DG水电站蜗壳混凝土施工优化与温控实践

冯湘华，顾利超，翁 锐，次旦平措

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611130；2.华电西藏能源有限公司大古水电分公司，西藏 山南 856000)

控制混凝土内部温度应力和温度裂缝，是大体积混凝土结构施工中一个重要的问题。众多工程实践表明[1-2]，混凝土水化热温升产生的温度应力大小将直接影响大体积混凝土结构的整体性和耐久性。从原理上讲，控制温度裂缝产生的实质是控制混凝土内外的温度变化，大体积混凝土浇筑成型及后期养护阶段结构若产生较大里表温差(一般超过25℃)，混凝土内外拉压应力会很快失衡，在突破极限抗拉强度后，表层混凝土首先产生微裂缝，而后甚至可能发展成为贯穿裂缝和深度裂缝[2-3]。而在西藏高寒高海拔地区具有气候干燥、冬寒夏凉、年温差小、气温日变幅较大和太阳辐射强等特点[4-5]，且气温受太阳辐射影响显著，针对这种特殊的气候条件使得裂缝预防更为困难，因此施工期所采取的温控防裂措施就需要更具有特殊性和针对性。并且蜗壳作为水轮机的通水部件，同时也是水轮机重要的组成部分之一，关系着电站的安全、稳定运行[6]。因此蜗壳混凝土施工是整个厂房混凝土施工中的最重要环节，其施工进度和施工质量对后期机组安装和安全运行有直接影响[7]。在以往的工程实例中，通过采取降低水化热温升、合理分层分块、预埋冷却水管通水降温等温控措施都达到了很好的效果，有效保证了混凝土的施工质量[8-9]。因此，本文则是针对西藏这一特殊的气候条件，在施工过程中反复研讨整合混凝土施工方面的前沿技术，通过探寻有效的温控措施进行了DG水电站蜗壳混凝土施工方案的优化，达到加快施工进度的目的。同时以期为高寒高海拔地区大体积混凝土施工积累相关经验。

1 工程概况

DG水电站位于西藏自治区山南市境内，地处高寒高海拔地区，区域多年平均气温为9.3℃，极端最高气温32.5℃，极端最低气温-16.6℃，多年平均降水量527.4 mm，多年平均蒸发量为2 084.1 mm，多年平均相对湿度为51%，多年平均风速为1.6 m/s。DG水电站发电厂房采用坝后式布置，主要由主厂房、副厂房、变电站等组成，主厂房尺寸151.0 m×29.00 m×63.50 m(长×宽×高)，安装4台单机容量165 MW的混流式水轮发电机组厂房为坝后式厂房，采用一机一缝，1～4号机组段长分别为25.0、25.0、25.0 m及31.0 m，总长106.0 m。主厂房蜗壳二期外包混凝土尺寸为25 m×23.6 m×11 m(长×宽×高)，底部高程为3 356.7 m，顶部高程为3 367.7 m，每台机组蜗壳二期混凝土方量约为4 824 m3，合计约14 472 m3；蜗壳进口管径为7.236 m，安装中心高程为3 362.1 m。厂房1号机组蜗壳原计划浇筑时段为2020-02-10日～2020-04-15日，使用二级配C2830W8F200混凝土，共分4个浇筑层，每层内分4个浇筑块，对称入仓，层间错缝进行浇筑，水平缝相邻浇筑块间隔时间不少于5 d，垂直缝相邻浇筑块间隔时间不少于7 d，其直线工期至少为65 d，远远不能保证蜗壳施工节点目标。因此需对该部位混凝土浇筑施工方案进行优化，以满足施工进度要求。

