某碾壓混凝土拱壩施工溫度控制措施

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1、簡(jiǎn)述

      1.1 壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介     此拱壩設(shè)計(jì)為對(duì)數(shù)螺旋線型碾壓混凝土雙曲拱壩，建基面高程198.5m，壩頂高程305.5m，最大設(shè)計(jì)壩高107m，底厚18.5m，頂厚6m，高厚比0.17。壩體上游部位采用二級(jí)配富膠材碾壓混凝土防滲，壩體內(nèi)部采用三級(jí)配混凝土。二級(jí)配碾壓混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C9020F150W8，三級(jí)配碾壓混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C9020F100W6。上下游面及兩岸巖坡設(shè)50cm寬變態(tài)混凝土。從壩底到壩頂二、三級(jí)配混凝土分界線距大壩上游面6m～1.5m。 大壩設(shè)置3條誘導(dǎo)縫和2條橫縫，誘導(dǎo)縫和橫縫將壩體從左到右分成6個(gè)壩段，其上游弧長(zhǎng)依次為22.28m、18m、34m、41.5m、49.33m和31.9m。誘導(dǎo)縫采用預(yù)埋雙向間隔誘導(dǎo)板成縫，橫縫采用預(yù)埋雙向連續(xù)誘導(dǎo)板成縫。誘導(dǎo)縫和橫縫內(nèi)均設(shè)置重復(fù)灌漿系統(tǒng)。     1.2 水文氣象       此流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，多年平均氣溫16.2℃，月平均氣溫以7月最高，為27.5℃，以1月最低，為4.6℃，極端最高氣溫42.1℃，極端最低氣溫-12.0℃；濕度大，多年平均相對(duì)濕度為80%。 表1  壩址多年氣溫、水溫、濕度統(tǒng)計(jì)表   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年     月平均氣溫(℃) 4.6 6.3 10.5 16.4 21.1 24.8 27.5 27.2 22.6 17.4 11.8 6.6 16.2   月平均最高氣溫(℃) 9 10.5 15.4 21.5 26.2 29.9 32.8 32.6 27.6 22.5 16.5 10.9 21   月平均最低氣溫(℃) 1.4 2.9 7.1 12.4 17 20.7 23.6 23.4 19.1 14 8.7 3.3 12   月平均極端最高氣溫(℃) 21.6 26.1 31.8 37.9 39.8 40.5 40.5 42.1 39.4 33.5 29.9 22.9 42   月平均極端最低氣溫(℃) -12 -6.5 -1.3 0.3 8.7 12.7 17 17.2 10.6 3.4 -1.2 -5.3 -12   月平均河水水溫（℃） 7.5 8.6 12.1 16.1 19 21.6 23.2 24.7 21.7 18.1 14.2 9.7 16.4   平均相對(duì)濕度(%) 76 77 79 80 80 79 81 80 81 82 81 78 80       2、溫度控制分析     2.1設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)     某水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院于2003年8月下達(dá)了《某水利水電樞紐工程碾壓混凝土拱壩溫度控制設(shè)計(jì)報(bào)告》，報(bào)告中規(guī)定了大壩碾壓混凝土施工期溫度控制標(biāo)準(zhǔn)：     1）混凝土澆筑溫度除5月份施工的非約束區(qū)部位澆筑溫度不高于20℃外，其它部位碾壓混凝土入倉溫度均不高于18℃；     2）壩體碾壓混凝土最高溫度不超過36℃。     2.2自然狀態(tài)下混凝土澆筑溫度估算分析     2.2.1自然狀態(tài)下混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算     1）混凝土配合比選用 表2  碾壓混凝土施工配合比 級(jí)配   水泥  水  膠  比 煤灰 摻量  減  水  劑  引  氣  劑 每方混凝土材料用量（Kg/m³） 水 水泥 煤灰 砂子 小石 中石 大石 二 P.O42.5 0.48 50％ 0.6％ 15/萬 85 88.5 88.5 785 676 679 － 三 P.O42.5 0.48 55％ 0.6％ 15/萬 75 70.3 85.9 742 437 585 442 二級(jí)配碾壓混凝土：C₉₀20W8F150；三級(jí)配碾壓混凝土：C₉₀20W6F100     2）混凝土原材料計(jì)算溫度選擇     水泥、粉煤灰計(jì)算溫度按高于相應(yīng)月月平均氣溫15℃考慮；骨料計(jì)算溫度取相應(yīng)月平均氣溫；水計(jì)算溫度取相應(yīng)月平均河水溫度。 