溫控措施計算在某大壩碾壓混凝土施工中的應用

鄭文武

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南省長沙市 410000）

1 工程概況

某電站位于深圳市東北部，裝機容量4×300MW。上水庫樞紐包括：1座主壩、5座副壩、庫周防滲處理和環庫公路等，其中主壩和4＃副壩為碾壓混凝土重力壩，碾壓混凝土工程量為25.4萬m3。

2 溫控標準

主壩與4#副壩大體積混凝土需進行溫度控制，以確保混凝土施工質量。碾壓混凝土溫度控制為強約束區34℃，弱約束區36℃，非約束區38℃。

3 溫控計算

3.1 混凝土配合比

針對大體積混凝土需采取溫控措施，故此處取壩體C10三級配碾壓混凝土為計算對象。C10三級配碾壓混凝土配合比為：水92kg/m3，水泥74kg/m3，煤灰 110kg/m3，砂 727kg/m3，大石 427kg/m3，中石 569kg/m3，小石427kg/m3。

3.2 原材料初始溫度取值

在考慮對砂石料倉采取遮陽措施后，碾壓混凝土原材料初始溫度取值如表1所示。

表1 混凝土原材料初始溫度取值表單位：℃

3.3 混凝土絕熱溫升計算

混凝土的最終絕熱溫升按下式計算：

式中：θ0——混凝土最終絕熱溫升，℃；

Q0——膠凝材料最終水化熱，水泥及粉煤灰分別取值300kJ/kg、150kJ/kg；

W——膠凝材料用量，水泥及粉煤灰分別取值64kg、125kg；

C——混凝土比熱，此處取1kJ/（kg·℃）；

ρ——混凝土容重，根據配合比取2413kg/m3。

經計算，θ0=15.6℃。

3.4 混凝土出機口溫度計算

混凝土出機口溫度主要取決于拌和前各種原材料的溫度。根據熱平衡原理，按下式計算：

式中：T0——混凝土出機口溫度，℃；

Wi——每m3混凝土中各種原材料的重量，kg/m3；

Ci——混凝土各種原材料的比熱，kcal/kg·℃；

Ti——混凝土各種原材料的溫度，℃：

q——每立方米混凝土拌和時的機械熱，kcal；此處取600。分別將各參數代入式（2）式進行計算，其成果見表2。

3.5 混凝土入倉溫度計算

混凝土入倉溫度計算公式如下：

式中：TB·p——混凝土入倉溫度，℃；

T0——混凝土出機口溫度，℃；

Ta——氣溫，℃；

θi（i=1，2，3，…，n）——溫度回升系數，混凝土裝、卸和轉運每次θ=0.032，混凝土運輸時，θ=At；（注：此處 θ1取 0.032、θ2取 0.032、θ3=0.0015×20=0.03）

A為混凝土運輸過程中的溫度回升系數，與運輸工具和單車運輸混凝土量有關；此處取0.0015℃/（min·℃）；

t為運輸時間，min；此處取 20。

分別將各參數代入式（3）式進行計算，其成果見表2。

3.6 混凝土澆筑溫度計算

溫凝土澆筑溫度則是由混凝土的出機口溫度和混凝土在運輸、澆筑過程中的所進行的熱交換兩部分決定的。

式中：Tp——混凝土澆筑溫度，℃；

Ta——氣溫，℃；

θp——混凝土澆筑過程中溫度倒灌系數，一般可根據現場實測資料確定，也可用單向差分法進行計算，缺乏資料時可取=0.002～0.003℃/（min·℃）；

t——鋪料平倉振搗至上層混凝土覆蓋前的時間，min。分別將各參數代入式（4）式進行計算，其成果見表2。

3.7 混凝土內部初期最高溫度計算

通常澆筑塊的最高溫度不僅與澆筑溫度有關，與不同配合比的混凝土的熱學性能、澆筑塊升程高度、散熱面及間隙時間，養護方式、氣溫等都息息相關。考慮到澆筑塊平面尺寸大大超過澆筑層厚度，計算混凝土早期最高溫度可忽略澆筑塊側面散熱的影響。本工程按《混凝土重力壩設計規范》中有關要求進行計算，其中自然散熱時采用單向差分法計算，有初期通水冷卻時，將差分法計算與一期通水冷卻計算相結合進行。即采用差分法計算一期通水冷卻及層面散熱，混凝土溫度按以下公式計算：