2 温度裂缝产生机理分析及应对措施

混凝土浇筑后，水泥在水化凝结过程中要散发大量的水化热，因而使混凝土体积膨胀。混凝土是一个热的不良导体，随着热量向外部介质散发，产生一个温差，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收缩，还可能出于混凝土先后浇筑的时间不同，散热条件和水泥用量不同等原因，都将会使混凝土内部出现非线性温度分布，产生温度应力。当其超过混凝土的极限抗拉强度，将会在结构中产生表面裂缝、深层裂缝或基础贯穿裂缝[10]。基于上述原理，目前工程中主要从控制内外温度梯度和改善约束条件两个方面采取措施来达到减小温度应力，防止裂缝产生的目的。

改善内外温度梯度的措施是：

1)采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量；

2)拌合混凝土时加冰或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；

3)热天浇筑混凝土时减少浇筑层厚度，利用浇筑层面散热；

4)在混凝土中埋设水管，通入循环冷却水降温；

5)规定合适的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；

6)施工中长期暴露的混凝土表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施。

改善约束条件的措施是：

1)合理地分缝分块；

2)避免基础过大起伏；

3)合理的安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露；此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要的，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的，因此施工中以预防贯穿性裂缝的发生为主。

在DG水电站混凝土施工中，为有效控制混凝土水化热温升，过程中严格控制混凝土浇筑层厚及层间间歇期，并根据试验建立起的混凝土出机口温度与现场浇筑温度之间的关系进行出机口及入仓浇筑温度的控制，其控制措施如下。

1)在厂房基础约束区浇筑层厚度采用1.5～2 m，基础约束区以外最大浇筑厚度控制在3 m以内；混凝土浇筑层间的间歇期按照不少于5 d，也不宜大于10 d进行控制。

2)高温季节采用骨料预冷、加冰(冷水)拌和等措施控制混凝土出机口温度；低温季节浇筑混凝土采取热水拌和等措施提高混凝土出机口温度，其中热水温度不高于60℃。

3)高温季节混凝土入仓温度较出机口温度回升不宜超过2℃，低温季节入仓温度较出机口温度回落不宜超过2℃；对于已入仓面的混凝土，应及时摊平、合理振捣。要求高温季节控制混凝土从出机口至振捣结束的温度回升值不超过5℃，低温季节控制混凝土从出机口至振捣结束的温度回落值亦不超过5℃。

4)当浇筑仓内气温高于25℃时，可进行仓面喷雾，至上层混凝土浇筑准备工作开始时结束，以降低仓面环境温度。喷雾时水分不应过量，要求雾滴直径达到40～80 um，以防止混凝土表面泛出水泥浆液。

5)采取埋设冷却水管进行通水冷却的措施，控制混凝土最高温度，同时削减内外温差，冷却水管冷却水流量控制在1.5～2.0 m3/h，水流方向每24 h变换一次(进、出水口变换)；在混凝土内部最高温度出现前，通过适当加大通水流量以利于削峰，混凝土温降阶段及时根据温降速率指标来减小流量。

3 蜗壳二期浇筑施工优化

3.1 混凝土优化

混凝土的温度应力主要由结构混凝土本身水化热和环境温度变化产生。因此考虑混凝土材料本身，优化混凝土配合比，制备低水化热温升和较高抗拉强度的混凝土，是提高混凝土抗裂阻裂能力的关键。而就混凝土配合比设计而言，调整水泥品种，减小水泥用量，并用粉煤灰等矿物质掺合料取代部分水泥以控制混凝土水化温升，以及降低用水量以减小混凝土干缩，是避免施工期裂缝的主要措施[2,11-12]。

DG水电站蜗壳层施工过程中，首先对蜗壳层混凝土进行优化，以满足施工进度节点要求，同时确保主厂房蜗壳层混凝土温控防裂效果。即从混凝土材料自身出发，将蜗壳二期混凝土由原“华新”P·O42.5级普通硅酸盐水泥拌制的C2830W8F200(常态)调整为由“华新”P·MH42.5级中热硅酸盐水泥拌制的C9030W8F200(常态)，并通过对比不同外加剂(“山西恒泰”HT-5和“长安育才”GK-4A两种高效减水剂)的使用情况，最终选择了以华新P.MH42.5水泥+锦绣粉煤灰+长安育才外加剂+主体砂石进行C9030W8F200(常态)混凝土的配制原材料，其满足混凝土设计强度的计算配合比参数和每方材料用量见表1和表2。相比于C2830W8F200(常态)混凝土(计算配合比每方材料用量见表2)，在改变水泥自身水化特性的同时，其水泥用量减少了43 kg/m3，有效减少了水泥水化热温升。

