洋前壩水庫(kù)大體積混凝土施工溫度控制措施研究

吳 軒

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330209)

0 引 言

大體積混凝土施工過(guò)程中，將出現(xiàn)混凝土溫度升高現(xiàn)象，當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)會(huì)造成混凝土澆筑質(zhì)量下降，從而影響工程的質(zhì)量[1-3]。混凝土施工溫度控制具有多種方法、措施，針對(duì)不同的外界環(huán)境條件需采取不同的溫度控制措施以保證溫度控制效果[4-6]。在外界溫度較高的情況下，往往采取冷卻管進(jìn)行降溫，影響該措施降溫效果的因素包括：冷卻管間距、進(jìn)水溫度等[7-8]。

1 工程概況

洋前壩水庫(kù)地處贛州市定南縣巋美山鎮(zhèn)溪尾村，壩址位于定南水一級(jí)支流老城河上游，壩址以上流域面積25.8km2，水庫(kù)總庫(kù)容2170×104m3，是一座以供水為主兼有灌溉的中型水庫(kù)樞紐工程，樞紐建筑物主要由主壩、1#副壩、2#副壩和供水工程等組成。左、右岸非溢流壩為C15混凝土重力壩，壩長(zhǎng)各為49.5m和53m，壩頂高程為411.50m，左、右岸非溢流壩最大壩高分別為45.50m和48m。壩頂寬6.5m，壩體上游面390.00m高程以上豎直，390.00m以下為1∶0.25的斜坡面；壩體下游面406.00m高程以上豎直，406.00m以下為1∶0.75的斜坡面。壩體上游面采用厚1.5m的C25混凝土面板，壩體基礎(chǔ)及齒槽采用C20混凝土。

2 綜合溫控措施

2.1 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

澆筑混凝土前，需進(jìn)行混凝土配比試驗(yàn)，選取集配優(yōu)良，發(fā)熱低的配比。在保證混凝土質(zhì)量的同時(shí)，盡可能減少水泥用量，減少混凝土施工中的水化熱。針對(duì)施工溫度要求嚴(yán)格的區(qū)域，盡可能選取溫度較低的11月至次年4月進(jìn)行，若無(wú)法避開(kāi)高溫的6-8月，則可利用夜間時(shí)間進(jìn)行施工。

2.2 拌和樓出機(jī)口溫度控制

控制混凝土細(xì)骨料的含水率在6%以下，且含水率波動(dòng)幅度≤2%。混凝土骨料可采用預(yù)冷的方式進(jìn)行處理，拌和時(shí)可使用冷水，以降低混凝土出機(jī)口的溫度。其它情況出機(jī)口溫度應(yīng)按各月不同的澆筑溫度作適當(dāng)調(diào)整。

2.3 采取綜合溫控措施，降低混凝土入倉(cāng)溫度和澆筑溫度采取綜合溫控措施

2.4 混凝土運(yùn)輸過(guò)程溫度控制

1)優(yōu)化混凝土運(yùn)輸方案，加快混凝土的入倉(cāng)速度，宜一次性到位，以盡最大能力減少混凝土中間倒運(yùn)次數(shù)，減小混凝土溫度回升系數(shù)。

2)確保運(yùn)輸?shù)赖臅惩ǎs短運(yùn)輸時(shí)間。

3)高溫季節(jié)施工需加強(qiáng)混凝土運(yùn)輸機(jī)具的保溫工作，混凝土運(yùn)輸車(chē)輛頂部搭設(shè)活動(dòng)遮陽(yáng)蓬，車(chē)廂兩側(cè)設(shè)保溫層，以減少混凝土溫度回升。

3 混凝土施工溫度控制分析

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

混凝土施工澆筑過(guò)程中，溫度的變化主要原因是水泥的水化熱作用。因此，混凝土內(nèi)部的溫度場(chǎng)是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。混凝土施工區(qū)域R內(nèi)，混凝土溫度場(chǎng)滿足以下關(guān)系：

(1)

式中：T為溫度；a為導(dǎo)熱系數(shù)；τ為時(shí)間；T0為混凝土初始溫度；Tw為進(jìn)水的溫度；θ0為混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ為與水管冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

3.2 溫度應(yīng)力

混凝土大壩內(nèi)部，初始溫度和穩(wěn)定溫度之間存在溫差，這將導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在溫度應(yīng)力，采用下式計(jì)算：

(2)

