水电站大体积混凝土温控措施分析

2019-11-21王先锋

智能城市 2019年21期

王先锋

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

我国的西部地区存在较多的山谷地带，具有较高的水位落差，利用这些天然地理优势，可以有效地提高水电站的发电量，满足工农业和人们日常生活的基本用电需求。在水电站大坝建设过程中，大体积混凝土会因为自身的水化反应，导致混凝土内外产生较大的温度差，引发混凝土结构出现裂缝等质量问题，给水电站埋下了安全隐患。因此，研究分析水电站大体积混凝土温控措施具有重要的现实意义。

1 大体积混凝土温度裂缝产生的原因

1.1 水电站大体积混凝土温控措施的意义

对于混凝土而言，之所以出现温度裂缝，主要是因为混凝土结构因为温度的变化，导致结构内部产生了一定的结构应力，当这种结构应力超过了混凝土所能承受的应力极限时，就会导致混凝土出现温度裂缝，这种裂缝会影响结构的正常性能，降低结构的安全性和稳定性。对于水电站而言，采用大量混凝土浇筑而成的大坝，一旦接触水的部位出现裂缝，不仅影响结构的防渗性能，而且会危害结构的强度以及稳定性，极可能引发严重的安全事故。因此必须做好温度控制措施，确保水电站大体积混凝土结构的稳定性。

1.2 导致温度裂缝产生的原因

（1）水泥水化热：作为混凝土的重要组成材料之一，水泥本身遇水之后，会发生化学反应，并产生大量的热量，导致混凝土的内部出现温度上升的情况。一旦对这种温度变化控制不当，可能会引起混凝土出现温度裂缝。（2）环境温度和浇筑温度：在混凝土结构浇筑施工的过程中，由于混凝土本身的散热性能较差，一旦浇筑温度过高，势必导致热量短时间内无法外散，产生温度裂缝。此外混凝土浇筑结束后，如果环境温度变化过大，也会导致结构的温差变大，继而产生温度裂缝等问题。（3）混凝土收缩影响：混凝土在凝结过程中，水分大量蒸发，导致其出现收缩变形的现象，一旦收缩过程中受到内外约束的影响，就会导致混凝土出现干缩现象，引发温度裂缝。

2 实例概述

某水电站工程，拦河坝采用混凝土重力坝，坝顶全长477 m，属于大体积混凝土工程。该水电站位于热带区域，常见温度居高不下，为了避免大体积混凝土出现温度裂缝，必须采取有效的温控措施，提高大坝混凝土的质量。

2.1 气候条件

通过对大坝区域内气象站的相关资料收集表明，本水电站工程所处于的区域年平均温度约为27.5 ℃，其中坝址所在区域的河水年平均温度约为28.4 ℃。从温差变化来看，月最高气温约为38 ℃，最低气温约为17 ℃，并没有明显的寒冷气候。

2.2 主要混凝土材料

本水电站工程的大坝主要采用C25和C35级别的混凝土浇筑而成，此两种型号的混凝土的热力学参数如表1所示。

表1 混凝土热力学参数

2.3 大体积混凝土温控标准

（1）混凝土基础允许温差，根据计算可以得知，本工程所采用的C25级别的混凝土的容许温差为17 ℃，而C35级别的混凝土的容许温差为19 ℃。

（2）混凝土最高温度控制：本水电站工程的混凝土厚度较低，比较利于混凝土的水化热温度挥发，因此，重点考虑水库水文对混凝土的影响。同时结合本区域内的天气情况，最终确定C25级别的混凝土的最高温度控制为45 ℃，而C35级别的混凝土的最高温度控制为46 ℃。

3 影响水电站大体积混凝土温控的关键因素

3.1 浇筑温度对大体积混凝土温控的影响

通过对C25和C35两个级别的混凝土进行浇筑温度的敏感性分析，如表2所示。可以得出，基于自然冷却的条件下，若要确保C25级别混凝土的最高温度控制的允许范围之内，浇筑温度应低于16.5 ℃，而对于确保C25级别混凝土的最高温度控制在允许范围之内，浇筑温度应不低于17.5 ℃。但是本水电站工程所在区域的常见平均气温为27.5 ℃，最低气温也高于17 ℃。