表1 满足混凝土设计强度的计算配合比参数表

表2 满足混凝土设计强度的计算配合比每方材料用量表 kg/m3

3.2 合理分层分块

根据上述混凝土调整后的配合比清单，设计及时开展了温控防裂计算分析工作，并下发了《DG水电站蜗壳二期混凝土温控防裂施工技术要求》，其中规定蜗壳混凝土的分层厚度原则上不宜超过2 m，浇筑层间的间歇期不少于5 d，也不宜大于10 d。结合完成的同类型厂房工程蜗壳二期混凝土施工中的经验，同时考虑到本工程中机电设备安装条件要求，在满足DG水电站蜗壳二期混凝土温控防裂施工技术要求的情况下，为提高施工效率，将右岸1号机组主厂房蜗壳混凝土优化调整为5层，由下至上分别为：第1层混凝土厚度为1.2 m；第2层混凝土厚度为2.5 m；第3层混凝土厚度为3.0 m；第4层混凝土厚度为2.0 m；第5层混凝土厚度为2.25 m，其直线工期减少为45 d，较原方案施工工期优化20 d(其中：原方案使用二级配C2830W8F200混凝土，采取层内分块方法浇筑，共分4个浇筑层，每层内分4个浇筑块，对称入仓，层间错缝进行浇筑，水平缝相邻浇筑块间隔时间不少于5 d，垂直缝相邻浇筑块间隔时间不少于7 d，其直线工期至少为65 d)。

具体分层见图1。

图1 蜗壳二期混凝土分层图

3.3 预埋冷却水管通水冷却

根据《DG水电站蜗壳二期混凝土温控防裂施工技术要求》，为保证蜗壳层混凝土最高温度不超过施工技术要求中规定的混凝土允许最高温度，主厂房蜗壳层混凝土浇筑过程中每层均需铺设冷却水管(冷却水管采用28的HDPE高密聚乙烯塑料管)采用天然河水通水冷却处理，通水流量控制在1.5～2 m3/h。规定混凝土厚度小于2.0 m时铺设1层冷却水管，置于混凝土浇筑层中部，混凝土厚度大于等于2 m时铺设2层冷却水管，分别铺设于该浇筑层底部与浇筑层中部，水管水平间距为0.75 m，转弯半径为0.375 cm，呈蛇形布置；进出水管口需预留在方便施工和连接水管的部位，且通水冷却时间不少于25 d。具体实施方案如下：

C企业主要依靠自有资金，拼凑手头的技术资源，研发智能滑板，属于典型的手段导向型资源拼凑模式（12＞4）。在产品上市后，企业并没有止步于现有产品，而是利用其技术优势，成功研发出第二代产品及其配套设备。此外，企业通过与政府、众筹平台等建立的社会关系网络，实现了政策、资金的拼凑。根据表6编码结果，产品上市后，手段导向型资源拼凑条目数为6，社会网络型资源拼凑条目数为7，二者相差无几，可将其判定为混合型资源拼凑模式。

