某大型復線船閘閘室底板實測溫度統計分析

張 偉, 莊 維

(1. 安徽水安建設集團股份有限公司,安徽 合肥 230000;2. 三峽大學,湖北 宜昌 443002)

“十四五”以來,我國修建了數座大型船閘,由于船閘屬于大體積混凝土工程,收倉后混凝土由于水化反應會產生大量熱量[1],對施工質量存在一定的影響,為此,對其施工期進行必要的溫控十分重要。不少學者對大體積混凝土船閘底板溫控進行了研究。陳杰[2]等采用有限元軟件對蒙城樞紐建設工程船閘底板溫度場進行了分析,指出當前溫控措施是有效的;張潤德[3]等對清遠樞紐二線船閘的智能通水冷卻進行了研究,給出了一套高效通水冷卻的方案;包俊[4]等在犍為船閘施工監理過程中,總結了一套溫控監理措施,提高了船閘施工質量。

淮河流域處于我國南北氣候過渡帶,冬季低溫和夏季高溫天數較長,環境氣溫變化相對劇烈,在淮河流域建設大體積混凝土工程時進行必要的溫控措施顯得尤為重要。本工程結合一款具有無線溫度傳輸功能的溫度傳感器來實時監測澆筑倉混凝土的溫度。基于采集到的溫度數據,從統計分析的角度,對不同季節澆筑的底板最高溫度和內外溫差進行了整理,并分析了環境氣溫、冷卻水溫、收倉溫度對混凝土最高溫度的影響。分析結果可為淮河流域類似船閘工程的溫控提供一定的參考。

1 工程概況

某復線船閘工程位于安徽省六安市霍邱縣,工程建設標準為2 000 t級單線單級船閘,順水流共分為12節閘室,均采用鋼筋混凝土整體式結構,采用C25P6F100混凝土澆筑。由于閘室底板混凝土一次性澆筑方量較大,收倉后混凝土水泥水化熱溫升會使混凝土內部溫度過高,容易引起混凝土產生溫度裂縫,需要對底板做好溫控防裂措施[4-7]。為此,該工程在各底板布置了2層 32的PVC冷卻水管,采用通自循環冷卻水帶走混凝土內部熱量的方式來減小混凝土內外溫差,同時對混凝土表面分季節采取不同的保溫措施進行保溫,其中,在夏季收倉后,采用“1層塑料薄膜”+“1層土工布”進行表面保濕養護,而冬季外界環境氣溫較低,因此采用“1層塑料薄膜”+“1層土工布”+“1層棉被”的方式進行混凝土表面保溫。

2 閘室底板溫度監測與布置

2.1 閘室底板溫度監測

由于該大型船閘溫度計埋設數量多,人工測溫工作量大,為了及時準確的獲取混凝土內部和表層溫度,在底板內部2層冷卻水管中間和表層均布置了具有無線溫度傳輸功能的溫度傳感器,該溫度傳感器克服了傳統電阻式溫度傳感器需要人工讀數費事費力的缺點,可以實時監測混凝土溫度變化,同時具備異地查看溫度測值的功能,可以更好的指導調節溫控措施。該無線溫度傳感器工作原理如圖1所示。

圖1 無線溫度傳感器工作示意圖

2.2 閘室底板溫度傳感器布置

本工程閘室底板厚3 m,根據溫控設計方案,在底板內部距底板上表面1 m和2 m深度處布置了冷卻水管,水管間距為1 m×1.2 m(豎向×橫向)。為監測入倉后底板中心處混凝土最高溫度和內外溫差,分別在各底板中心垂向上的上表面0.1 m和1.5 m深度處預埋了2支無線溫度傳感器來獲取溫度實測值,其中0.1 m深度處的溫度傳感器監測混凝土表面溫度,1.5 m深度處的溫度傳感器監測混凝土最高溫度,兩者溫度差值即為混凝土內外溫差。與此同時,在冷卻水管進水口處布置1支無線溫度傳感器監測進水口溫度。冷卻水管布置及溫度計埋設位置如圖2所示。

