水电站消能系统大体积混凝土施工温度控制技术研究

赵 飞

(中国水电基础局有限公司,天津 370124)

1 工程概况

某工程施工合同范围包括明渠辅助消能工、明渠底板基础加固、明渠结构缝处理、明渠左导墙基础淘刷区加固、明渠右挡墙加高及明渠出口冲刷区处理、明渠混凝土缺陷处理、二滩水电站运行期防汛应急备料场整治等。明渠辅助消能工由连续坎和加固板组成,是明渠底板消能结构改变的重点区域,辅助消能工起始桩号左导0+125.00 m～0+185.00 m。

2 水电站消能系统大体积混凝土施工温度控制的必要性

水电站消能系统是水电站工程中的重要组成部分,用于调节水流速度和能量,减小对下游环境的影响。在消能系统建设中,大体积混凝土施工是常见的实施方式。因此,对大体积混凝土施工温度进行控制具有重要的必要性。

首先,大体积混凝土施工温度的控制能够确保混凝土强度和稳定性。混凝土强度与其水化反应有密切的关系,而水化反应受温度影响较大。过高的温度会导致混凝土过早脱水和快速硬化,从而降低混凝土强度。相反,过低的温度则会延缓水化反应,导致混凝土强度的发展受到限制。通过控制混凝土施工时的温度,可以使水化反应在适宜的温度范围内进行,从而保证混凝土强度和稳定性。

其次,大体积混凝土施工温度的控制可以减少混凝土裂缝和变形。混凝土在硬化过程中会发生收缩和变形,而温度是引起这些变形的重要因素之一。过高的温度引起的热收缩和温度梯度会导致混凝土表面和内部产生应力差异,从而引起裂缝的形成;相反,过低的温度会导致冻胀和热应力集中,也容易引起混凝土裂缝[1]。通过控制施工温度,可以有效减少混凝土裂缝和变形,提高工程结构的稳定性和耐久性。

此外,大体积混凝土施工温度的控制还有助于施工进度安排和施工质量保证。通过合理控制施工温度,可以确保混凝土的均匀硬化,避免出现硬化速度不一致的情况。这有利于施工进度的合理安排,提高工程效率。同时,温度控制还有助于控制混凝土质量,减少因温度波动导致的施工质量问题。

3 水电站消能系统大体积混凝土施工温度控制技术

3.1 科学制定大体积混凝土施工方案

首先,地质勘察和分析。在制定施工方案之前进行详尽的地质勘察和分析,了解工程地质条件和地下水情况。通过获取地质数据,确定基坑开挖深度和范围,以及地下水位对施工的影响。同时,识别潜在的地质灾害风险,如岩层裂隙、溶蚀地层等,以制定相应的防治措施。

其次,施工方法选择。根据地质条件和工程要求,选择合适的施工方法。常见的施工方法包括自由浇筑、模板浇筑、悬挂脚手架施工等。根据具体情况,权衡各种方法优缺点,并结合工程要求和现场条件,选择最合适的施工方法。

再者,进行施工平面布置。连续坎布置起始桩号为左导0+125.00 m,终止桩号左导0+140.00 m,其结构布置在原明渠导墙及底板982.00 m高程上。加固板布置起始桩号为左导0+140.00 m,终止桩号左导0+185.00 m,其结构布置在连续坎后的明渠底板982.0 m高程之上。加固板共分12个板块,以左导0+140.00 m、左导0+155.00 m、左导0+170.00 m现有结构缝划分。两部分结构,左岸与明渠左导墙“L”型底板及边墙相连,右岸与明渠右岸贴坡混凝土相连。

此外,制定施工温度控制方案,确保混凝土强度和稳定性。该方案应包括以下内容:控制施工期间的环境温度和湿度,避免过高或过低的温度对混凝土的不利影响;采取适当降温措施,如喷水降温、遮阳棚等,以控制混凝土温度;安排适当的浇筑顺序和时间,避免温度梯度过大;监测混凝土温度变化,及时调整施工措施[2]。

3.2 合理使用原材料

合理使用原材料控制水电站消能系统大体积混凝土施工温度是实现施工质量和工程效益的重要措施。

第一,原材料选择。在混凝土施工中,合理选择原材料是控制施工温度的关键。首先,对水泥的选择要注意其热释放特性。控制水泥的含热量和含铝量,选择低热水泥或掺入适量矿渣、粉煤灰等矿物掺合料,可以减少水泥水化过程中的热量释放,从而降低混凝土温升。其次,选择适宜的骨料和砂料,确保其热导率和吸热能力适中,以达到良好的散热效果。

第二,混凝土配合比优化。通过合理调整混凝土配合比,可以控制混凝土的水胶比和粉料含量,从而影响混凝土的温度发展。降低水胶比可以减少混凝土的水化反应热量,选择适当的矿物掺合料可以减少水化热释放。此外,可以考虑使用外加剂,如缓凝剂、冷却剂等,来延缓混凝土的水化反应速度,降低温升。在此次工程中水工混凝土水灰比的最大允许值需符合表1的规定。