1)按要求完成冷却水管预埋后，在开仓之前须进行通水，以保证水管完好，没有破裂或损坏或堵塞现象；

2)混凝土浇筑至覆盖冷却水管后开始连续通水冷却，水流方向每24 h变换一次(进、出水口变换)；

3)冷却水管进、出口间距不小于50 cm，管口外露不小于20 cm，且进出口挂牌标示以免混淆，通水冷却安排专人负责，并及时按设计要求进行温控数据的采集工作；

4)在混凝土浇筑完成后到内部最高温度出现之前，通过适当加大通水流量达到削峰的目的，其后则根据降温速率指标(≤0.5℃/d)来减小通水流量。

3.4 其他温控措施

在大体积混凝土施工过程中，为了保证混凝土浇筑质量，施工现场温控措施的有效实施也是防止混凝土开裂的有效保证。

1)浇筑温度控制。浇筑温度的高低将严重影响混凝土最高温度是否满足设计要求，浇筑温度的控制需从出机口温度、运输过程中的温升、施工工艺等方面进行。

2)混凝土养护。混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。由于DG水电站1号机组蜗壳混凝土施工仍处于低温季节，每层混凝土浇筑完成后，对其表面首先采用塑料薄膜覆盖保湿，然后铺设3 cm厚的橡塑海绵覆盖保温，保温材料搭接长度为20 cm。由于西藏地区温度受太阳辐射影响变化较大，因此，在过程中安排专人在高温时段进行温度检测，及时进行处理，保证温控实施效果。

4 温度测点布置及温度监测成果

蜗壳层混凝土的温度监测包括施工前期的出机口温度监测，以及施工过程中每个铺层浇筑温度监测，然后是蜗壳混凝土内、外温度定时监测，在整个过程对数据做了详尽测量和记录。

4.1 混凝土出机口、入仓和浇筑温度监测要求

1)混凝土出机口温度应每4 h测量1次；低温季节施工时宜加密至每2 h测量1次。

2)混凝土入仓后平仓前，应测量深5～10 cm处的入仓温度。入仓温度应每4 h测量1次；低温季节施工时，宜加密至每2 h测量1次。

3)混凝土经平仓、振捣或碾压后、覆盖上坯混凝土前，应测量本坯混凝土面以下5～10 cm处的浇筑温度。浇筑温度测温点应均匀分布，且应覆盖同一仓面不同品种的混凝土；同一坯层每100 m2仓面面积应有1个测温点，且每个坯层应不少于3个测温点。

4.2 混凝土内部温度监测要求

根据《DG水电站主厂房二期混凝土分层分块浇筑及温度测点布置图》，对蜗壳层混凝土浇筑过程中埋设电阻式温度计，以便及时掌握混凝土内部温度变化，在混凝土最高温升出现前，测量频率为：开始浇筑至最高温度出现前每4 h测量1次，最高温度出现后至通水冷却结束每8 h测量1次；通水结束至混凝土龄期28 d前，每12 h观测1次；温度出现高峰值期间可加密测量频次(2 h/次)。并通过反馈的温度值，及时调整通水流量，保证混凝土温控满足设计技术要求。

4.3 温度监测情况分析

根据施工技术要求和设计规范对DG水电站厂房1号机组蜗壳第一层整个混凝土施工过程进行检测，其出机口平均温度为8.7℃，平均入仓温度为10.4℃，平均浇筑温度为12.7℃，混凝土内部温度变化趋势呈抛物线分部，其最高温度为Tmax=19℃≤25℃(技术要求)，从而表明上述温控措施的实施是有效的。

本水电站厂房蜗壳外围混凝土工程由于在施工中认真采取了以上各项保温保湿措施，养护阶段结束后经认真排查未发现任何裂缝。

5 结 语

蜗壳混凝土施工是整个厂房混凝土施工中的最重要环节，其施工进度和施工质量对后期机组安装和安全运行有直接影响。在DG水电站厂房蜗壳混凝土施工中，在减小约束应力、减小混凝土内外温差、优化配合比设计、改善施工工艺、提高施工质量、做好温度监测工作及加强养护等措施的实施下，通过坚持严谨的施工组织管理，最大限度预防和减少蜗壳层混凝土裂缝的产生，确保了厂房1号机组蜗壳混凝土保质保量提前完成，为后期机组安装乃至运行发电奠定了坚实的基础，同时为今后西藏地区同类水轮机蜗壳混凝土施工提供了有力的技术支撑。