式中：

Δφ=φ（τ+Δτ）-φ（τ）

Δψ=ψ（τ+Δτ）-φ（τ）（1）無初期通水時，混凝土內部初期溫度計算式為：

3.8 計算結果

根據以上計算公式，結合投標階段壩址處水文氣象資料、碾壓混凝土配合比及壩址附近類似工程經驗，可估算本標段碾壓混凝土在不同條件下各月內部最高溫度，計算結果如表2所示。

表2 3m澆筑層厚碾壓混凝土不同溫控措施內部最高溫度計算成果表單位℃

計算結果表面，河床壩段基礎強約束區除12月～次年3月低溫季節能滿足設計溫控標準外，其他月份均需采用必要的溫控措施以滿足設計溫控要求；基礎弱約束區除11月～次年3月低溫季節能滿足設計溫控標準外，其他月份均需采用必要的溫控措施以滿足設計溫控要求；非基礎約束區除6月～9月高溫季節溫度需采用必要的溫控措施外，其他月份均可采用自然澆筑。

根據碾壓混凝土溫度控制計算結果，6月～9月澆筑強約束區混凝土時，需采取加冷水拌和等預冷措施，最不利組合甚至還需進行初期通水冷卻、表面流水養護等措施，才能將強約束區混凝土內部溫度控制在設計容許范圍內。

根據上述計算結果結合本工程施工進度安排，主壩及4#副壩在澆筑月份相應的均可在的溫控措施表如表3所示。

4 混凝土溫度控制主要措施

根據上述計算公式可見，混凝土的內部溫度與原材料的初始溫度及熱學性能、膠凝材料的用量、外界環境溫度、轉運次數及運輸時間、澆筑層厚度、層間間隔時間及養護方式等諸多因素有關。為保證混凝土施工質量，滿足混凝土溫度控制的設計要求，本工程將采取以下措施：

（1）為利用料層本身的隔熱性能，使料堆內部的骨料溫度趨于穩定，減少太陽暴曬、晝夜氣溫變化的影響，可在砂石料倉上搭設遮陽棚，并在晚間或早晨等氣溫較低時進行砂石料的運輸儲備，以降低骨料初溫。另外，拌和用水盡量從深處抽取，以充分利用自然低溫水。

（2）混凝土澆筑前，可對配合比進行優化設計，適當減少膠凝材料用量，以降低混凝土內部水化熱溫升。同時，對強約束區的混凝土摻入氧化鎂，以提高混凝土的抗裂性能。

（3）合理安排混凝土澆筑時段，將溫度要求嚴的約束區部位安排在低溫季節施工，以充分利用外界的低溫環境。

（4）高溫季節施工，加強混凝土運輸及倉面的澆筑管理，并采用斜層法施工，減小單個層面的澆筑面積，加快層間覆蓋速度，以縮短層間間隔時間。同時，采取倉面噴霧措施，以形成局部小氣候，降低倉面澆筑溫度。另外，還可采用初期通水降溫及表面流水養護等綜合散熱措施，以削減混凝土內部水化熱溫升，降低內部溫度。

（5）主壩底部墊層常態混凝土為1.5m厚，4#副壩底部墊層常態混凝土為1.0m厚，均可采用薄層施工。必要時，對基礎強約束區及高溫季節施工的大體積混凝土的一次澆筑層厚由3m調整為1.5m，亦可進行薄層施工。

（6）施工過程中，加強天氣預報工作，并采購一批混凝土保溫被備用，防止因氣溫驟降而引起表面裂縫的產生。

（7）加強溫度監測，對混凝土的內部溫度實時監控，并根據監測成果，對上述溫控措施適時組合，以滿足溫控要求。

表3 主壩及4#副壩碾壓混凝土各月溫控措施表