溢洪道大体积混凝土温控防裂措施优化试验研究

孙娟娟，张 兵

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

1 工程背景

某水电站是一座以发电为主的综合性小型径流式水电站，主要由拦河坝、溢洪道以及引水发电系统构成。其中，水库大坝为碾压混凝土双曲拱坝坝型设计，其坝顶高程为497.0m，最大坝高65.5m，电站的装机总容量为2×2500kW。水电站的溢洪道布置在拱坝河床部位中部，为弧形钢闸门控制的溢流堰泄流方式。其具体工程布置为沿大坝拱圈径向布置4孔溢洪道，单孔净宽12.0m，堰顶高程为488.0m。每孔溢洪道之间设置1扇弧形闸门，在相邻溢洪道之间设置一道横缝，整个溢洪道被设置的横缝划分为5个坝块。对水库大坝实施全断面碾压混凝土浇筑，自下而上浇筑至484.1m 高程后，在 1#、2#横缝部位，也就是边墩与坝体碾压混凝土结合处开始安装模板，浇筑非溢流坝坝体，此处即为溢洪道与大坝非溢流坝段分界点，浇筑过程中采用C30混凝土[2]。由于大坝溢洪道混凝土为大体积混凝土结构，浇筑过程中产生的水化热不易散失，并产生较大的温度应力[3]。因此，研究不同温控措施对混凝土的温度应力的影响，并选择最为科学的温控防裂方案，对工程的顺利建成和安全运行具有重要意义。基于此，此次研究通过现场试验的方式，对入仓温度、表面保温措施以及浇筑层厚对混凝土内部的温度和应力的影响展开分析，以便为类似工程施工提供必要的经验和技术支持。

2 试验设计

2.1 试验概况

此次现场试验选择大坝溢洪道混凝土浇筑施工现场进程，试验坝块选择的是1号坝块。试验的目的是对浇筑过程中混凝土内部的温度和应力进行实时测量，通过温度和应力变化，对各种温控措施进行评价和参数优化。试验的主要内容是将温度和应力的探头提前埋入混凝土结构内部的指定位置，在混凝土浇筑施工完成之后，利用埋设的仪器进行温度和应力的测量，并记录好相应的数据。

2.2 数据监测

混凝土内部温度的监测采用的是JDC-2型电子测温仪，该仪器是大体积和冬季施工混凝土测温的专用仪器，由主机和温度传感器两部分构成，可以直接显示测点温度，使用简单、操作便捷，仅用一台主机即可实现所有测温点的温度采集，可以显著降低试验费用和人力投入。为了保证温度测量的准确性，每个温度传感器在埋设之前均应该进行标定，在埋设之前应该固定好传感器，保证测温探头不与钢筋接触，在浇筑施工过程中应该尽量小心，避免温度探头出现移动、脱落和损坏。

混凝土内部应力采用振弦传感器进行测量，该系统主要由控制器、信号采集线路、人机交互界面以及通信接口和电源模块组成。传感器从上游到下游依次布置，并保证所有关键部位的应力都能获得有效的监控。其中上游测点距离上游坝面4m，下游测点距离下游坝面3m。

2.3 试验方案

相关研究表明，入仓温度对大体积混凝土的温控防裂具有重要影响，如果入仓温度过高，不仅对混凝土浇筑后期的内部温度有影响，还会造成最大温度应力提前出现，从而增加温度裂缝的风险[8]。但是，一味降低入仓温度，也有诸多不利之处，特别是较低的入仓温度会对下层混凝土造成明显的“冷击”，造成拉应力裂缝。基于此，结合工程实际，设计出不同的外界环境和入仓温度试验方案，结果见表1。

表1 入仓温度计算方案

大体积混凝土的温度裂缝主要表现为表面裂缝。因此，有必要采取科学、合理的表面温控措施。但是，如果采取过量的表面温控措施，不仅不利于大体积混凝土内部的结构散热，还会进一步提升经济成本。基于此，结合相关领域的研究成果，设计出如表2所示的混凝土表面温控措施试验方案。

表2 保温措施计算工况设计

大体积混凝土的浇筑层厚也是影响温度裂缝效果的重要因素，结合工程实际，设计1.0、1.5、2.0m三种不同的浇筑层厚进行试验，分别记为方案20、方案21和方案22。

3 试验结果与分析

3.1 入仓温度的试验结果与分析

采用现场试验的方式，对不同入仓温度试验方案下的混凝土内部的温度和应力进行试验，提取出试验结果的最大值，详见表3。由试验数据可知，随着入仓温度和环境温差的增大，混凝土内部的第一主应力呈现出增大的特点，而第三主应力呈现出减小的特点。具体来看，当环境温差小于5℃时，第一主应力的增大幅度相对较小，当环境温差大于5℃时，第一主应力的增加比较迅速。因此，在大体积混凝土的浇筑施工过程中，需要时刻关注施工现场的气候特点和天气变化情况，及时调整混凝土的入仓温度，使之与环境温度之间的差值控制在5℃以内。

表3 不同入仓温度方案下的混凝土内部温度和应力最大值

3.2 表面保温措施的试验结果与分析

采用现场试验的方式，对不同表面温控措施试验方案下的混凝土内部温度和应力进行试验研究，并从试验数据中提取其最大值，结果见表4。由试验结果可知，随着表面温控措施的强化，混凝土内部的最高温度呈现出不断升高的变化特征。究其原因，主要是表面温控措施，对混凝土内部的环境散热产生了明显的抑制作用，因此混凝土内部的温度明显升高。从具体的计算结果来看，第三主应力的最大值在2.5MPa左右，显著低于C30混凝土的抗压强度值，因此不会产生抗压破坏。从第一主应力的试验结果来看，方案13、方案14、方案15的第一主应力最大值较大，已经超过C30混凝土抗拉强度设计值，而方案17、方案18和方案19的第一主应力最大值已经十分接近C30混凝土的抗拉强度设计值。由此可见，方案17的表面温控措施最为有利。也就是说，在大体积混凝土的施工过程中，可以在施工模板内部设置厚度为2cm的聚乙烯泡沫保温板。采取上述表面保温措施，不仅可以有效降低表面开裂的风险，同时施工简单，施工成本也相对较低。

表4 不同表面温控措施方案下的混凝土内部温度和应力最大值

3.3 浇筑层厚的试验结果与分析

采用现场试验的方式，对不同浇筑层厚试验方案下的混凝土内部温度和应力进行试验研究，并从试验数据中提取其最大值，结果见表5。由试验结果可知，随着浇筑层厚的增加，混凝土内部的最高温度和应力值均呈现出先减小后增大的特点，当采用方案21，也就是浇筑层厚为1.5m时，混凝土内部的应力和温度控制效果最佳，当然可以获得最好的温度裂缝控制效果。

表5 不同浇筑层厚方案下的混凝土内部温度和应力最大值

4 结论

此次研究以某水电站混凝土重力坝为例，利用现场的方法，研究了混凝土入仓温度、表面保温措施以及浇筑层厚对混凝土内部温度和应力的影响，并获得如下主要结论：

(1)当温差小于5℃时，随着温差的增大，第一主应力的增大幅度较为有限，当温差大于5℃时，增加的速率较为迅速，建议将入仓温度和环境温度之差控制在5℃以内。

(2)在大体积混凝土的施工过程中，可以在施工模板内部设置厚度为2cm的聚乙烯泡沫保温板。

(3)随着浇筑层厚的增加，混凝土内部的最高温度和应力值均呈现先减小后增大的特点，当浇筑层厚为1.5m时，混凝土内部的应力和温度控制效果最佳，获得最好的温度裂缝控制效果。