表3  2003年氣溫、水溫月平均溫度統(tǒng)計(jì)表（℃） 項(xiàng)目 1月 2月 3月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11月 12月 氣溫 4.7 6.3 10.9 14.4 16.3 18.2 21 22.6 18.9 17.8 16.1 11.8 6.5 水溫 9.1 8.6 12.1 16.1 16.1 16.1 19 22.3 18.8 18.8 18.8 14.6 10.4     3）自然狀態(tài)下混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算     經(jīng)計(jì)算，自然狀態(tài)下各月混凝土出機(jī)口溫度見表，計(jì)算結(jié)果與2003年已澆混凝土出機(jī)口溫度基本相符合。 表4  自然狀態(tài)下混凝土出機(jī)口溫度（℃） 項(xiàng)  目 1月 2月 3 月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5 月 9 月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11 月 12 月 出機(jī)口 溫度 7.2 8.9 12.9 15.3 17.1 18.7 23.6 23.4 19.7 18.8 18.4 14.1 9.1     4）2003年～2004年澆筑的混凝土出機(jī)口溫度、澆筑溫度統(tǒng)計(jì) 表5  2003～2004年澆筑的混凝土出機(jī)口溫度、澆筑溫度統(tǒng)計(jì)表（℃）  項(xiàng)  目 1月 2月 3月 下旬 4月 中下旬 5月 6月 7月 上旬 10月 下旬 11月 12月 出機(jī)口溫度 8.9 12.2 15.8 19.1 23.5 25.5 27.3 19.7 15.1 10.3 澆筑溫度 9.3 12.7 16.9 20.3 － 27.1 29 20.3 15.5 10.7 溫度回灌 0.4 0.5 1.1 1.2 － 1.6 1.7 0.6 0.4 0.4     2.2.2自然狀態(tài)下混凝土澆筑溫度     根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和2003~2004年已澆筑的混凝土出機(jī)口溫度、澆筑溫度統(tǒng)計(jì)資料，10月至次年2月混凝土澆筑前的溫度回灌按1℃考慮，3月、4月、5月、9月混凝土澆筑前的溫度回灌按2℃考慮，初步估算出自然狀態(tài)下混凝土的澆筑溫度。 表6  自然狀態(tài)下混凝土澆筑溫度估算表（℃） 項(xiàng)  目 1 月 2 月 3 月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5 月 9 月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11 月 12月 出機(jī)溫度 7.2 8.9 12.9 15.3 17.1 18.7 23.6 23.4 19.7 18.8 18.4 14.1 9.1 澆筑溫度 8.2 9.9 13.9 17.3 19.1 20.7 25.6 25.4 21.7 19.8 19.4 15.1 10.1     2.2.3估算混凝土澆筑溫度與設(shè)計(jì)要求澆筑溫度比較     根據(jù)碾壓混凝土澆筑溫度估算結(jié)果，4月、5月、9月、10月混凝土澆筑溫度略高于相應(yīng)設(shè)計(jì)要求的混凝土澆筑溫度，其它月份估算澆筑溫度均低于設(shè)計(jì)要求的澆筑溫度。 表7  估算混凝土澆筑溫度與設(shè)計(jì)要求澆筑溫度比較（℃） 項(xiàng)     目 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 出機(jī)口溫度 17.1 18.7 21.6 23.3 19.6 18.7 17.4 估算澆筑溫度 19.1 20.7 23.6 25.3 19.6 18.7 18.4 EL266m以下 設(shè)計(jì)要求澆筑溫度 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 高出設(shè)計(jì)要求差值 1.1 2.7 5.6 7.3 1.6 0.7 0.4 EL266m以上 設(shè)計(jì)要求澆筑溫度 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤18 高出設(shè)計(jì)要求差值 - 0.7 3.6 5.3 - - 0.4     2.3壩體最高溫度分析     由于此大壩壩體較薄，氣溫變化幾乎影響大壩全斷面，壩體在施工期受氣溫影響比較敏感。