高碾压混凝土坝取消骨料预冷可行性研究

2012-10-21李同春陈祖荣刘晓青

三峡大学学报(自然科学版) 2012年6期

程井李同春陈祖荣刘晓青

（1.河海大学水利水电学院，南京 210098；2.中国水利水电第十六工程局有限公司，福州 350003）

碾压混凝土坝以其施工速度快、造价低的优势得到了快速发展，成为当前主流坝型之一.近20年来我国在200m级高碾压混凝土重力坝及拱坝的施工技术方面发展迅速［1－2］.沙牌拱坝在汶川地震中经受住了极大的考验，更加证明了碾压混凝土坝的安全可靠性.

温控防裂是限制碾压混凝土施工速度进一步提高的技术难点之一［3－4］.目前碾压混凝土施工期温控措施及温控标准仍主要参考常态混凝土［5］，如何结合碾压混凝土自身特点以及当前温控技术成果，进一步提高施工速度、优化温控措施，提高碾压混凝土施工的质量、效率和成本，具有重要工程价值.本文结合乌江沙沱碾压混凝土重力坝工程，先从工程技术上提出了取消骨料预冷的可行性；然后依据坝体实际施工条件及过程，通过对混凝土出机口温度、入仓温度、仓面温度回升以及通水冷却过程的研究分析，来探讨和论证取消骨料预冷的可行性和合理性，并对其经济效益进行了分析.理论分析结果和实际浇筑过程表明，在合适的通水冷却及仓面温控措施条件下，高温季节取消骨料预冷是可行的.

1 碾压混凝土温控技术进展

早期碾压混凝土坝由于方量小，一般考虑高温季节停碾度汛，如蔺河口［6］、索风营、普定等；但如果坝高较大，工期就会较长，如百色重力坝，坝高130m，坝体混凝土方量269万m3，利用枯水期进行施工，工期长达3年；考虑骨料预冷和通制冷水后，坝体可以实现全年施工，如龙滩重力坝采取高温季节连续浇筑，坝高192m，2004年8月4日大坝开浇第一仓混凝土，2006年9月30日正式下闸蓄水.

可见，随着材料配合比设计［7］及水管冷却技术的不断进步，碾压混凝土的温控措施将更加高效简捷.以下结合当前我国碾压混凝土坝自身温控特点来谈谈取消骨料预冷的可行性：

1）材料方面：水泥用量及胶凝材料总用量少，粉煤灰掺量高，掺入缓凝减水剂，水化热低，前期水化反应速率及最高温升远低于常态混凝土，最高温度出现时间较晚，一般在5～7d以后，早期通水削峰效果相当明显；

2）仓外温控：碾压混凝土筑坝，具有强度高、工期短、快速施工的特点.配置的预冷骨料系统所需制冷容量大、成本高、使用周期短；碾压混凝土属于干硬性拌和物，用水量低，常态混凝土常用的加冰拌和降低拌和物出机口温度的温控措施不太适用；

3）施工方面：采用全断面薄层连续上升，碾压层间歇短，一般6～8h，采取高效缓凝剂后可以达到10～12h；坝体较少分缝，施工仓面大，坝基附近仓面可达5 000m2以上，采用骨料预冷后摊铺过程冷量损耗很大，索风营实测运输及摊铺期混凝土温升可到6～8℃以上；而常态混凝土采用柱状浇筑，单边尺寸仅约20m，采用50cm台阶法浇筑，混凝土受气温倒灌影响小；

4）施工仓面大，浇筑时间跨度长，导致浇筑层内混凝土的浇筑温度在时间及空间上分布极为不均，这种不均匀会加大温度应力，增大温控防裂的难度.

综上，碾压混凝土温控重点应该放在仓面内，重点在于保证混凝土温度的均匀和长期稳定.为此，在沙沱工程中提出了“温控转移”或者“预冷转移”的概念，取消骨料预冷、提早通水、长期通水.充分利用早期混凝土拌合物的流塑性，在初凝前即开始通水，即相当于将骨料预冷的措施转移到仓面上来，这样有效减少了混凝土搅拌、运输及摊铺碾压过程中的冷量损失，简化施工工艺，节省投资.建议在水管以上完成1～2个薄层的摊铺碾压后即开始通水，通水时间为40d或更长，早期通大流量低温水，待达到混凝土温度峰值后可以适当减小流量.及早通冷却水既能有效带走拌合物中的热量、控制混凝土的最大温升，又能提高大体积混凝土温度的整体均匀性.

2 出机口温度、入仓温度、浇筑温度计算分析

本节从出机口温度、入仓温度及浇筑温度3个阶段指标来分析是否采取骨料预冷的影响.

