某碾壓混凝土重力壩施工溫控措施研究

趙偉國

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

1 工程概況

某碾壓混凝土重力壩，壩頂總長476.8m，壩頂高程777.60m，最大壩高101m，壩頂寬度為8.0m，共分23 個壩段。在正對下游河床部位布置溢流壩段，兩側布置非溢流壩段。左岸非溢流壩段壩頂長261.0m，中間溢流壩段長34.8m，右岸非溢流壩段壩頂長181m。壩體上游面在高程730.0m 以上垂直以下為1:0.2 的斜面，壩下游面坡度為1:0.78。

大壩混凝土主要為碾壓混凝土和常態混凝土，混凝土為二級配和三級配兩種。混凝土總量約65.2 萬m3，其中大壩碾壓混凝土總量約53.1 萬m3，常態混凝土5.6 萬m3，變態混凝土6.5 萬m3。

壩址地處北回歸線以南，為亞熱帶季風氣候，冬季溫和少雨，夏季多雨且伴有臺風，氣溫較高。氣溫年變化與日變化均較小，濕度大，氣候條件對碾壓混凝土施工較為有利。

2 設計溫控標準和要求

（1）大壩混凝土基礎容許溫差，設計容許大壩混凝土基礎溫差如表1。

表1 大壩混凝土容許最高溫度控制表單位℃

（2）碾壓及常態混凝土的內外溫差控制不超過16℃。

（3）在間歇時間超過28d 的老混凝土面上繼續澆筑時，老混凝土面上1/4L 范圍內的新澆筑混凝土按新老混凝土溫差控制，溫差控制標準為：碾壓混凝土不大于13℃，常態混凝土不大于15℃。

（4）在混凝土施工過程中，各壩塊應均勻上升，除監理人另有指示外，相鄰壩段高差不應大于12m。

（5）壩體允許最高溫度控制標準見表2。

3 混凝土溫度控制計算

該碾壓混凝土大壩以C9010W2 F50 碾壓混凝土為主，其他標號混凝土相對結構單薄。故本次混凝土溫度控制以C9010W2 F50 碾壓混凝土為主，常態混凝土采用對應時段碾壓混凝土溫度控制措施，可滿足相應的溫控要求。

表2 壩段允許最高溫度表

3.1 混凝土溫度控制主要計算公式

（1）出機口溫度計算公式

混凝土出機口溫度根據熱平衡原理按下式計算：

式中，T0 為混凝土出機口溫度；Wi為每m3混凝土中各種原材料的重量（kg/m3）；Ci為混凝土各種原材料的比熱（kJ／kg·℃）；Ti為混凝土各種原材料的溫度（℃）：q 為每立方米混凝土拌和時的機械熱（kJ）；

（2）混凝土入倉溫度計算方法

式中：TI 為混凝土入倉溫度；T0為混凝土出機口溫度；Ta 為氣溫；R/β 為太陽輻射熱引起的氣溫升高值，該值與緯度和澆筑月份有關；φ 為混凝土在運輸裝料、卸料、轉運等過程中熱交換系數；∑Aiτi－為混凝土在運輸過程中的熱交換系數。τ 為運輸時間（分）；A 值與混凝土運輸工具和單車運輸混凝土量有關。

（3）混凝土澆筑溫度計算方法

式中，Tp 為混凝土澆筑溫度；TI 為混凝土入倉溫度；Ta 為氣溫；R/β 為太陽輻射熱引起的氣溫升高值，該值與緯度和澆筑月份有關；φ1 為混凝土平倉前的溫度回升系數；φ2 為混凝土平倉以后、振搗至上坯混凝土覆蓋前的倉面溫度回升系數，采用單向差分法計算混凝土澆筑過程中的溫度回升率。

（4）太陽輻射熱計算公式

太陽輻射熱溫升計算根據朱伯芳院士編著的《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》中有關公式計算，多云或陰天太陽輻射熱引起的氣溫升值為：