根據(jù)某碾壓混凝土施工配合比，經(jīng)初步計(jì)算，并借鑒其它工程的有關(guān)資料，壩體混凝土二級(jí)配區(qū)溫升估算值約在16～19℃之間，混凝土二級(jí)配區(qū)溫升值取17℃，計(jì)算壩體最高溫度估算值見下表。計(jì)算結(jié)果顯示，5月、9月壩體最高溫度估算值高于設(shè)計(jì)要求4～7℃，4月中旬、4月下旬壩體最高溫度估算值略高于設(shè)計(jì)要求，其它月份壩體最高溫度估算值均低于設(shè)計(jì)要求。 表8  壩體最高溫度估算值（℃） 項(xiàng)     目 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 估算澆筑溫度 19.1 20.7 23.6 25.3 19.6 18.7 18.4 估算壩體最高溫度 36.1 37.7 40.6 42.3 36.6 35.7 35.4 設(shè)計(jì)要求壩體最高溫度 36 36 36 36 36 36 36 高出設(shè)計(jì)要求差值 0.1 1.7 4.6 6.3 0.6 － －
    3、碾壓混凝土施工溫度控制措施     根據(jù)以上溫度控制分析，結(jié)合某的具體情況，制定經(jīng)濟(jì)、可行的溫度控制措施。     3.1溫度控制基本思路     1）6月、7月、8月高溫季節(jié)停止碾壓混凝土施工；     2）根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃，5月、9月基本不進(jìn)行碾壓混凝土施工；     3）4月中下旬、10月上旬次高溫季節(jié)澆筑的碾壓混凝土，預(yù)埋冷卻水管通河水進(jìn)行一期冷卻，控制壩體最高溫度不高于設(shè)計(jì)規(guī)定的壩體最高溫度值；     4）其它低溫季節(jié)混凝土澆筑溫度和壩體最高溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求。     3.2溫度控制措施     1）優(yōu)化混凝土配合比，降低水化熱溫升     經(jīng)我局中心試驗(yàn)室混凝土施工配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在滿足設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡可能減少水泥用量。     2）降低混凝土原材料入機(jī)溫度     a.水泥、粉煤灰提前組織進(jìn)場(chǎng)，降低出廠溫度；     b.砂子已經(jīng)搭了避雨、遮陽棚，高溫季節(jié)對(duì)粗骨料采取可行的遮陽措施；     c.增加骨料堆高，堆料高度不低于6m；     d.砂子和粗骨料均采取地弄取料，降低骨料入機(jī)溫度；     e.對(duì)入機(jī)前的皮帶機(jī)增加遮陽棚。     3）加強(qiáng)施工組織，降低混凝土溫度回灌     a.加強(qiáng)施工組織，盡可能縮短混凝土出機(jī)到碾壓的時(shí)間；     b.對(duì)混凝土儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備采取必要的遮陽措施；     c.實(shí)施倉內(nèi)噴霧，營(yíng)造倉內(nèi)小氣候。     4）壩體內(nèi)預(yù)埋冷卻水管，通河水進(jìn)行一期冷卻，降低壩體混凝土最高溫度     壩體全斷面預(yù)埋HPED塑料冷卻水管，水管間距1.5m，層高間距1.5m。預(yù)埋48h后通河水進(jìn)行一期冷卻。     4、溫控措施實(shí)施效果     4.1混凝土澆筑溫度統(tǒng)計(jì)     2003年10月16日開始碾壓混凝土施工，截止2004年3月底對(duì)混凝土澆筑溫度實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)見下表。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，10月份混凝土澆筑溫度高于設(shè)計(jì)要求2℃，其他各月均能滿足設(shè)計(jì)要求。 