條件及蓄水保溫的有利條件的綜合分析，本工程2016年越冬混凝土提出了蓄水保溫方案。

3 蓄水保溫方案的原理

蓄水保溫即采用河水將混凝土淹沒(méi)一定深度，利用冰層及水作為一種保溫材料將混凝土與外界低溫隔離，以達(dá)到保護(hù)混凝土的目的。蓄水保溫主要利用了水的以下2個(gè)特性：

1)水具有一定阻熱性。眾所周知，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為λc=2.3W/(m·K)，水的導(dǎo)熱系數(shù)為λw=0.55W/(m·K)(水溫為0℃時(shí))，故水具有一定的阻熱性。

2)水具有放熱性。水在未結(jié)冰時(shí)，其溫度在0℃以上，當(dāng)溫度降低至0℃以下時(shí)，水將結(jié)冰，同時(shí)放出336kJ/kg的潛熱。

隨著外界氣溫降低，水面上部會(huì)逐步結(jié)冰，如蓄水具有一定深度，冰層和混凝土之間必然會(huì)有一定深度的水，根據(jù)水的阻熱性，冰層和下部的水相當(dāng)于天然保溫材料，可阻止外界低溫傳導(dǎo)至混凝土面，加上水在結(jié)冰時(shí)可放出336kJ/kg的潛熱，混凝土表面也會(huì)散發(fā)一定熱量，使水溫始終保持在0℃以上，那么混凝土表面溫度同樣會(huì)保持在0℃以上而不被破壞。

因此，采取蓄水方案對(duì)混凝土進(jìn)行越冬保溫是可行的，且在蓄水保溫期間能促進(jìn)混凝土內(nèi)水泥進(jìn)一步水化，增長(zhǎng)混凝土強(qiáng)度，對(duì)抵抗混凝土因溫差而產(chǎn)生裂縫起到有利作用。

圖1 奮斗水庫(kù)2016年越冬蓄水前地形

圖2 奮斗水庫(kù)2016年越冬蓄水后面貌

4 蓄水保溫方案的實(shí)施

4.1 蓄水水深的確定

蓄水水深(不含冰層)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度影響較小，對(duì)混凝土表面溫度影響較大，混凝土表面溫度隨水深減小而降低，因此蓄水水深應(yīng)考慮工程所在地最大冰層厚度，再加上水層厚度來(lái)確定最終蓄水水深。

根據(jù)奮斗水庫(kù)工程所在地區(qū)的水文資料可知，冬季極端最低氣溫為-44.1℃，最大冰厚為1.42m，為保證蓄水保溫效果，有效削減外界低溫的影響，提高混凝土表面溫度，蓄水層在冬季冰層厚度按1.5m、水層厚度按2.5m考慮，確定最終蓄水水深為4m，即水位高程為EL348m，低于河床水位1.2m。

4.2 蓄水水溫的確定

根據(jù)奮斗水庫(kù)所在地區(qū)氣象資料，混凝土越冬開始保溫時(shí)間一般在10月中、下旬，蓄水保溫可直接采用河水，此時(shí)河水水溫一般會(huì)低于混凝土表面溫度，如溫差過(guò)大，與混凝土冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后，可能產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生溫度裂縫，因此必須對(duì)蓄水水溫與混凝土溫差進(jìn)行限制。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的澆筑溫度、絕熱溫升及散熱條件計(jì)算，2016年10月底允許蓄水水溫與混凝土溫差△T=6.04℃。

奮斗水庫(kù)于10月29日開始進(jìn)行蓄水保溫充水，當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)水溫為2.9℃，混凝土表面溫度7.3℃，混凝土內(nèi)部溫度16.4℃，滿足允許溫差要求。本工程采用2臺(tái)350m3/h水泵進(jìn)行充水，8h后水位達(dá)到混凝土面以上0.5m，61h后水位達(dá)到混凝土面以上4m，保溫的水位深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 溫度計(jì)埋設(shè)

為測(cè)得越冬期間混凝土內(nèi)部、表面及蓄水水溫的溫度情況，檢驗(yàn)蓄水保溫效果，本工程在2016年混凝土施工期間在壩體內(nèi)部及蓄水層不同深度布置了多支溫度計(jì)，溫度計(jì)采用電阻式溫度計(jì)。溫度計(jì)具體布置位置詳見(jiàn)表1。