ΔTa=R/β

式中：ΔTa 為太陽輻射熱溫升，該值與緯度和澆筑月份有關；β 為混凝土表面熱交換系數，值約為80kJ/m2·h·℃；R 為太陽輻射熱被建筑物吸收的部分。

R=αsS

式中，αs 為吸收系數，混凝土表面取0.65；S 為太陽輻射熱，考慮一定云量影響。

S=S0（1-Kn）

式中，S0 為晴天太陽輻射熱；n 為平均云量，取0.4；K 為與緯度有關的系數，查緯度約為25.5 度，取K=0.68。

從地圖上查得壩址緯度約22.5 度，根據朱伯芳院士編著的《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》中查得本工程5～8 月晴天太陽輻射熱約1250 ～1360kJ/m2·h，代入上述各式計算可得：5 ～8 月白天少云天氣太陽輻射熱引起的等效月平均氣溫溫升分別為7.35 ～8.10℃。由此可見，太陽輻射熱對澆筑溫度的影響是非常顯著的。

（5）混凝土內部初期最高溫度計算公式

施工期混凝土最高溫度計算，主要是根據實際施工條件核算大壩混凝土溫度，判別混凝土溫度是否控制在設計允許最高溫度范圍內，為確定各種必要的溫控措施提供依據。本工程采用《水利水電工程施工手冊·混凝土工程》中提供的“實用計算法”進行施工期混凝土最高溫度驗算。由于熱傳導微分方程和邊界條件都是線型的，因此可以利用疊加原理，將澆筑塊的散熱過程分解為三個單元求和，計算公式如下：

式中，Tm為混凝土澆筑塊平均溫度，℃；TP為混凝土澆筑溫度，℃；Tτ為混凝土水化熱溫升，采用時差法計算，℃；F0為時差法計算時的參數，F0=aτ/l2；a 為混凝土導溫系數；τ 為計算時間，d；l 為混凝土澆筑層厚度，強約束區按1.5m 計算，非約束區按3m 計算。

E1為新澆混凝土接受老混凝土固定熱源作用并向頂面散熱的殘留比，根據下式計算：

E2—新澆混凝土固定熱源向空氣和老混凝土傳熱的殘留比，根據下式計算：

TS—混凝土表面溫度，TS=Ta+ΔT（單位：℃）；

Ta—氣溫（單位：℃），取月平均氣溫；

ΔT—混凝土表面溫度高于氣溫的差值，可近似取ΔT=2～5℃（混凝土標號較低時取小值）；當頂部覆蓋一層草袋或其它相當的保溫材料時，ΔT≈10℃；當頂面流水養護時，TS=（Ta+Tw）/2。

3.2 混凝土絕熱溫升

參考《上水庫碾壓混凝土重力壩溫度控制研究專題報告》，對于壩體各分區混凝土采用復合指數公式擬合試驗數據：

式中，T0－混凝土的最終溫升值，℃；τ 為齡期(d)；b為試驗參數。

表2 絕熱溫升擬合公式參數

3.3 計算結果

根據以上計算公式，碾壓混凝土絕熱溫升取21℃，結合投標階段壩址處水文氣象條件、碾壓混凝土配合比及初設溫控報告相關資料，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，計算結果如下表所示。

4 計算結果分析

計算結果表面，河床壩段基礎強約束區冬季低溫季節能滿足設計溫控標準，基礎弱約束區11 月～次年2 月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11 月～4 月可自然入倉，5 月～10 月高溫季節溫度采用加冰加冷水拌和，必要時進行初期通水削峰，滿足設計溫控標準要求。

結合陽蓄上庫施工進度，2019 年11 月開澆大壩強約束混凝土，2020 年3 月底大壩澆筑至716 高程，脫離了基礎弱約束區。即基礎約束區均在11 月～4 月上旬完成，采用加冰加冷水拌和，必要時采用15℃制冷水進行初期削峰，滿足設計溫控要求。非約束區部位，5 ～9 月采取預冷或通水冷卻后，均能滿足設計容許的最高溫度要求。

表3 3m 澆筑層厚內部碾壓C9010W2 F50 自然入倉內部最高溫度計算結果單位℃

對于大壩上游面防滲層混凝土，可通過適當加密區間水管間距、加強初期通水冷卻來控制混凝土內部最高溫度。

5 結語

針對建設項目具體的自然環境條件，運用科學的方法進行混凝土溫度計算，確保壩體混凝土澆筑能滿足設計溫控標準的要求，為大壩連續上升澆筑提供了合理的溫控措施，從而加快施工進度、縮短施工工期、增加工程效益。