式中：Kp為應(yīng)力松弛系數(shù)；R為基礎(chǔ)約束系數(shù)；Ec混凝土彈性模量；α為溫度線膨脹系數(shù)；μ為泊松比；k為澆筑初期溫升折減系數(shù)；B為水化熱溫度應(yīng)力系數(shù)；Tf為水化熱形成的溫升；c為體積形變影響系數(shù)；ε0為初始應(yīng)變。

3.3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.3.1 模型建立

混凝土壩冷卻管空間布置方式如下：2m×2m，2m×1m，1m×1m，不通水降溫方案作為對(duì)比方案。通過(guò)建立數(shù)值模擬模型，分析混凝土的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。混凝土澆筑完成后，繼續(xù)通水10d，進(jìn)口冷水溫度為10℃。冷水管布置方式如圖1所示，共鋪設(shè)5層。

圖1 冷水管布置方式

3.3.2 計(jì)算參數(shù)選取

利用ANSYS軟件分析該方法控制混凝土施工溫度的效果。各材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)取值

3.3.3 混凝土徐變假定

數(shù)值分析時(shí)混凝土徐變按下式計(jì)算：

C(t,τ)=(A1+A2/ταl)[1-e-k1(t-τ)]+(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(3)

式中：C為混凝土徐變程度；t-τ為持荷時(shí)間；k、A、B、D、α徐變擬合的參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 混凝土徐變各參數(shù)取值

3.4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 溫度場(chǎng)變化特征

為了研究溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化情況，在壩體澆筑過(guò)程中的第三層的中心點(diǎn)、第三澆筑層的右側(cè)角點(diǎn)分別布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1、JC2。通水時(shí)間從開(kāi)始澆筑混凝土至澆筑完成后10d為止。溫度場(chǎng)變化特征見(jiàn)圖2。

從圖2可知，在不通水以及不同水管布置間距的情況下，混凝土內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。布置冷水管的情況下，混凝土內(nèi)部溫度下降速度更快，最終的溫度也更低。但小間距水管布置下，混凝土內(nèi)部溫度較低，與外部環(huán)境之間溫差較大，可能造成混凝土出現(xiàn)裂縫。表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2變化趨勢(shì)和外部環(huán)境基本一致。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1溫度變化特征

3.4.2 應(yīng)力場(chǎng)變化特征

應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)間主要為混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水10d。利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分析壩體內(nèi)部應(yīng)力變化情況。

不同冷卻方式壩體內(nèi)部平行水流方向的應(yīng)力變化情況見(jiàn)圖3，從圖中可知，在施工完成后的5d內(nèi)，壩體內(nèi)部應(yīng)力不斷增大，之后的5-10d應(yīng)力減小，其主要原因是，隨著水管冷卻降溫，混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境溫差減小，但上部混凝土澆筑導(dǎo)致壓力增大。10-20d壓力呈現(xiàn)平穩(wěn)上升的趨勢(shì)。采用降溫措施后，混凝土材料溫度下降有利于緩解混凝土內(nèi)部應(yīng)力較大的問(wèn)題。

不同冷卻方式表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖4，從圖中可知，JC2在施工、施工完成后主要承受拉應(yīng)力，其主要原因是，壩體內(nèi)部混凝土與環(huán)境溫度之間存在溫差。采用1m×1m方式布置冷水管時(shí)，拉應(yīng)力最大，主要原因是溫差變化大，不利于混凝土徐變，從而導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)應(yīng)力集中。JC2拉應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖5，采用1m×1m方式布置冷水管時(shí)，最大拉應(yīng)力超過(guò)2.1MPa，可導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)拉張裂隙。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC1水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2水流方向的水平方向應(yīng)力變化特征

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC2最大拉應(yīng)力變化特征

4 結(jié) 論

1)在大體積混凝土施工過(guò)程中需要結(jié)合外部環(huán)境條件，選取適宜的溫度控制措施，避免混凝土內(nèi)部和外部環(huán)境之間溫差較大，從而影響混凝土施工質(zhì)量。

2)采用冷卻管方式對(duì)混凝土溫度控制具有良好的效果，但冷水管布置間距對(duì)混凝土溫差和溫度場(chǎng)影響較大，冷卻管間距大溫度控制效果差，過(guò)于密集則將造成溫差大，導(dǎo)致壩體表面拉應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)拉張裂隙，綜合考慮建議冷卻管采用2m×1m的布置方式。