大垸泵站进水流道底板混凝土温控措施分析

敖跃飞，赵 宁，肖鹏举

(1. 江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西 南昌 330009；2. 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

混凝土施工期温度裂缝产生的主要原因在于内外温差、温降速率以及结构约束作用[1]。防止温度裂缝产生的办法是多方面的[1-4]，有保温措施、通水冷却、优选混凝土配合比、进行结构优化等等。对于底板等薄层结构，在冬季低温季节浇筑，由于环境温度很低，混凝土温降很快，而又不便于在内部埋设水管通水冷却以降低混凝土内部最高温度，因此保温就成为防止温降过快的重要温控手段之一[3]。本文以大垸泵站进水流道底板为例，基于有限元分析原理，对底板混凝土温度场和温度应力场进行模拟计算，对比分析低温季节不同保温措施对底板温控的影响，探讨合理可行的保温措施。

1 工程基本情况

大垸泵站安装6台混流式水泵机组，主厂房平面尺寸56.84 m×34.5 m(长×宽)。水泵转轮中心高程16.00 m，低驼峰出水管道中心高程23.75 m。主机间从上至下共有5层，最上层为电机层，高程为32.40 m，第二层为风道层，高程29.45 m，第三层为联轴层，高程为26.25 m，第四层为水泵层，高程为14.90 m；第五层为流道层，底板厚1.5 m；进口底板高程11.9～10.5 m，下游侧底板高程10.8 m，作为泵房检修集水之用。

主泵房地基上部为粘性土层，下部为粉细砂、中粗砂及砂卵(砾)石。建基面下的持力层为中高压缩性土层，地基土层在上部荷载作用下，容易产生压缩变形，因土层的分布变化大，易出现不均匀沉降等问题，采用钻孔灌柱桩，桩径为120 cm，主机间底板共布置165根，桩长27.1 m。

泵站地处江汉平原南部，汉江下游南岸，属亚热带湿润季风气候，年平均气温16.5℃，极端最低气温-14.2℃，极端最高气温39.3℃，一般1月最冷，7月最热。泵站所在地当地多年月平均气温见表1。

表1 多年月平均气温 ℃

大垸泵站共有六个流道，在实际施工中，分为左中右三联进行浇筑，每两个流道为一联。底板层及进水流道层浇筑分层示意图如图1所示，拟定的浇筑进度如表2所示。

图1 大垸泵站主泵房流道部分浇筑分层示意图

表2 大垸泵站主泵房流道部分浇筑计划表

2 模型及计算参数

本文选择1号、2号机组(左联)进行分析，地基沿泵房向外横向取3.5 m，纵向取3.5 m，流道混凝土和地基主要采用空间八结点等参单元，对称面施加对称荷载，灌注桩为圆柱形，矩形布置。底板模型及边墩部位特征点位置参见图2及图3。

计划于一月份浇筑。由于底板各部分结构尺寸差异很大，外界气温很低，根据经验，对于图2、图3中的B-B及C-C断面所在部位是温控防裂的重点。

图2 底板模型及特征断面位置示意图

图3 边墩部位特征点位置示意图(单位：m)

泵站混凝土力学参数见表3。

表3 混凝土力学参数

大垸泵站混凝土的热学参数如表4所示。

表4 大垸泵站流道混凝土热学参数

冷却水管采用PE管，管内径25 mm，壁厚3 mm，导热系数为1.656 kJ/(m2·h·℃)。

相关规范未明确泵站混凝土温度应力最小抗裂安全系数的取值问题，参考混凝土重力坝设计规范(SL319-2018附录E)规定[5]，对大坝可根据工程的重要性及开裂的危害性在1.5～1.8之间取值，考虑到泵站底板的重要性及本泵站属Ⅱ等工程，允许抗裂安全系数取小值1.5。

为分析比较和突出重点，选择如图2和图3 所示的3个断面(A-A，B-B，C-C)，其中A-A断面主要用来比较。每个断面选择边墩部位离浇筑层表面不同高度的3个点(每个点离边墩侧面0.6 m)，A断面3个点离表面的距离分别为0.57、1.12 m和1.64 m，B、C断面3个点离表面的距离均分别为0.18、0.35 m和0.53 m。

