高寒地区大坝混凝土施工期的温控设计与研究

2011-12-24杨晨光

水电站设计 2011年4期

杨晨光，侯攀，黄玮

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

某大坝为混凝土重力坝,枢纽布置格局为重力坝+坝后式厂房，由左右岸挡水坝段、溢流坝段、厂房坝段、冲砂底孔坝段、坝后式地面厂房、消力池和海漫等组成。整个坝体分为19个坝段，坝体在浇筑期间设1条纵缝，大坝混凝土以四级配、常态混凝土为主。大坝混凝土采用缆机浇筑，全年施工，混凝土浇筑不受洪水影响，坝体上升均匀。

工程所在地区属高原温带、寒温带气候，坝区多年平均气温9.2℃，极端最高、最低气温分别为32.0℃、-16.6℃，最高气温多发生在6、7月；昼夜温差较大。多年平均降水量540.5mm，多年平均相对湿度51%，多年平均风速1.6m/s，最大风速19m/s。

2 大坝的温控特点

与其它工程相比，由于该工程地处高原地带，具有气候寒冷，气温年变幅、日变幅均较大，气候干燥，太阳辐射热强，冬季施工期长等特点，这些因素对大坝施工期间的温控显得尤为重要。结合上述坝区气象条件，大坝混凝土温控应注意以下4个方面：

(1) 冬季(每年12～翌年2月)月平均气温在0～4.7℃之间，具有高原、高寒地区的气候特点，混凝土施工的防冻问题突出，因此需做好混凝土施工从骨料生产到仓面浇筑一系列环节的保温措施。

(2) 夏季(6～8月)气温较高，必须采取降低出机口温度、水管冷却等有效人工降温措施，把混凝土温度控制在允许范围内，并做好混凝土浇筑的仓面养护。

(3) 坝区昼夜温差大，需加强混凝土表面保护，防止内外温差过大导致混凝土开裂。

(4)上游面劈头裂缝问题。由于大坝的基岩对混凝土约束较大，混凝土方量大，水化热温升较高，当坝体最高温度较高时，约束区上游面附近仍会有较大的温差，同时该部位受内外温差和基础温差的双重作用，极易产生劈头裂缝。因此，约束区上游面附近的防裂应是温控重点之一。冬季遇低温时，使拉应力加大，易在上游面附近产生裂缝。

3 典型坝段的准稳定温度场及温度控制标准

3.1 坝体准稳定温度场

坝体准稳定温度场取决于多年月平均气温、月平均库水温度。采取一类边界条件，上游面温度为库水温，库底年均水温是较难确定的一个参数，一般参照条件相近的已建水库的实测资料，用类比的方法确定。我国西北地区深度50m以上的水库，库底年均水温约6℃，本工程取库底水温为6℃，库表年平均水温11.2℃，厂房进水口处水温8.1℃，冲沙底孔孔口水温6.8℃。下游面气温考虑太阳辐射热后增加3℃。

取左岸底孔坝段、溢流坝段和厂房坝段，用三维模型分别计算了其准稳定温度场。厂房坝段的准稳定温度场见图1、2。

图1 厂房坝段1月份准稳定温度场

图2 厂房坝段7月份准稳定温度场

3.2 坝体施工期温控标准

采用典型坝段的三维模型，仿真计算了在不同温控措施、不同月份开始浇筑约束区及非约束区混凝土的温度场及应力场。针对不同坝段，做了大量的工况仿真计算，在满足大坝允许拉应力的前提下,提出了不同坝段的推荐温控标准及温控措施(见表1)。

表1 混凝土容许温差 ℃

此外，温控标准还要求：对岸坡坝段，约束区混凝土的温差标准适当从严。

上、下层温差控制标准可以比基础约束适当放宽。设计拟定：当浇筑块上层混凝土短间歇均匀上升的浇筑高度大于0.4L时，上、下层允许温差取 18℃；对长间歇情况，上、下层允许温差不大于 15℃。

根据计算成果，设计要求控制内外温差不大于5.0℃/m，即距离1.0m内的混凝土温度梯度不大于5.0℃。为了便于施工管理，拟控制混凝土不超过允许最高温度。同时，针对不同季节的气候特点，辅以表面保护措施(见表2)。