表1 水工混凝土水灰比的最大允许值

第三,混凝土的坍落度根据建筑物性质、钢筋含量、混凝土运输、浇筑方法和气候条件决定,尽量采用小坍落度。混凝土在浇筑地点的坍落度按表2选定。

表2 混凝土在浇筑地点的坍落度(使用振捣器)

3.3 优化大体积混凝土施工工艺

第一,分段施工。将大体积混凝土施工分为多个段落进行,每段之间有合适的时间间隔。分段施工可以减少混凝土的一次性浇筑量,降低温升速率。合理控制每个段落的体积和施工速度,确保足够时间用于混凝土的散热和温度均衡。在进行大体积混凝土施工时,根据工程要求和施工条件,合理划分施工段落。段落划分可以基于施工区域、结构单元、施工时间等因素进行,以确保每个段落的施工工序具有相对独立性和可操作性。

第二,控制浇筑量。将大体积混凝土施工任务分解为多个段落后,控制每个段落的浇筑量是关键。合理控制每个段落的浇筑量,避免一次性浇筑过多混凝土导致温升速率过快。通过降低单个段落的浇筑量,可以有效减少混凝土的热量积累,降低温度升高速度[3]。

第三,施工速度控制。在分段施工过程中,需要合理控制每个段落的施工速度。过快的施工速度会导致混凝土的温度升高过快,增加温度梯度和热应力,容易引起开裂。因此,根据混凝土特性和环境条件,合理安排每个段落的施工速度,避免过快的浇筑速度。

第四,时间间隔安排。在分段施工中,每个段落之间需要合适的时间间隔,以便混凝土得到充分散热和温度均衡。时间间隔的安排应根据混凝土的硬化特性、温度发展趋势和环境温度等因素进行考虑。通常,较大的时间间隔可用于控制温度升高速率,促进混凝土的散热和温度均衡。

3.4 混凝土配合比优化

通过合理调整混凝土配合比,可以控制混凝土的水胶比和粉料含量,从而影响混凝土的温度发展。降低水胶比可以减少混凝土的水化反应热量,选择适当的矿物掺合料可以减少水化热释放。此外,可以考虑使用外加剂,如缓凝剂、冷却剂等,来延缓混凝土的水化反应速度,降低温升。

第一,降低水胶比。水胶比是指混凝土中水的质量与水泥浆料中固体含量的比值。降低水胶比可以减少混凝土的水化反应热量,从而降低混凝土的温升速度。通过减少混凝土中的水含量,可以降低水化反应的热量释放,减少混凝土温度的上升。

第二,使用矿物掺合料。选择适当的矿物掺合料,如粉煤灰、矿渣等,可以降低混凝土的水化热释放。矿物掺合料中的活性成分可以参与水化反应,减少水泥用量,从而降低混凝土的温升速度。此外,矿物掺合料还可以改善混凝土的工作性能和耐久性。

第三,外加剂应用。外加剂是在混凝土中添加的一类化学物质,可以改变混凝土的性能和特性。在控制混凝土温度方面,可以考虑使用缓凝剂和冷却剂等外加剂。缓凝剂可以延缓混凝土的水化反应速度,减少热量产生。冷却剂则可以降低混凝土的温度,通过吸热反应来控制混凝土的温度升高速度。

第四,热量预测和计算。在混凝土配合比的优化过程中,可以使用热量预测和计算工具来评估不同配合比对混凝土温度的影响。通过模拟和计算,可以比较不同配合比下混凝土的温度发展趋势[4],为优化配合比提供科学依据。

3.5 采取有效的降热、保温措施

水电站消能系统大体积混凝土施工中采取有效的降热和保温措施对于控制施工温度、提高混凝土质量和工程效益至关重要。

第一,冷却剂应用。冷却剂是一种特殊的外加剂,可以通过吸热反应降低混凝土的温度。在大体积混凝土施工过程中,可以添加冷却剂到混凝土中,以有效降低混凝土温度升高速度。冷却剂的选择应根据工程要求和环境条件,确保其安全可靠,并遵循使用说明。

第二,喷水冷却。喷水冷却是一种常用的降温措施,通过将水喷洒在混凝土表面,利用水的蒸发过程吸收热量,降低混凝土温度。在大体积混凝土施工中,可以使用喷水系统对施工区域进行持续喷水冷却,尤其是在高温天气或高温季节进行施工时更为重要。

第三,通水冷却。通水冷却是水电站消能系统大体积混凝土施工中常用的一种降温措施。通过引入冷却水流经混凝土内部,利用水的冷却效应降低混凝土温度。选择适当的冷却水源对通水冷却效果至关重要,此次工程冷却水采用雅砻江水。在施工现场设置冷却水管路,将冷却水引入混凝土内部进行冷却。冷却水管路的布置应考虑混凝土结构的形状和尺寸,保证冷却水能够充分覆盖和流经混凝土的关键部位。合理的管路设计可以实现均匀的冷却效果,降低混凝土的温度升高速度。此外,控制冷却水的流量和温度是通水冷却过程中的关键。通过控制冷却水的流量,可以调节冷却效果,确保足够的冷却能力。通过水表进行流量监测,前7 d通水量为2.0～2.2m3/h,7 d后改为1.0～1.2 m3/h。同时,冷却水的温度也需要适当控制,以避免过低温度对混凝土强度和工作性能的不利影响。在实际操作中,可以通过加热或降温的方式调节冷却水的温度。要求降温阶段最大日降温速率≤1 ℃/d,通水温度与混凝土温度温差不大于20 ℃。

