高寒地区混凝土坝施工期间温度控制研究

2017-03-09汪春燕

黑龙江水利科技 2017年12期

汪春燕

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330000)

0 引言

随着中西部大开发的逐渐深入，在中西部高寒地区的水利工程建设逐渐增多。但西部高寒地区海拔高，日照时间长，昼夜温差大，多风少雨。高寒地区特殊的气候特点，在施工过程中要重点关注其温度控制。以西部高寒地区的水利工程建设中施工期间温度控制为例展开研究，对于类似工程提供参考经验。

文章以西部高寒地区大港碾压混凝土重力坝混凝土施工为例，探究施工期间温控措施。通过设定可对比性的试验，跟踪各条件下的温度变化并对比分析，综合考虑工程效益成本等方面，对温控措施相关参数给出最佳推荐值，提出合理的温控措施[1]。

1 工程概况

1.1 大港

大港碾压混凝土重力坝坝高131m，坝长368m，坝体共需要18万m3的混凝土浇筑。坝体分为15个坝段，其中最大坝宽32.5m。坝身共需修建6个泄洪表孔，1个泄洪底孔，5个发电进水口，坝体结构复杂。加上施工环境恶劣，施工期长，对坝体温控工作开展带来很多阻力。坝址处全年各月平均气温如表1。

文章选择10#坝段为研究对象，该段坝高93m，长110m，宽29m。碾压混凝土热学参数试验结果如表2。

表1 大坝所处地区年平均气温

表2 混凝土的热学性能参数情况

图1 10#坝段材料分区

图2 10#坝段坝体有限元网络模型

坝段温度场计算设基岩的底面加上4个侧面为绝热面，与大气接触的基岩顶面是散热面，坝体上下游面、顶面是散热面，两个横侧面是绝热面。在温度应力场计算中，三向全约束只有基岩底面，自由面有上游面。坝体顶面及4个侧面[2]。

依据相关公式计算水电站运行期坝前水库水温分布情况，结合实际工程，设定库底水温均值是6℃，并将此值作为边界值，得到稳定温度场分布情况，具体见图。由图1 可以得到大坝平均稳定温度变化范围是8-10℃，取其均值9℃设定是大坝平均稳定温度。依据平均稳定温度，MIDAS/GTS软件明确坝体基础温差、最高温度控制标准，具体情况如表3所示。

图3 10#坝段稳定温度场图

表3 基础温差、最高温度控制标准表

备注：强约束区、弱约束区、自由区的分界点是坝底长的20%、40%处。

4 温控措施

4.1 浇筑温度

根据施工情况，选择3种不同工况条件的浇筑温度进行分析，在4-10月期间强约束区、弱约束区、自由区的混凝土浇筑温度依次是12/15/18℃(1)、14/17/20℃(2)、16/19/21(3)℃，三种施工条件下坝体内部最高温度变化趋势见图4。

图4 种施工条件下坝体内部最高温度随高程变化趋势

由图2分析，不难看出，坝体整体的最高温度与3种约束区的浇筑温度、高程均成正相关关系。3种约束区坝体最高温度，自由区达到最大值后呈现减小趋势。从3种工况角度看，工况3浇筑温度最高，坝体内部最高温度也最高，但其变化趋势在同一约束区比工况2变化急促。综合考虑多种因素，给定在强约束区、弱约束区、自由区混凝土浇筑温度宜为：14℃、17℃、20 ℃[3-4]。

4.2 冷却水管

水利坝体温度控制主要通过布设冷却水管，按照计划进行通水，可以有效降低内部升温速度，控制最高温度大小。本工程中冷却水管规格是：长180m，管内径28mm，壁厚6mm。其布置方式采用蛇形布设。

4.2.1 冷却水管间隔

改变冷却水管间隔形成3种不同布设方案，通水时长一样，均24d，水温保持在12℃，测定三种间隔下坝体内部不同约束区的最高温度情况如表4所示。

由表4数据分析。

表4 不同间隔的冷却水管坝体内部不同约束区最高温度 ℃

4.2.2 冷却水温

冷却水温也是影响坝体内部最高温度的一个关键因素，为了找到最佳冷却水温，依次改变冷却水温，设定10、12、14℃，测定坝体内部不同约束区最高温度(冷却水管间隔选用1.2m×1.2m，通水时长24d)，具体见表5。

表5 不同冷却水稳条件下坝体内部不同约束区最高温度 ℃

分析表5中的数据，冷却水的温度对混凝土最高温度影响不大，冷却水温度升高2℃，混凝土最高温度仅升高0.6℃。考虑到经济成本考虑，冷却水建议选取10℃的天然水即可。

4.2.3 通水时长

冷却水的通水时长同样也影响着坝体内部最高温度，同理确定最佳通水时长，依次改变冷却水通水时长，设定测定12d、18d、24d，测定坝体内部不同约束区最高温度(冷却水管间隔选用1.2m×1.2m，冷却水温10℃)，变化曲线见图5。

图5 3种通水时长同一位置坝体内部温度跟踪变化曲线

由图3可以看出，混凝土浇筑完成后的7d内其温度不断上升，在7d左右达到最高温度，之后有一段下降期，后期处于缓慢上升阶段。对比3个通水时长，24d的通水时长，使得混凝土坝体最高温度有效降低，抗裂安全系数降低。综合考虑工程成本及工程质量，通水时长最佳为24d。

4.3 混凝土表面保温

高寒地区坝体混凝土表面在越冬时期，常常由于外界温度骤降，造成内外温差大，极易形成裂缝，所以混凝土表面保温很有必要。选用三种保温措施，依次是不保温-1、覆盖一层4cm的聚苯乙烯保温板-2、覆盖一层8cm聚苯乙烯保温板。3种措施下均通一期冷却水，测定其温度变化见图6。

图6 3种不同表面保温措施大坝同一位置温度变化曲线

分析图6，不难看出，不采取保温措施坝体混凝土温度在9月份开始迅速降温。覆盖一层4cm的聚苯乙烯保温板额混凝土温度缓慢下降，而覆盖一层8cm的聚苯乙烯保温板的混凝如温度上升，不利于温度控制。综合考虑工程中各因素，混凝土表面保温措施以采用覆盖一层4cm的聚苯乙烯保温板。

4.4 计算结果分析

综上分析，本施工宜采用是温控措施有：强约束区、弱约束区、自由区混凝土浇筑温度宜为：14℃、17℃、20 ℃。冷却水管铺设间隔为1.2m*1.2m，蛇形铺设，冷却水选取10℃的天然水，通水时长24d。混凝土表面覆盖一层4cm的聚苯乙烯保温板实现表面保温。在上述温控措施下，应用MIDAS/GTS软件计算得到10#坝段的温度场、应力场见图7。

通过图6温度场、应力场分布，均符合工程设计要求，且有效降低了混凝土裂缝安全系数，充分表明温控措施的有效性。