某碾压混凝土重力坝施工温控措施研究

赵伟国

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000）

1 工程概况

某碾压混凝土重力坝，坝顶总长476.8m，坝顶高程777.60m，最大坝高101m，坝顶宽度为8.0m，共分23 个坝段。在正对下游河床部位布置溢流坝段，两侧布置非溢流坝段。左岸非溢流坝段坝顶长261.0m，中间溢流坝段长34.8m，右岸非溢流坝段坝顶长181m。坝体上游面在高程730.0m 以上垂直以下为1:0.2 的斜面，坝下游面坡度为1:0.78。

大坝混凝土主要为碾压混凝土和常态混凝土，混凝土为二级配和三级配两种。混凝土总量约65.2 万m3，其中大坝碾压混凝土总量约53.1 万m3，常态混凝土5.6 万m3，变态混凝土6.5 万m3。

坝址地处北回归线以南，为亚热带季风气候，冬季温和少雨，夏季多雨且伴有台风，气温较高。气温年变化与日变化均较小，湿度大，气候条件对碾压混凝土施工较为有利。

2 设计温控标准和要求

（1）大坝混凝土基础容许温差，设计容许大坝混凝土基础温差如表1。

表1 大坝混凝土容许最高温度控制表单位℃

（2）碾压及常态混凝土的内外温差控制不超过16℃。

（3）在间歇时间超过28d 的老混凝土面上继续浇筑时，老混凝土面上1/4L 范围内的新浇筑混凝土按新老混凝土温差控制，温差控制标准为：碾压混凝土不大于13℃，常态混凝土不大于15℃。

（4）在混凝土施工过程中，各坝块应均匀上升，除监理人另有指示外，相邻坝段高差不应大于12m。

（5）坝体允许最高温度控制标准见表2。

3 混凝土温度控制计算

该碾压混凝土大坝以C9010W2 F50 碾压混凝土为主，其他标号混凝土相对结构单薄。故本次混凝土温度控制以C9010W2 F50 碾压混凝土为主，常态混凝土采用对应时段碾压混凝土温度控制措施，可满足相应的温控要求。

表2 坝段允许最高温度表

3.1 混凝土温度控制主要计算公式

（1）出机口温度计算公式

混凝土出机口温度根据热平衡原理按下式计算：

式中，T0 为混凝土出机口温度；Wi为每m3混凝土中各种原材料的重量（kg/m3）；Ci为混凝土各种原材料的比热（kJ／kg·℃）；Ti为混凝土各种原材料的温度（℃）：q 为每立方米混凝土拌和时的机械热（kJ）；

（2）混凝土入仓温度计算方法

式中：TI 为混凝土入仓温度；T0为混凝土出机口温度；Ta 为气温；R/β 为太阳辐射热引起的气温升高值，该值与纬度和浇筑月份有关；φ 为混凝土在运输装料、卸料、转运等过程中热交换系数；∑Aiτi－为混凝土在运输过程中的热交换系数。τ 为运输时间（分）；A 值与混凝土运输工具和单车运输混凝土量有关。

（3）混凝土浇筑温度计算方法

式中，Tp 为混凝土浇筑温度；TI 为混凝土入仓温度；Ta 为气温；R/β 为太阳辐射热引起的气温升高值，该值与纬度和浇筑月份有关；φ1 为混凝土平仓前的温度回升系数；φ2 为混凝土平仓以后、振捣至上坯混凝土覆盖前的仓面温度回升系数，采用单向差分法计算混凝土浇筑过程中的温度回升率。

（4）太阳辐射热计算公式

太阳辐射热温升计算根据朱伯芳院士编著的《大体积混凝土温度应力与温度控制》中有关公式计算，多云或阴天太阳辐射热引起的气温升值为：

ΔTa=R/β

式中：ΔTa 为太阳辐射热温升，该值与纬度和浇筑月份有关；β 为混凝土表面热交换系数，值约为80kJ/m2·h·℃；R 为太阳辐射热被建筑物吸收的部分。

R=αsS

式中，αs 为吸收系数，混凝土表面取0.65；S 为太阳辐射热，考虑一定云量影响。

S=S0（1-Kn）

式中，S0 为晴天太阳辐射热；n 为平均云量，取0.4；K 为与纬度有关的系数，查纬度约为25.5 度，取K=0.68。

从地图上查得坝址纬度约22.5 度，根据朱伯芳院士编著的《大体积混凝土温度应力与温度控制》中查得本工程5～8 月晴天太阳辐射热约1250 ～1360kJ/m2·h，代入上述各式计算可得：5 ～8 月白天少云天气太阳辐射热引起的等效月平均气温温升分别为7.35 ～8.10℃。由此可见，太阳辐射热对浇筑温度的影响是非常显著的。