圖2 冷卻水管布置及溫度計埋設示意圖

3 船閘底板溫度監測資料統計分析

3.1 混凝土最高溫度及內外溫差

基于無線溫度傳感器目前采集獲得了閘室底板開倉后混凝土溫度實時監測資料數據,本文首先對底板的最高溫度及內外溫差進行了統計。根據閘室底板澆筑時間,分春夏秋冬四個季節來分析閘室底板混凝土最高溫度平均值及內外溫差最大值平均值的變化。不同季節閘室底板混凝土最高溫度平均值及內外溫差最大值平均值的變化如圖3所示。

圖3 不同季節閘室底板混凝土最高溫度平均值及內外溫差最大值平均值

從圖3可以看出:①閘室底板混凝土最高溫度平均值隨季節變化明顯。夏季環境氣溫高,混凝土最高溫度平均值最大,達69.12 ℃;春季環境氣溫略低于秋季環境氣溫,在春季澆筑的混凝土最高溫度平均值同樣略低于秋季澆筑的混凝土最高溫度平均值;由于冬季施工環境氣溫最低,在該季節澆筑的混凝土最高溫度平均值最低,為55.82 ℃。②由于混凝土表層溫度受外界環境氣溫、表面保溫措施等多種因素的影響,不同季節底板混凝土內外溫差最大值的平均值存在一定的差異。在冬、秋、春季澆筑混凝土時,混凝土內部最高溫度相對偏低,雖然其表面采用“1層塑料薄膜”+“1層土工布”+“1層棉被”的方式進行混凝土表面保溫,但由于施工機械停放的原因,導致覆蓋的土工布被較早揭開,因此混凝土表面溫度相對較低,內外溫差最大值的平均值相對較大;夏秋季環境氣溫較高,導致混凝土內部溫度高[8],尤其是夜晚,環境氣溫降低后,此時內外溫差加大。

3.2 不同因素對混凝土最高溫度影響分析

混凝土最高溫度不僅受水泥水化反應放熱的影響,同時也受環境氣溫、冷卻水溫和收倉溫度的影響。為了分析這3種因素對混凝土最高溫度的影響,統計了不同季節底板澆筑倉混凝土到達最高溫度之前的環境氣溫均值、冷卻水水溫均值和混凝土收倉溫度均值,分析在不同季節3種影響因素對澆筑倉混凝土最高溫度的影響。特征值如圖4所示。

圖4 不同季節不同影響因素均值及混凝土最高溫度均值

從圖4可以看出:①混凝土收倉溫度、環境氣溫、冷卻水溫均呈現春秋季節相當、夏季最高、冬季最低的現象,與之對應的混凝土最高溫度也隨季節變換呈現周期性變化。②由于拌合樓離倉面較近(<500 m)且一般是夜間澆筑混凝土,但無論高溫季節還是低溫季節,混凝土均是自然入倉,收倉溫度受環境氣溫影響較大,特別是當年夏季遭受極端天氣,夏季環境氣溫均值高達31.04 ℃,導致混凝土在溫升階段初始溫度夏季高、其余季節稍低,冬夏兩季收倉溫度差值最大,為9.33 ℃。③由于現場從淮河引河水不便,本工程采用3 m3塑料水桶形成自循環冷卻通水裝置,雖然定期置換水體,但夏季受太陽輻射熱及混凝土內部溫度較高的影響,導致冷卻水溫均值達38.54 ℃,而混凝土內部主要通過與冷卻水進行熱交換來帶走熱量,冷卻水溫偏高時,冷卻水帶走的熱量明顯偏少。

4 結束語

(1)船閘底板混凝土最高溫度隨季節呈現周期性變化,冬季最低,為55.82 ℃,春秋季節相近,相差1.71 ℃,夏季最高,為69.12 ℃;內外溫差受外界環境氣溫和表面保溫措施等多種因素影響,總體偏大。

(2)不同季節環境氣溫存在明顯差異導致混凝土收倉溫度不同,冷卻水水溫過高導致混凝土與冷卻水熱交換的熱量較少,三者疊加后在高溫季節使得混凝土最高溫度明顯偏高。

(3)由于混凝土最高溫度偏高,在施工過程中可以分階段對混凝土溫度進行控制。首先在水泥品種選擇上,可以選擇低水化熱水泥拌合混凝土,這樣可以使3 d、7 d水化熱較通用水泥減少15%～20%左右;然后是在拌合混凝土前,對骨料預冷,降低入倉前混凝土的溫度;最后是收倉后及時灑水養護、嚴格控制冷卻水溫。從多角度全過程進行溫度控制,來有效降低混凝土最高溫度。