2.1 出机口温度T0

沙沱混凝土配合比见表1，其中采用的原材料为国茂牌PoO42.5普通硅酸盐水泥、贵州大龙电厂生产的Ⅱ级粉煤灰、瓮福黄磷厂的磷渣粉、河北外加剂厂生产的DH4AG缓凝高效减水剂、沙沱水电站砂石系统生产的灰岩碎石和人工砂等.依据该配合比，结合沙沱气温资料，对比分析了高温季节控制RCC15拌合物出机口温度为7℃、10℃、14℃、20℃、26℃时所采用的温控措施.初始条件为：河水平均温度23.7℃，骨料温度26℃.

表1 沙沱坝体混凝土配合比

通过热工计算，采取骨料二次风冷加4℃冷水拌合，拌合物出机口温度可达7℃；仅采用一次风冷时出机口温度可控制在10℃左右；取消骨料预冷，采取地笼取料等简易方法控制骨料温度，并综合采用加冰及制冷水拌合时，控制出机口温度最低可达16～20℃左右.

2.2 入仓温度T1

混凝土出拌和楼后，经过运输进入浇筑仓面时的温度称为入仓温度.夏季气温通常高于混凝土的出机口温度，混凝土在运输过程中温度的回升值主要取决于气温与出机口温度的差值、运输方式、太阳辐射情况和运输时间，具体计算公式参考文献［8］；沙沱大坝采用容积为6～9m3的自卸汽车进行运输，运输时间为10～25min.以9m3汽车容积、25min为例分析入仓温度T1及运输过程回升值（T1－T0），见表2.当出机口温度为7℃时，回升值为2.5～4.3℃；出机口温度为20℃，温度回升值为1.7～2.6℃.运输时间每减小5min，温度回升值下降0.1～0.2℃；采取遮阳棚，回升值可以降低1～2℃.

表2 不同出机口温度T0及气温Ta时运输过程中的温度回升值（单位：℃）

2.3 浇筑温度Tp

浇筑温度是大体积混凝土施工期温度仿真计算的起点.碾压混凝土入仓后需要进行摊铺、斜层或平层分层碾压，期间温度回升情况受温度、太阳辐射、仓面遮阳及喷雾措施、摊铺碾压速度影响.为提高浇筑温度的计算精度，以包含10个碾压薄层的3m升程为例，采用有限元法分层仿真计算单个升程的平均浇筑温度.由于太阳辐射受日地距离、辐射角、晴朗指数、散射及反射情况影响，计算过于复杂，这里将其影响近似迭加在周围环境温度（记为Ta）上，迭加值为10～15℃.高温时段，仓面喷雾装置采用喷雾机和采用高压水冲毛机改制的喷头喷雾.当仓面宽度大于20m时，沿左、右游侧模板每隔30m各设一喷雾头；当仓面宽度小于20m时，沿左侧或右游模板顶每隔30m设一喷雾头.喷雾效果近似取为环境温度Ta降低3～5℃.记摊铺碾压浇筑过程中的温度回升值为ΔTp＝Tp－T1，入仓温度和环境温度之差为ΔTa＝Ta－Tp，摊铺碾压时长为Δt.对仿真计算结果进行统计分析发现，入仓温度与环境温度之差越大，碾压时间越长，温度回升值越大，且ΔTp与ΔTa及Δt呈如下正线性关系：

其中f（·）及g（·）均表示某种线性函数.本算例中，

当ΔTa＝Ta－Tp为10℃，铺筑时长为9h时，温度回升值为

3 施工期温度场仿真分析

温控的最终目的是确保混凝土的温度应力不超过混凝土的抗拉强度.现场一般通过最高温度来控制.沙沱坝址气象资料见表3，大坝内部碾压混凝土绝热温升为θ（τ）＝17.02τ／（5.35＋τ），采用0.3m薄层施工，升程为3.0m，相邻两层时间间隔8～12h；冷却水管分布为1.5m×1.5m.依据规范［9］，《沙沱大坝混凝土施工温控技术要求》规定：对于碾压混凝土，4～10月高温季节强约束区基础允许温差控制在16℃，弱约束区基础允许温差控制在18℃，最高温度控制在32℃.通过三维冷却水管精细有限元直接算法［10－11］，仿真计算了两种工况下的温度情况，并对浇筑块的内部最高温度、一期冷却结束时温度以及水管周边混凝土的平均温度变化规律进行研究，计算模型如图1所示.1）取消骨料预冷，出机口温度为23℃，进入仓面摊铺碾压后温度为25℃；水管上面覆盖1～2薄层并碾压完成后，开始通13℃的冷却水.2）采取骨料预冷，出机口温度为14℃，进入仓面摊铺碾压后温度为20℃；待每浇筑升层碾压完成后，开始通13℃的冷却水.

表3 沿河站多年平均气温水温统计表（单位：℃）

图1 计算模型

图2～3分别给出了两种工况下上下层水管控制区内的特征温度，包括进口水温、出口水温、混凝土平均温度及最高温度的时程线图.计算结果分析如下.