3 不同保温措施的混凝土温度与温度应力分析

施工计划拟定于1月9日浇筑。由于底板最薄处厚度0.8 m(见图3)，不便于布置水管，经参考类似工程经验[3]和多方案比较，确定浇筑温度17℃。由于元月份环境温度很低，想办法提高环境温度与表面保温就成为了优先考虑的方案。拟定的保温措施(方案)有：①前10 d搭保温棚人工加热，之后养护毯保温；②单层保温被保温；③前10 d搭保温棚，之后单层保温被保温；④前5 d搭保温棚，之后单层保温被保温。养护毯保温表面放热系数20 kJ/(m2·h·℃)，单层保温被保温表面放热系数7.2 kJ/(m2·h·℃)。根据文献[3]，搭设保温棚人工升温环境温度可以提高5℃～8℃，本文按照提高5℃考虑。

上述4种保温措施情况下，特征点最高温度与最小抗裂安全系数统计见表5，其中，A-A断面与C-C断面在单层保温被情况下已经满足了抗裂要求，因此在保温措施③～④情况下，只列出了B-B断面特征点的统计值。

表5 特征点最高温度与最小抗裂安全系数统计表

3.1 不同保温措施对底板温度的影响分析

由于底板各部分厚度差异较大，各部分的最高温度差异也比较大。在前十天搭保温棚，之后养护毯保温情况下，A-A断面(厚度1.5 m)最高温度最高，表面点达35.82℃(1.5 d，出现时间，下同)，中间点达37.57℃(2.0 d)，而B-B断面(厚度0.8 m)最高温度表面点29.51℃(1.0 d)，中间点31.44℃(1.0 d)，C-C断面(厚度0.8 m)最高温度表面点29.42℃(1.0 d)，中间点31.58℃(1.0d)。A-A、B-B和C-C断面表面点与中间点的温差分别为1.75℃、1.93℃和2.16℃。

当采用单层保温被后，A-A断面最高温度表面点38.95℃(2.0 d)，中间点39.79℃(2.0 d)，而B-B

断面最高温度表面点32.81℃(1.5 d)，中间点33.36℃(1.5 d)，与方案①比较，其最高温度分别提高了3.13℃(A-A表面点)、2.22℃(A-A中间点)、3.30℃(B-B表面点)、1.92℃(B-B中间点)。A-A、B-B和C-C断面表面点与中间点的温差分别减小为0.84℃，0.55℃和0.75℃，最高温度出现的时间推迟，因此由于温差导致的相互约束必然减小。说明保温被保温具有明显的作用。

限于篇幅，这里仅列出B-B断面在方案①与方案②、方案③和方案④的早期温度变化过程线，参见图4～图6。从图4可以看出，在方案①情况下，当停止保温棚保温措施后，特别是B-B断面表面点及中间点，温降速率明显加大。而在采用保温被保温的情况下，B-B断面各点虽然最高温度增高了，但是温降速率要小很多。

图6 方案①与方案④早期温度变化过程线

而在方案③和方案④的情况下，由于前期搭设保温棚保温，其最高温度出现的时间与最高温度值与方案①的相同，不受影响。但是从图5和图6可以明显看出，采取保温被保温后，混凝土的最低温度明显提高，最低温度从方案①的9.69℃(18.5 d)提高到方案③的11.77℃(22.5 d)和方案④的11.76℃(22 d)。因此，前期搭设保温棚+后期保温被保温方案，混凝土最高温度低于直接采用保温被保温方案的值，同时后期最低温度值也提高了，其出现时间推迟，因此，该方案具有控制最大温差，从而控制混凝土温降速率的双重作用。

3.2 不同保温措施对底板温度应力的影响分析

分析表5，温控防裂的重点在B-B断面的表面点，上述各方案情况下B-B断面表面点温度应力过程线见图7。

图7 B-B断面表面点温度应力过程线

下面结合表5及图4～图7，对各种情况下的温度应力及其抗裂安全系数进行分析。

3.2.1 前10 d搭保温棚+养护毯保温

在方案①情况下，B-B断面的表面点和中间点混凝土抗裂安全系数仅仅为1.16和1.38，对应的拉应力分别为2.00 MPa和1.70 MPa，分别出现在浇后的20.5 d与21.5 d(也就是元月底)。这是由于养护毯保温效果比较差，混凝土温降速率大所导致的。

