严寒地区混凝土拱坝浇筑期间温控措施及监测方法

2021-11-06朱国建

水利建设与管理 2021年10期

朱国建

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新彊乌鲁木齐 830000)

拱坝是受两岸坝肩、基岩三面约束的高次超静定混凝土薄壳结构，在坝体温度变化过程中受外界的约束较强，容易产生较大的温度应力。在施工过程中，混凝土拱坝受较大的基础温差作用可能会产生贯穿性裂缝，同时较大的内外温差也会导致表面裂缝的产生。而严寒地区年平均气温低，冬季寒冷、夏季炎热，全年寒潮频繁，导致混凝土拱坝承受的基础温差、内外温差、上下层温差及运行期非线性温差都很大，防止裂缝的任务艰巨。因此，在拱坝施工过程中必须严格控制坝体的基础温差和内外温差，以防止危害性裂缝的产生[1-2]。

拱坝工期温度控制始于20世纪30年代建设的美国胡佛拱坝，结合胡佛拱坝建设研究开发的预冷骨料、通水冷却等温控措施部分沿用至今[3]。国内大岗山[4]、构皮滩[5]、溪洛渡[6]等拱坝建设过程中，均采取了适应工程需要的温控措施。温度监测可以直观反映大坝温控效果，为工程施工、仿真分析提供数据支撑，尤其是在高低温季节混凝土浇筑及温度变化情况，可为大坝混凝土的温度控制提供一定的经验[7-8]。

为研究严寒地区混凝土拱坝浇筑期间温度控制及温控效果，本文以山口混凝土拱坝为例，结合工程特点提出了温度控制措施，介绍了温度监测布置情况，根据温度监测数据对温控效果进行了分析，相关成果可为同类型工程温控防裂提供参考。

1 工程概况

山口水电站水库为峡谷型水库，大坝为常态混凝土双曲拱坝，坝顶高程649.00m，建基面高程555.00m，最大坝高94.0m，拱冠梁底宽27.0m，厚高比0.287。坝身布置表孔和深孔组合泄洪，深孔兼有放空检修电站进水口的功能，表孔坝段布置在拱冠段，共布置三孔，每孔净宽10m，放水深孔布置在其右侧，一孔，净宽6m，出口均采用挑流消能。

工程所在地气候特征是：空气干燥，春秋季短，冬季较长；夏季气温较高，冬季多严寒，气温日较差明显，年较差悬殊。根据工程区所在地气象站多年气象资料统计：其多年平均气温为5℃；极端最高气温达39.4℃，极端最低气温达-41.2℃；工程所在河流冰情一般发生在11月上旬至次年4月中旬，并且冰盖较厚，河水水温在5—10月平均值为9.3℃，最高值为20.2℃。

2 施工期温度控制

在山口坝址区，夏季炎热、冬季严寒且持续时间长；昼夜温差大且寒潮频繁。本工程施工期为每年4—10月，11月进入负温期，直至次年3月，冬季月平均气温除11月(-3.3℃)和3月(-3.5℃)稍高外，12月至次年2月都在-13.3℃以下，冬季严寒持续时间长且风大，不适合混凝土施工。夏季气温较高(6—8月平均气温在20℃以上)，混凝土降温问题较为突出。这种严寒气候条件和长间歇式的施工方式使其具有独特的温度应力时空分布规律，大大增加了坝体混凝土温控与防裂的难度。

必须采取一系列措施，才能在施工期和运行期有效控制坝体混凝土的基础温差、上下层温差和内外温差以及坝体混凝土的最高温度，从而将坝体混凝土温度应力控制在允许范围之内，达到防止或较少产生混凝土裂缝的目的。为满足混凝土防冻防裂要求，除继续掺防冻剂外，采取多项温控措施和温控标准。

2.1 控制混凝土出机温度和浇筑温度

为了防止早期混凝土受冻，寒冷季节施工时混凝土的浇筑温度不得低于5℃。为了减小内外温差和基础温差，满足防裂要求，浇筑温度亦不得高于各部位混凝土的设计要求值。考虑到运输和浇筑过程中的热量损失，出机口混凝土温度控制在8～10℃。各部位各月混凝土浇筑温度不应超过表1的限值。

表1 混凝土浇筑温度控制标准单位：℃

2.2 基础和冷壁(模板)预热和临时保温

在浇筑混凝土以前，对与新混凝土接触的基础和边界(钢模板和老混凝土等)，应用蒸汽(或热风)清除所有的冰和霜冻。建议在白天气温较高的时间备仓，并将验收合格后的仓面用2层2cm厚聚乙烯棉被和1层三防帆布进行临时覆盖保温，尽可能使基础(老混凝土)温度控制在5℃以上，浇筑混凝土时随揭随浇。

2.3 原材料加热

当气温不低于-1℃时，可只需将拌和水加热，以满足出机温度的要求。水温不超过60℃，以免水泥发生假凝。当气温低于-1℃时，须将水与细骨料加热，同时加热粗骨料，使其中的冰雪融化。加热砂石料时应避免过热和过分干燥，最高温度不得超过75℃。

2.4 运输中的保温

采用大型运输罐，运输罐外喷聚氨酯保温层。缆机吊罐外喷10cm聚氨酯保温层，顶部亦应采取相应保温措施，避免混凝土运送入仓过程中热量损失过大。

2.5 浇筑过程中减少热量损失

加快浇筑速度，缩短浇筑时间；已平仓振捣完毕的仓面立即用2层2cm厚聚乙烯棉被和1层三防帆布进行覆盖保温，其他工作面用2层2cm厚聚乙烯棉被覆盖保温。浇筑时间建议选在气温不低于-5℃的时间段内。

2.6 保温养护

新浇混凝土任何位置温度不得降至零下。仓面在浇筑后立即采用2层2cm厚聚乙烯棉被和1层三防帆布进行临时覆盖保温，一周后按设计要求进行越冬仓面保温。对于冬季拆除的模板外侧全部(包括桁架)喷6cm厚聚氨酯进行临时保温，冬季不拆除的模板喷10cm厚聚氨酯进行越冬保温。

2.7 水管冷却

当浇筑温度在8～10℃时，按设计要求在浇筑混凝土前0.5h开始通水进行冷却，冷却水温不得低于4℃。当浇筑温度低于8℃时，在浇筑后12h开始通水冷却，冷却水温不得低于4℃。混凝土一期冷却通水时间一般不少于7d，实际通水时间视混凝土内部温度变化而定，当混凝土温度升至最高温度后下降至18℃时可停止一期通水冷却。当浇筑温度低于6℃时可取消一期冷却，由于后期冷却的需要，冷却水管仍需按设计要求进行铺设。

3 温度监测布置

温度监测包括坝体混凝土温度、基础温度分布、表面温度、库水温等监测。常态混凝土坝的温度变化对坝体应力影响比较大，坝体温度场监测采用“三梁三拱”网状控制，即选取560.00m、579.00m、605.00m、620.00m高程拱圈，三个主监测断面——主河床拱冠梁坝段、左岸岸坡坝段、右岸岸坡坝段进行温度监测(见图1)。

图1 温度监测仪器布置图

坝体表面温度采用埋设在距坝体上下游表面5～10cm的坝体混凝土内沿高程布置的温度计进行监测，坝体内部混凝土温度采用网格布置温度测点监测，网格间距为8～15m。对于基岩温度，则在温度观测断面的基础底部，靠上、下游设置深入基岩5～10m深的钻孔，在孔内不同的深度处设置测点布设温度计，以监测基础温度分布。