工况1（取消骨料预冷）：①施工期内部最高温度为24.0～28.9℃，其中最高温度28.9℃发生在出水管周边约1m处；②从空间分布来看：上层水管控制区混凝土比下层水管控制区混凝土温度稍高；在同一高程面上，水管进口段第一个弯段内部混凝土最低，出水段最后一个弯段内部最高；从不同高程来看，两层水管之间的温度比其他部分混凝土温度高；③进口水温为13℃时，上层出口水温约19.8～16.1℃，下层出口水温约19.8～15.8℃；随通水过程逐渐降低；通水结束后混凝土温度有小幅上升；水管附近混凝土在4～7d左右从13.5℃上升到16℃，升幅为2.5℃；80d龄期后内部温度分布基本均匀，温度值为14.9～15.5℃；④内部混凝土先有一定温升，在通水的情况下达到最高温度后逐渐下降至接近水管水温；离水管越远最高温度越大，达到最高温度的时间也越长；一般在2.5～4d达到最高温度.

工况2（采取骨料预冷）：①采用浇筑温度为20℃，冷却水温13℃，施工期内部最高温度为25.6～28.0℃，其中最高温度28.0℃发生在两层水管中间的层面上，分布范围较大；②从空间分布来看：对于同一仓混凝土，下层水管周围混凝土比上层水管周围混凝土温度稍高，主要是因为在开始通水时，下层水管附近混凝土龄期长，混凝土水化热已经部分释放；从不同高程来看，两层水管之间的温度比其他部分混凝土温度高；③对于上层水管控制区，开始通水时平均温度为26℃，上升幅度为6℃；通水后平均温度即开始下降；进口水温为13℃时，出口水温约为20.0～13.6℃，随通水过程逐渐降低；对于下层水管控制区，开始通水时平均温度为26.3℃，上升幅度为6.3℃；通水后平均温度即开始下降；进口水温为13℃时，出口水温约为21.3～13.5℃，随通水过程逐渐降低；④两层水管中间部分开始通水时温度达26.9℃，通水后1.5d内小幅上升至最高值28.0℃；通水结束后内部温度会有小幅上升；混凝土在80d龄期后内部温度基本均匀，为15～15.5℃.

对以上两种夏季浇筑工况的温度结果及变化规律进行对比分析可知：

①取消骨料预冷情况下，浇筑温度25℃，最高温度27.6～28.9℃，平均最高温度26.4～26.7℃，最高温升3.9℃；采取骨料预冷，浇筑温度20℃，最高温度27.9～28.0℃，平均最高温度26.3～27.1℃，最高温升8℃；两种工况下出机口温度相差9℃，浇筑温度相差5℃，平均最高温度基本接近，取消骨料预冷工况的局部最高温度比采取骨料预冷工况仅高1℃；两种工况均满足设计温控标准.

②进一步仿真分析表明，取消骨料预冷后混凝土最高温度随浇筑温度的增大而增大、随冷却水温的降低而降低；考虑骨料预冷并保持浇筑温度为20℃且通制冷水的条件下，混凝土内部最高温度受冷却水温影响相对较小，受碾压层间间歇期的影响较大；保持浇筑温度20℃及冷却水温13℃不变时，层间间歇从0.5d变至0.3d，混凝土最高温度下降1.3～1.9℃.

4 温控成本分析

取消骨料预冷后，温控成本大大降低，主要体现在骨料预冷系统成本的节约.本节假定出机口温度为14℃，来分析沙沱碾压混凝土的骨料预冷成本.高温季节沙沱大坝碾压混凝土右岸浇筑月高峰强度为8.62万m3／月（2009年7月），碾压混凝土浇筑强度最大为5～8号坝段EL303.5～EL307，碾压混凝土50 680m3，浇筑时间为2009年7月3日～2009年8月10日，最大日浇筑强度7 230m3，一个工作日按照两班作业21h计算，浇筑强度为344m3／h，采用2×4 m3拌和楼；采取骨料预冷时，出机口温度为14℃时，依据内部碾压混凝土的配合比及各组分比热容，近似计算各组分的温度见表4.

表4 内部碾压混凝土各种组分的用量及拌合温度

经初步计算，需配置制冷容量为3 035.6kJ.参考彭水大坝制冷系统［11］，需要配置9台单机制冷量为1 319.3kW的螺杆制冷压缩机.按照2009年6～9月份预冷需求计算，压缩机、冷凝器、空气压缩器、冷却塔、储氮器、氮泵、水泵等总设备费约为790万，设备安装、临时土建费、工人费320万，水电费420万，合计1 530万.如取消骨料预冷，仅右岸混凝土工程即可节省约1 000万元.