表9  混凝土澆筑溫度實(shí)測(cè)值統(tǒng)計(jì)（℃） 月份 10月 11月 12月 1月 2月 3月 實(shí)測(cè)入倉溫度 20 15.5 10.8 8.9 12.8 14.4 設(shè)計(jì)要求入倉溫度 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 高出設(shè)計(jì)要求差值 2 － － － － －     4.2壩體最高溫度值統(tǒng)計(jì)     通過對(duì)208.5m和215m高程實(shí)測(cè)壩體溫度統(tǒng)計(jì)（見圖1）， 2003年11月6日壩內(nèi)二級(jí)配區(qū)溫度達(dá)到最大峰值36.6℃，高于設(shè)計(jì)要求0.6℃，其它統(tǒng)計(jì)值均低于設(shè)計(jì)要求。     5、一期冷卻效果分析     2003年10月26日在208.5m高程埋設(shè)了4支溫度計(jì)，TSI和TS3埋設(shè)在三級(jí)配區(qū)，TS2和TS4埋設(shè)在二級(jí)配區(qū)。TS1和TS2埋設(shè)在大壩對(duì)稱中心軸上，TS3和TS4埋設(shè)在距大壩對(duì)稱中心軸左半拱18m位置。TSI距大壩上游面9m，距大壩下游面7.9m；TS2距大壩上游面3m，距大壩下游面13.9m；TS3距大壩上游面9m，距大壩下游面9.1m；TS4距大壩上游面3m，距大壩下游面15.1m，見圖2。     2003年10月26日日平均氣溫實(shí)測(cè)值為17.3℃，混凝土入倉溫度實(shí)測(cè)值為18.5℃，混凝土澆筑溫度實(shí)測(cè)值為20℃。2003年11月17日TS3溫度計(jì)所測(cè)溫度值達(dá)到峰值，Tmax＝31.7℃，齡期22d；2003年11月17日TS1溫度計(jì)所測(cè)溫度值達(dá)到峰值，Tmax＝32.5℃，齡期22d。     TS1和TS3距大壩上下游面均大于7m，且208.5m在206.4～211.8m升程中，如果不考慮一期冷卻，TS1和TS3溫度計(jì)所測(cè)的水化熱溫升值可近似認(rèn)為絕熱溫升值。 表10  每立方米混凝土各種組分百分比 成分 水 （kg/m³） 水泥 （kg/m³） 粉煤灰（kg/m³） 砂 （kg/m³） 石子 （kg/m³） 總計(jì) （kg/m³） 重量 75 70.3 85.9 785 1419 2435 百分比 3.08 2.89 3.53 32.24 58.26 100   圖1     本工程所用水泥為荊門P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥水化熱7d實(shí)測(cè)值為292.1KJ/kg。     根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算在齡期為22d時(shí)的水泥累積水化熱： 式中：Q(τ)――齡期為22d時(shí)的水泥累積水化熱            Q₀――τ→∞時(shí)的水泥最終水化熱，取350 kJ/kg    a、b為常數(shù)，其中a取0.69，b取0.56 經(jīng)計(jì)算：Q(22)＝342.9 kJ/kg     按混凝土配合比中各組分材料的重量百分比加權(quán)法計(jì)算溫度為32℃時(shí)混凝土的比熱，其中：溫度為32℃時(shí)，水的比熱取4.187 kJ/kg?℃；水泥的比熱取0.536 kJ/kg?℃；灰?guī)r骨料的比熱取0.758 kJ/kg?℃；粉煤灰的比熱取0.754 kJ/kg?℃。     c＝1.05（3.08×4.187＋2.89×0.536＋3.53×0.754＋90.5×0.758）/100＝0.857 kJ/kg?℃ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算齡期22d時(shí)的混凝土絕熱溫升： 式中：Q(τ)――齡期22d時(shí)水泥水化熱       W――水泥用量       F――粉煤灰用量       C――混凝土比熱       ρ――混凝土密度       k――折減系數(shù)，取k＝0.25 經(jīng)計(jì)算：θ(22)＝15.1℃     齡期22d時(shí)壩內(nèi)最高溫度計(jì)算值為： Tˊmax＝θ(22)＋20＝35.1℃     本工程采取通河水一期冷卻，降低壩體最高溫度峰值，齡期22d時(shí)實(shí)測(cè)壩體最高溫度峰值平均值為Tmax＝32.1℃，因此，一期冷卻削減溫度峰值約為： ?T＝Tˊmax－Tmax＝3℃     6、結(jié)語     1）實(shí)踐證明此碾壓混凝土施工所采取的混凝土溫控措施是可行的；     2）冷卻水管埋設(shè)部位可根據(jù)不同的氣溫情況選擇高溫和次高溫季節(jié)埋設(shè)，建議低溫季節(jié)可不埋設(shè)冷卻水管；     3）通河水一期冷卻可以降低壩體溫度3～5℃。

 

     

 

          圖2