水管冷却在碾压混凝土大坝施工温度控制中应用

2020-01-01张耀华

水科学与工程技术 2019年6期

张耀华

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550000）

碾压混凝土重力坝凭借施工速度快、成本小、技术要求低等优点，在当前水利工程建设中得到了广泛应用。但由于坝体体积较大，混凝土材料产生的热量会引起坝体内部发育裂缝，对坝体防渗产生不良影响。为降低坝体内部应力场，采用水管冷却技术成为目前最常用、效果最佳的方式之一。

1 工程概况

位于贵州省境内某水库大坝为碾压混凝土重力坝，平均坝高43.6m，坝顶长142m，坝顶宽6.0m，坝底宽38.2m，总库容595万m3。主体混凝土碾压量5.7万m3，防渗和垫层1.38万m3。为防止坝体内部产生较多裂缝，设计采用冷却管技术对坝体主体施工进行温度控制。

2 碾压混凝土内部应力分析

2.1 温度应力分类

2.1.1 自生应力

当混凝土部件边界无多余约束条件时（静定结构），若其结构内部温度呈线性分布，则不会产生温度应力；若内部温度呈非线性分布，会因为结构本身相互约束而产生应力，该应力叫作“自生应力”。当混凝土逐步冷却时，因表面温度低于内部应力，表面收缩量大于内部，会表现为拉应力，而内部表现为压应力，两个应力呈平衡状态，如图1［1］。

图1 混凝土内部自生应力分布

2.1.2 约束应力

当混凝土部件结构全部或部分边界受到外界约束时（超静定结构），温度变化时无法自由变形而导致的应力叫作“约束应力”。当坝体混凝土浇筑时会受到坝基和两侧山体的约束，此时就会产生约束应力（如图2）［2］。

图2 混凝土内部约束应力分布

研究表明，在静定结构中，混凝土部件只产生自生应力；但在超静定结构中，可能会同时存在自生应力和约束应力，且相互叠加。坝体混凝土结构是典型的超静定结构，因此两类温度应力相互作用是引起坝体内部裂缝的主要原因。

2.2 碾压混凝土材料热力学参数

碾压混凝土材料由水泥、骨料、水、外加剂等组成的复合材料，其中水泥存在水化热现象。主要涉及的热学性能参数包括：导温系数a、导热系数λ、比热с、密度ρ。关系式如式（1）［3］。

2.2.1 导温系数a

主要受骨料参数影响，包括种类（石英岩＞白云岩＞石灰岩＞花岗岩＞玄武岩）、用量、容重、温度、含水量等，一般a与骨料温度、含水量呈反比关系；与容重、用量呈正比关系。 a的值范围在0.002～0.006m2/h。

2.2.2 导热系数λ

主要受混凝土影响，与混凝土的容重、温度、含水量等参数呈正比关系，λ取值范围在8～13kj/（m·h·℃）。

2.2.3 比热c

与周边温度有着较大关系，关系曲线如图3：

图3 比热与温度关系曲线

由图3可知，比热随着温度的增加呈现先增加后减小趋势，当温度40 ℃时，温度值最大［4］。

3 水管冷却技术主要参数

混凝土热力学参数受多种内部因素影响，目前无法通过改善配料参数来控制混凝土内部应力，只能依靠人为措施进行控制，其中水管冷却是当前混凝土温控防裂最有效的措施之一。

3.1 冷却管布置形式

本项目冷却管采用高强聚乙烯管，直径32mm，管壁2mm。结合其他工程经验，冷却管在水平面设计采用“蛇形管圈”布置形式，在剖面图上呈“梅花形”布置，如图4，默认每根冷却管的影响范围是一个正六边形［5］。

图4 冷却管布置形式

3.2 冷却管间距

冷却管间距包括水平和垂直间距，设水平间距a，垂直间距b，在应用时一般设计水平和垂直间距相同。结合其他工程经验，设计3组间距进行对比分析：1m×1m，1.5m×1.5m，3m×3m，其他条件均一致（浇筑温度17 ℃，通水流量24m3/d），通过温度传感器数据绘出不同方案曲线，如图5。

图5 水管间距对碾压混凝土内部温度影响

由图5可知：

（1）在0～10d时间段内，碾压混凝土内部温度维持在17.5 ℃，但在12d左右集中直线大幅度上升，分别飙升至24，27，30 ℃左右.

（2）在12～17d时间内，内部温度均出现了小幅度下降情况，但之后出现温度回升。

（3）随着时间增长，内部温度在逐渐降低，最终分别降至21，23，27 ℃。

根据温度曲线分析，3 m×3m间距对温度控制较差，剩余两个间距方案整体温差在4 ℃以内，但对成本有着极大影响，因此综合分析，本项目采用冷却管最佳间距1.5m×1.5m。

3.3 冷却管长度

冷却管长度也是影响冷却效果一个重要因素。根据工程经验，单根冷却管越长，冷却效果越差。但是单根冷却管越短，会增加材料、施工、供水系统等成本，因此必须兼顾冷却效果和综合成本［6］。本项目冷却管长度预选方案有200，250，300m，在其他条件一致前提下（浇筑温度17 ℃，通水流量24m3/d），对3个方案通过温度传感器数据绘出曲线如图6。