表1 越冬混凝土溫度傳感器埋設(shè)分布情況表

注：混凝土頂面高程EL344m，水面高程EL348m。

5 蓄水保溫效果分析

2016年11月—2017年3月期間對(duì)混凝土內(nèi)部及蓄水水溫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)圖3。

圖3 2016年大壩混凝土越冬蓄水保溫溫度監(jiān)測(cè)分布圖

2016年越冬期間冰層厚度為0.9-1.2m，根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)情況可知：

1)混凝土內(nèi)部溫度隨蓄水保溫時(shí)長(zhǎng)呈下降曲線，至2017年3月中旬結(jié)束保溫時(shí)壩體內(nèi)部溫度穩(wěn)定在8-9℃，基本不受外界氣溫的影響；

2)混凝土表面溫度在整個(gè)越冬期間較為穩(wěn)定，最低時(shí)為2.3℃，最高時(shí)為4.5℃，大部分時(shí)間穩(wěn)定在3.5-4.5℃之間，且基本不受外界氣溫的影響；

3)混凝土上部2.8m處位于冰層底部附近，受外界氣溫變化波動(dòng)較大。

綜上所述，奮斗水庫(kù)2016年越冬蓄水保溫效果良好，混凝土表面溫度穩(wěn)定在3.5-4.5℃，高于規(guī)定的0℃標(biāo)準(zhǔn)，并在2017年開春復(fù)工后的混凝土檢查中未發(fā)現(xiàn)裂縫。

6 注意事項(xiàng)

蓄水保溫需遵循以下6點(diǎn)注意事項(xiàng)：

1)采用蓄水保溫方案時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)具備蓄水地形，混凝土越冬面應(yīng)低于河床水位，否則會(huì)出現(xiàn)蓄水外流，造成蓄水水深不夠而影響保溫效果。

2)蓄水前注意河水水溫與混凝土表面溫差，避免因溫差過(guò)大對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

3)蓄水水層深度(不含冰層)建議≥1m，水深過(guò)高將增加抽排水費(fèi)用，水深太低會(huì)影響保溫效果。

4)在混凝土停澆后至蓄水前應(yīng)采用臨時(shí)保溫，避免因混凝土長(zhǎng)時(shí)間暴露在低溫下對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。蓄水前根據(jù)蓄水總量來(lái)配置水泵，應(yīng)盡快將混凝土淹沒(méi)。

5)蓄水前做好預(yù)埋件保護(hù)，避免翌年破冰時(shí)損壞預(yù)埋件。

6)翌年排水時(shí)間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣溫來(lái)確定，可根據(jù)實(shí)際氣溫來(lái)安排分階段排水，以節(jié)省工期。

7 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本工程實(shí)踐，高寒地區(qū)混凝土越冬保溫采用蓄水保溫方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)施工簡(jiǎn)單，工序少。采用蓄水保溫只需配置水泵及安裝管路進(jìn)行充水及排水施工，工作量小，工序少，施工簡(jiǎn)單方便。

2)施工工期短。采用蓄水保溫可有效節(jié)約工期，根據(jù)蓄水總量及水泵配置數(shù)量，完全可以掌握并控制工期長(zhǎng)短。

3)保溫效果好。根據(jù)本工程2016年越冬蓄水保溫方案實(shí)踐，混凝土表面溫度基本穩(wěn)定在3.5-4.5℃之間，效果良好，并對(duì)抵抗混凝土因溫差而產(chǎn)生裂縫起到有利作用。

4)施工成本低。本工程2016年采用蓄水保溫方案的費(fèi)用僅為21萬(wàn)元，如采取覆蓋橡塑海綿板保溫方案，其費(fèi)用高達(dá)45萬(wàn)元，節(jié)約工程投資24萬(wàn)元，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

因此，混凝土采取越冬蓄水保溫不僅保溫效果良好，而且較傳統(tǒng)保溫方案具有工期短、成本低、工序少及施工簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

[1]夏世法，李秀琳，魯一暉.高寒地區(qū)碾壓混凝土壩岸坡壩段保溫方案研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008(06)：93-99.