混凝土重力坝温控设计研究与优化分析

朱文举

(肇源县水利工程指导中心，黑龙江 肇源 166500)

1 工程概述

某水利枢纽为黄河流域的梯级开发水利工程，主要建筑物包括碾压式混凝土重力坝、坝身溢洪道、发电系统及船闸等，最大坝高65m，总库容2.46亿m3，调节库容1.13亿m3，正常蓄水位485m，枢纽混凝土为131.5万m3，电站总装机12.6万kW，多年平均发电量3.24亿kW·h[1]。工程区多年平均气温14.6℃，多年平均日照时数1707.7h，多年平均降水量803mm，多年平均蒸发量1078.5mm，多年平均风速1.2m/s，最大冻土深度7cm[2]。混凝土重力坝结构示意及浇筑分层图，见图1。

图1 混凝土重力坝结构示意及浇筑分层图

2 混凝土温控设计标准[3]

2.1 基础温差

根据设计规范及基础温差要求，坝体混凝土基础允许温差，见表1。

表1 坝体混凝土基础允许温差 ℃

2.2 混凝土设计允许最高温度

根据坝体各部位混凝土的允许基础温差、恒定温度及浇筑最高温度等控制，混凝土建筑块设计允许最高温度，见表2：

表2 浇筑块设计允许最高温度

2.3 混凝土表面保护标准

保护标准：混凝土内外温差≤20℃，当日平均气温持续下降6-8℃时，28d龄期内混凝土表面需采取表面保护措施，保温后等效放热系数β≤2-3.0W/m2·℃[4]。中、后期混凝土温控措施根据大坝浇筑部位和外界气温而定。

在旧混凝土(28d龄期)上浇筑新一仓混凝土时，在新旧混凝土0.2L高度区间内的上下层温差保持在16-18℃。若新浇混凝土无法保持连续浇筑，温差范围应适当严格。

2.4 填塘、陡坡混凝土的温控要求

根据设计规范标准要求，当大坝的混凝土浇筑块建基面高差>5m，该部分定义为填塘混凝土。混凝土温控标准为基础约束区的允许最高温度，高温季节适当加严1-2℃，采取铺设冷水管、喷洒水雾等降温措施，待与相邻高程面接近时且温度与基岩温度相近时可浇筑上层混凝土。

2.5 混凝土出机口温度条件

高温及次高温时段(5-9月)出机口预冷混凝土温度≤20℃，其他月份按自然温度拌制供应。

3 温度控制条件及分析

3.1 温度计算

综合混凝土入仓与浇筑方式，充分考虑保温与喷雾等措施后，以最不利组合方式计算混凝土入仓及浇筑温度。混凝土的浇筑温度计算公式为[5]：

Tj=T0+T0′

(1)

式中：T为j混凝土的浇筑温度；T0为出机口温度；T0′为温度补偿值，取值取决日平均气温。

经计算，不同月份混凝土出机口及浇筑温度汇总表，见表3：

表3 不同月份混凝土的出机口与浇筑温度汇总表

3.2 混凝土最高温度计算及成果分析

3.2.1 计算方法

混凝土内部最高温度计算公式[6]：

Tmax=Ti+ζ·Tr

(1)

式中：Tmax为混凝土内部最高温度；ζ为取决于浇筑温度、水化热、结构尺寸，ζ=0.60-0.72。

3.2.2 自然入仓计算成果

根据C20W8F150(常态)28d绝热温升为27.56℃;、C20W6F100(碾压)28d绝热温升为17.29℃。混凝土绝热温升试验成果，见图2：

图2 工程常用混凝土绝热温升值试验成果曲线图

结合实际分仓分层规划当层厚为1.5m以下时，ζ取0.6，当层厚为3.0m以下时，ζ取0.72，计算自然浇筑条件下混凝土内部最高温度。自然入仓时混凝土内部最高温度计算成果表，见表4：

表4 自然入仓时混凝土内部最高温度计算成果表

大体积混凝土在5-10月控制出机口温度为20℃情况下，控制机口温度≤20℃后，混凝土内部最高温度计算成果表，见表5：

表5 控制机口温度≤20℃后，混凝土内部最高温度计算成果表

通过计算分析，比较上表允许混凝土内部最高温度值，可见常态混凝土5-9月份层厚3m时超出允许内部温度34℃-39℃值，需要进行通水削峰处理。

3.3 计算成果分析

根据上述成果可知，10月-次年4月份气温适中，混凝土自然入仓。5月-9月平均气温为24℃，混凝土需采取预冷措施，预冷混凝土出机口温度≤20℃。根据混凝土允许最高温度的控制标准，分析结果如下：

1)4-10月份强约束区碾压混凝土5-9月层厚3m结构混凝土，拌制时采用预冷，运输中采用苫盖，浇筑时采用喷雾营造仓面小气候降低浇筑温度，浇筑后采用通冷却水进行削峰控制混凝土内部温度等综合措施，保证混凝土最高温升在设计允许范围内。

2)12-2月浇筑的碾压混凝土均采用仓面覆盖保温板的措施，来保证混凝土内外温差≤设计允许标准。

3)12-2月份浇筑脱离约束区的碾压混凝土，采用苯板或保温被等表面保温措施即可。

4)11-3月浇筑的常态混凝土均采用覆盖保温板的措施，来保证混凝土内外温差不超过设计允许标准。

5)4-10月浇筑的常态混凝土需通水冷却，以此降低混凝土最高温度<设计允许值。冷却水管采用高密聚乙烯类管材，直径选取φ32mm，壁厚2mm。

6)冷却水管埋设部位：左、右非坝段、底孔坝段、纵向围堰坝段、泵站、电站等部位，>6m的墩、墙等部位。冷却水管采用高密聚乙烯类管材，直径宜为φ32mm，壁厚2mm。

4 混凝土主要温控措施

坝址气候夏季炎热多雨，冬季较冷。主体混凝土施工范围广，温控难度大。在施工过程中，需结合不同施工部位、不同施工时段，需采取预冷混凝土、通水冷却、仓面喷雾保温、养护及表面保护等一种或多种组合温控措施。具体温度控制措施如下：

1)高温季节混凝土拌制、运输及入仓温度控制中合理控制运输时间，减少转运次数。运输时需采取隔热、防晒等措施。当外界气温> 22℃，车厢外侧洒水降温，控制混凝土浇筑温度在 22℃以内。

2)高温时段浇筑施工时进行仓面喷雾，控制雾滴直径范围在40-80μm，避免混凝土泛浆。

3)初期冷却埋设冷却水管，水文控制在10-12℃，高温季节的基础约束区加密水管水平间距1.0m，浇筑层厚度>2.0m的加设1层。

4)通过上述措施降温后的混凝土最高温度超过容许最高温度时，及时进行表面流水冷却，一般在混凝土终凝后开始表面流水，流水时间持续 1-2d，温度有效降低后可更换为洒水养护。

5)优化混凝土配合比设计，提高混凝土抗裂性能。在混凝土施工配合比和生产工艺试验中，降低单位水泥用量，减少混凝土水化热温升，延缓水化热发散速率。

5 结 论

文章根据某混凝土重力坝坝址区水文地质和水工混凝土温控设计标准，基于温控理论计算混凝土浇筑的出机口温度和浇筑温度，分析得出不同月份混凝土入仓最佳温度区间，结合内部最高温度提出高、低温季节的温控主要措施，结论对大体积混凝土浇筑温控设计及措施研究提供一定的指导价值。