（5）混凝土内部初期最高温度计算公式

施工期混凝土最高温度计算，主要是根据实际施工条件核算大坝混凝土温度，判别混凝土温度是否控制在设计允许最高温度范围内，为确定各种必要的温控措施提供依据。本工程采用《水利水电工程施工手册·混凝土工程》中提供的“实用计算法”进行施工期混凝土最高温度验算。由于热传导微分方程和边界条件都是线型的，因此可以利用叠加原理，将浇筑块的散热过程分解为三个单元求和，计算公式如下：

式中，Tm为混凝土浇筑块平均温度，℃；TP为混凝土浇筑温度，℃；Tτ为混凝土水化热温升，采用时差法计算，℃；F0为时差法计算时的参数，F0=aτ/l2；a 为混凝土导温系数；τ 为计算时间，d；l 为混凝土浇筑层厚度，强约束区按1.5m 计算，非约束区按3m 计算。

E1为新浇混凝土接受老混凝土固定热源作用并向顶面散热的残留比，根据下式计算：

E2—新浇混凝土固定热源向空气和老混凝土传热的残留比，根据下式计算：

TS—混凝土表面温度，TS=Ta+ΔT（单位：℃）；

Ta—气温（单位：℃），取月平均气温；

ΔT—混凝土表面温度高于气温的差值，可近似取ΔT=2～5℃（混凝土标号较低时取小值）；当顶部覆盖一层草袋或其它相当的保温材料时，ΔT≈10℃；当顶面流水养护时，TS=（Ta+Tw）/2。

3.2 混凝土绝热温升

参考《上水库碾压混凝土重力坝温度控制研究专题报告》，对于坝体各分区混凝土采用复合指数公式拟合试验数据：

式中，T0－混凝土的最终温升值，℃；τ 为龄期(d)；b为试验参数。

表2 绝热温升拟合公式参数

3.3 计算结果

根据以上计算公式，碾压混凝土绝热温升取21℃，结合投标阶段坝址处水文气象条件、碾压混凝土配合比及初设温控报告相关资料，可估算本标段碾压混凝土在不同条件下各月内部最高温度，计算结果如下表所示。

4 计算结果分析

计算结果表面，河床坝段基础强约束区冬季低温季节能满足设计温控标准，基础弱约束区11 月～次年2 月能满足设计温控标准外，其他月份均需采用必要的温控措施以满足设计温控要求；非基础约束区11 月～4 月可自然入仓，5 月～10 月高温季节温度采用加冰加冷水拌和，必要时进行初期通水削峰，满足设计温控标准要求。

结合阳蓄上库施工进度，2019 年11 月开浇大坝强约束混凝土，2020 年3 月底大坝浇筑至716 高程，脱离了基础弱约束区。即基础约束区均在11 月～4 月上旬完成，采用加冰加冷水拌和，必要时采用15℃制冷水进行初期削峰，满足设计温控要求。非约束区部位，5 ～9 月采取预冷或通水冷却后，均能满足设计容许的最高温度要求。

表3 3m 浇筑层厚内部碾压C9010W2 F50 自然入仓内部最高温度计算结果单位℃

对于大坝上游面防渗层混凝土，可通过适当加密区间水管间距、加强初期通水冷却来控制混凝土内部最高温度。

5 结语

针对建设项目具体的自然环境条件，运用科学的方法进行混凝土温度计算，确保坝体混凝土浇筑能满足设计温控标准的要求，为大坝连续上升浇筑提供了合理的温控措施，从而加快施工进度、缩短施工工期、增加工程效益。