第四,遮阳棚和湿布覆盖。在混凝土浇筑后,可以采用遮阳棚或湿布覆盖的方式,阻挡太阳直射和空气中的热量进入混凝土,减缓混凝土的温度升高。遮阳棚和湿布可以有效地降低混凝土的热吸收和热传导,保持混凝土表面的湿度,有利于温度的均衡发展和降低温升速率。

第五,硬化保温。混凝土在硬化过程中会产生一定的内部热量,为了控制混凝土的温度发展,可以采取硬化保温措施。在混凝土浇筑后,覆盖保温材料,如保温毯、保温棚等,减缓混凝土的温度下降速度,促进充分的水化反应,提高混凝土的强度和耐久性。

3.6 进行合理预测与监测

进行合理的施工温度预测与监测在水电站消能系统大体积混凝土施工中至关重要。通过准确预测和实时监测混凝土温度,可以及时采取必要的措施,控制施工温度在合理范围内。首先,建设温度预测模型。建立合理的温度预测模型是进行施工温度预测的基础。该模型应考虑混凝土的特性、环境条件、施工工艺等因素,并结合历史数据和实测温度数据进行验证和校正。常用的温度预测模型包括数学模型、数值模拟和统计学方法等。通过模型预测,可以提前预知混凝土的温度变化趋势,为采取合适的控制措施提供依据。其次,温度传感器安装。在施工过程中,应安装适当数量和位置的温度传感器,以实时监测混凝土的温度变化。温度传感器的选择应具备高精度、稳定性和可靠性,能够在恶劣的施工环境中正常工作。传感器的布置应覆盖混凝土的关键部位,如浇筑面、结构体内部等,以全面了解混凝土的温度状况。再者,温度测量与记录。在混凝土浇筑过程中,需要进行温度测量并进行记录。这包括每4 h测量混凝土的出机口温度、入仓温度、浇筑温度、冷却水进出口温度和气温,并做好相应记录。温度计在完成备仓后、浇筑前进行安装。每仓混凝土设1组温度计,分上、中、下三个点,上部距浇筑面以下50～100 mm,下部距底部50 mm,中部设在浇筑厚度的1/2处。测位布置如图1所示。

图1 测位布置

在混凝土浇筑后的前3 d内,需要密切观测温度的变化情况,每隔8 h进行一次观测。3 d之后,观测频率降低为每12 h进行一次。整个温度测量时间持续28 d。通过这样的温度测量和观测,可以及时了解混凝土的温度变化情况,并及时采取相应的措施进行温度控制。此外,温度监测与报警系统:在施工现场设置温度监测与报警系统,以便及时掌握混凝土温度的变化情况。该系统可以设定合理的温度阈值,一旦超过设定范围,系统将自动发出警报,提醒施工人员采取相应的控制措施。这有助于及时应对异常情况,避免温度超限造成的质量问题和安全风险。最后,数据分析与评估。通过对采集的温度数据进行分析和评估,可以了解混凝土温度的发展趋势和变化规律。对温度数据进行统计和比较分析,与预测模型进行对比,发现异常情况并及时调整施工措施。同时,结合实际工程情况,评估温度控制的效果,为改进施工工艺和控制策略提供经验和依据。

通过合理的施工温度预测与监测,可以实时了解混凝土的温度变化情况,及时采取控制措施,保证施工温度在合理范围内。这有助于提高施工质量,减少混凝土温度应力和裂缝的产生,确保水电站消能系统大体积混凝土结构的稳定性和耐久性。因此,在施工过程中,应重视合理的温度预测与监测,采取科学的数据分析和评估方法,为工程顺利进行和质量保障提供支持。测温期间混凝土最高温度:39.0 ℃,混凝土内部最大温差:7.4 ℃,混凝土表面温度与大气最大温差:17.2 ℃。混凝土内部温度在浇筑完成后3～4 d达到峰值,峰值维持1～2 d后开始缓慢下降,日最大降温值:0.9 ℃;混凝土内部温度在11～13 d达到稳定,稳定温度为27 ℃左右,温度变化满足设计要求。

4 结语

水电站消能系统大体积混凝土施工温度控制技术是保证工程质量和安全的重要领域。在本文中,我们对该技术进行了全面的研究和探讨,包括混凝土配合比优化、分段施工、降热和保温措施、通水冷却等关键技术。通过合理应用这些技术,可以有效控制混凝土施工过程中的温度变化,减少温度应力和裂缝产生,提高施工质量和工程的可靠性。