与B-B断面对应的C-C断面表面点和中间点混凝土抗裂安全系数为1.51和1.65，对应的拉应力分别为1.52 MPa和1.41 MPa，分别出现在浇后的19.5 d与20.5 d。分析这两处差别的原因，就是B-B断面处于底板厚度1.5 m突变到0.8 m的位置，B-B断面受到1.5 m厚底板的约束作用更强。因为从温度变化的过程来看，A-A断面相对于B-B断面是温升膨胀，B-B断面则是温降收缩，因而产生的温度应力大。另外，虽然B-B断面的最高温度及其出现时间与C-C断面的一致，但C-C断面处于断面尺寸缓慢变化的部位，其周围各点的温升温降基本同步，因此相互之间约束小，产生的温度应力当然要小了。

同时，分析比较B-B断面与A-A断面，虽然A-A断面最高温度远远高于B-B断面最高温度，但是由于A-A断面所在部位体积较大，相对来说各个部分的温降速率要明显小于B-B断面温降速率，因此虽然其最小抗裂安全系数对应的拉应力为1.60 MPa，但出现的时间为浇后23 d(这时候混凝土对应的抗拉强度也提高了)，也明显要迟于B-B断面的20.5 d。因此，A-A断面抗裂能力要显著的强于B-B断面抗裂能力。

因此，对于冬季低温季节浇筑的很薄的底板，控制温降速率，也就是保温对防止早期温度应力过大就成了最重要的手段，特别是对于结构尺寸差异很大的部位。

3.2.2 单层保温被保温

在此情况下，结构很薄部位表面点和中间点抗裂安全系数有较大提高，B-B断面最小抗裂安全系数从1.16和1.38提高到1.30和1.53，C-C断面最小抗裂安全系数从1.51和1.65提高到1.71和1.86。而对于厚度为1.5 m的底板部位表面点和中间点抗裂安全系从1.49和1.51提高到1.60和1.68。这充分说明了加强表面保温(保温被保温)对于减小低温季节体积单薄的混凝土结构温降速率，从而控制温度拉应力具有显著的作用。同时比较底板不同厚度也可以发现，表面保温对于像B-B和C-C这样的厚度很薄的结构，效果更明显。

3.2.3 搭设保温棚+单层保温被保温

由于环境温度低，单纯采用保温被保温，混凝土表面点抗裂安全系数仍然不能满足要求。通过搭设保温棚再采用保温被保温，比直接采用单层保温被保温，混凝土抗裂安全系数有明显的提高(方案③最小值1.45)，最小抗裂安全系数出现的时间推迟。根据文献[3]，搭设保温棚可以有效提高环境温度5～8℃以上(本文是按照5℃计算的)，前10 d搭设保温棚+后期单层保温被保温的方案是基本满足温控防裂要求的。

对于本工程，分析图5和图6，前5 d搭设保温棚+后期保温被保温(方案④)，比前10 d搭设保温棚+后期保温被保温，其温度过程线与最低温度及其出现时间没有明显差异，因此其温度应力及最小抗裂安全系数也无本质的差异。不同的是前5 d搭设保温棚方案，在到第10 d时，混凝土的温度要稍高于前10 d一直搭设保温棚保温方案的温度，也就是说保温被的保温效果好于搭设保温棚的保温效果，方案④的前期(10 d前)温降速率小于方案③的温降速率。但由于方案③和方案④的最低温度基本一致，也就意味着方案④的后期温降速率要大于方案③的温降速率。由于混凝土后期的弹性模量要大于前期的弹性模量，导致方案④的最大拉应力(1.71 MPa，25 d)要稍大于方案③的最大拉应力(1.67 MPa，26 d)，因此方案④的最小抗裂安全系数(1.43)稍小于方案③的最小抗裂安全系数(1.45)。

因此，通过前期搭设保温棚+后期保温被保温具有提高环境温度，控制早期温降速率，防止后期温降过大，减小温度拉应力的作用，方案③也成为被推荐的施工保温措施。

4 结 语

通过对大垸泵站底板混凝土冬季施工不同保温措施的影响分析，有以下认识和结论：

1)对于冬季施工的泵站进水流道底板，由于其厚度比较薄，且各部位结构尺寸差异较大，必须采取温控措施，特别是保温措施，防止出现温度裂缝。

2)覆盖保温被保温，能有效提高混凝土最低温度，减小温降速率，减小温度拉应力，防止出现早期温度裂缝。搭设保温棚(时间不宜少于1周，本工程是10 d)，提高环境温度对于底板早期温控防裂具有重要作用。搭设保温棚+单层保温被保温的保温措施对冬季施工的泵站进水流道底板混凝土温控防裂是可供选择的方案。

3)结构设计上，应尽量避免底板相邻结构尺寸差异过大。在施工的时间安排上也应尽可能避开气温最低的时间。