表2 混凝土允许最高温度 ℃

3.3 坝体施工期推荐温控措施

与其他工程不同的是，大坝不仅在夏季需要控制混凝土的浇筑温度，而且在冬季，必须对混凝土进行加热保温措施。各月浇筑温度见表3。

表3 大坝混凝土各月混凝土允许浇筑温度 ℃

经过综合比较，夏季(6～8月)通水应采用水温8℃的人工冷却水，其它季节通天然河水。为保证冷却水管内有足够的流量使管内形成紊流条件，经过计算，冷却水流量不小于2.66m3/h，即45L/min。基础强约束区混凝土的通水时间不少于20d，脱离基础约束区通水时间为14～20d。二期冷却通水时间为40天, 8.0℃水冷却通水30天，再用6.0℃水冷却10天。推荐温控措施见表4。

4 低温季节混凝土浇筑温度研究

严寒地区大坝混凝土施工期一般为4月至10月,每年10月末至次年4月初停止混凝土施工。由于该工程工期紧,冬季月平均气温在0℃以上，所以在低温季节不考虑停工。该地区混凝土坝主要有以下特点:(1)年平均气温低。坝体内部混凝土散热慢,长期处于高温状态,冬季内外温差大,容易出现

表4 大坝(含厂房混凝土)强约束区(0～0.2L)混凝土主要温控措施建议

注：1)表中A为水管冷却；B为骨料预冷；C为表面保温。

2)弱约束区和自由区(4～10月)允许浇筑温度可适当放宽2～3℃。

裂缝,对温度控制要求严。(2)气温低,混凝土冻融破坏严重。如吉林的丰满大坝溢流坝面和辽宁的参窝大坝溢流坝面,皆因冻融破坏而采取凿除重新浇筑钢筋混凝土的处理措施。(3)空气干燥,全年空气湿度小。西北地区夏季日蒸发量大,光照强度大、时间长,特别是有风的时候,水分蒸发特别快,很容易使混凝土在初凝之后因为水分不足而不能充分进行水化反应,甚至使混凝土因干缩而导致裂缝。

借鉴类似工程经验，本工程在每年11月初～翌年2月末，日平均气温低于5℃，大坝混凝土即进入冬季施工。混凝土冬季施工采用“蓄热法”。

(1)成品骨料堆内埋设蒸汽排管，防止骨料冻冰结块，混凝土拌和楼料仓内采用热风对粗骨料进行加热，骨料加热温度应满足冬季混凝土各月出机口温度的要求。

(2) 混凝土必须采用热水拌合，控制拌合水温一般不超过60℃。

(3)为满足混凝土防冻防裂要求，控制混凝土的浇筑温度为5～10℃。

(4)在基岩面上或所有混凝土面上浇筑新混凝土前，用暖风机或其它升温措施，将其表层混凝土升温至2～3℃以上，加热深度不小于10cm。

5 表面保护研究

坝址处的气象条件决定了表面保护是该工程温控的重点。夏季，白天气温较高，气温日变幅较大；冬季平均气温低，气温年变幅大。这些都容易引起表面裂缝。计算表明，在气温降幅较大或冬季气温较低时，须采取一定的混凝土表面保护措施，以提高坝体的抗裂安全系数。初拟如下主要保护措施：

(1)仓面覆盖一层塑料膜+一层土工膜+2cm厚棉被，上、下游面钢模板外贴2cm厚聚乙烯苯板(或等同的其他材料)。坝身深孔、底孔、表孔等结构部位，其混凝土表面保温材料适当加厚。

(2)对于上、下游面等永久暴露面，施工期保温按外挂保温材料的全年保温方式。

(3)各坝块侧面及上表面采取临时保温方式，需保温过冬的混凝土在每年9月底完成所有部位混凝土表面保温工作，对底孔、深孔等坝体重要部位形成的孔洞、廊道、竖井等也必须在9月底前挂保温材料封口，防止冷空气对流。每年10月～次年4月浇筑的混凝土，在浇筑完毕后其上表面及侧面应立即覆盖保温材料，直至上层混凝土开始浇筑前方可揭开。

(4)廊道进、出口冬季尽可能封堵。

(5)冬季浇筑的混凝土应适当推迟拆模时间。

(6)在高温季节浇筑混凝土时，应该在表面通流水，以降低混凝土最高温度。