因此，必须采取有效的冷却措施，降低混凝土的浇筑温度。

表2 浇筑温度敏感性分析表

3.2 通水温度对大体积混凝土的影响

本工程采用的C25级别的混凝土进行通水温度的测试，按照浇筑温度31.5 ℃进行计算，当水管按照1 m的间隔进行纵向、横向布置时，通水温度每降低1 ℃，混凝土的最高温度可以同步下降0.15 ℃。由此可见，通水温度对混凝土的极限最高温度影响较低，即当通水温度控制在不超过16 ℃情况下，均可以有效地避免大体积混凝土出现温度裂缝。

3.3 冷却水管的间距对大体积混凝土的影响

采取可通水温度测试一样的条件，即浇注温度为31.5 ℃，通水温度为10 ℃。区别在于将冷却水管之间的间距逐渐缩小，按照2 m×2 m、2 m×1.5 m、1.5 m×1.5 m、1.5 m×1 m、1 m×1 m等五种情况进行测试发现，水管之间的间距越小，对混凝土的最高温度影响越大，因此，应确保混凝土的通水冷却水管的间距按照1 m×1 m进行布置。

3.4 粉煤灰对大体积混凝土的影响

本工程分别对C25混凝土和C35混凝土粉煤灰添加前后的温度变化进行了分析（如表3所示），实验时冷却水管的间距为1.5 m×1 m，冷却水温度为8 ℃，时间为10 d。通过分析结果来看，通过添加粉煤灰能够有效地降低混凝土的最高温度，且效果十分明显。

表3 混凝土添加粉煤灰的分析结果 /℃

4 大体积混凝土的温控措施

4.1 方案一：自然拌和混凝土，采用冷却水

本方案下主要是在每年8月～11月进行混凝土的浇筑，控制浇筑的厚度为150 cm，同时对冷却水的水文以及水管之间的距离进行优化调整，确定基于不同的浇筑温度下，冷水水管均按照1 m×1 m进行布置，确保温度保持在15～22 ℃之间，以确保混凝土的最高温度满足要求，避免出现温差裂缝问题。

4.2 方案二：混凝土中掺粉煤灰，采用冷却水

本方案同样选择河水温度为26.9 ℃的8月～11月进行混凝土的浇筑施工，通过对C25和C35混凝土掺入不同比例的粉煤灰，并利用河水进行冷却，水管间距则按照1 m×1 m进行布置（如表4所示），以确保混凝土的最高温度满足要求，避免出现温差裂缝问题。

表4 方案二的最高温度计算结果表

4.3 温控措施的效果对比分析

（1）未掺粉煤灰混凝土通深层河水冷却，电阻式温度计测量的最高混凝土温度为55 ℃，达到最高温升的时间为50 h，混凝土的最高温度超过了设计标准，说明未掺粉煤灰混凝土虽然一定程度上消减了混凝土的温度上升，但是仍未达到预期的温度控制目的。（2）掺粉煤灰混凝土通深层河水冷却，电阻式温度计测量的最高混凝土温度为50 ℃，达到最高温升的时间为72 h，相比较未掺粉煤灰混凝土，采用该方法后混凝土的最高温度下降超过了5 ℃，有效地实现了混凝土温度的控制。（3）掺粉煤灰混凝土通过20 ℃制冷水冷却，电阻式温度计测量的最高混凝土温度48 ℃，达到最高温升的时间为80 h，相比较掺粉煤灰混凝土通深层河水冷却，采用该方法后混凝土的最高温度下降超过了2 ℃，且混凝土达到最高温度的时间延长了8 h，有效地实现了混凝土温度的控制。

由此可见，通过掺入粉煤灰以及降低冷却水的水文等措施，可以显著地提高混凝土的温度控制效果，有效地抑制了混凝土的裂缝出现。