宋 偉

（臨汾市水利機械工程局，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

臣南河水庫位于浮山縣城北5 km 處的丞相河村東南河上，是一座以調(diào)蓄浮山供水工程和流域內(nèi)地表水，為農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水的?。ㄒ唬┬退畮?，水庫總庫容538.56 萬m3。進水塔基礎混凝土設計高程為685.8 m～688.5 m，厚2.7 m，混凝土標號為C25F200W4，混凝土土方量約為1 070 m3。進水塔基礎分上下兩部分：下部為尺寸22 m×18 m×1.7 m（長×寬×高）的矩形體形狀；上部為長22 m，寬18.5 m～13.5 m，高1 m，由大斷面漸變?yōu)樾嗝娴臐u變體。依據(jù)混凝土澆筑計劃，進水塔基礎澆筑時間安排在5 月，臣南河水庫的夏季最高氣溫為37℃，最低氣溫為13℃，平均氣溫20℃。

2 混凝土裂縫及成因

在一些氣溫變化劇烈的地區(qū)，混凝土結構體的表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生溫度裂縫。大體積混凝土在澆筑完成后，開始進行水化反應，在硬化后的3～7 d 內(nèi)反應最為劇烈，溫升也最為顯著，這樣就會使大量的水化熱集中在混凝土內(nèi)部，不能及時散出；但是混凝土內(nèi)外散熱的速率不同，導致混凝土內(nèi)部和外部的溫差受氣溫的影響會越來越大，混凝土外表產(chǎn)生拉應力，從而產(chǎn)生裂縫。

3 預埋冷卻水管降溫措施

3.1 預埋循環(huán)水管道降溫原理

進水塔基礎大體積混凝土施工的過程中，架設鋼筋網(wǎng)架時分層鋪設冷卻管道，待混凝土凝固之后，開始在管路內(nèi)部通水，進行循環(huán)降溫，在混凝土內(nèi)部埋設的管路具有一定的熱量傳遞性能，將混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導至管路內(nèi)部循環(huán)水中，在內(nèi)部升溫水循環(huán)一次后進行排放或者進入蓄水池，重新抽取地下水或蓄水池內(nèi)部低溫水進入管路內(nèi)部循環(huán)。通過對大體積混凝土產(chǎn)生的熱量進行理論計算，預估控制溫升需要達到的具體參數(shù)，計算溫升數(shù)據(jù)及降溫速度鋪設循環(huán)水管道的鋪設方式及管徑。

3.2 溫升數(shù)據(jù)計算

3.2.1 混凝土最大絕熱溫升

在計算大體積絕熱溫升時，以混凝土結構物處于絕對真空狀態(tài)下，不會向周圍傳輸任何熱量或損失任何熱量，在混凝土內(nèi)部，水泥水化產(chǎn)生的全部熱量都會保存在結構內(nèi)部，其理想狀態(tài)下最后絕熱溫升采用如下計算公式：

T′max=mcQ/Cρ

式中：T′max——混凝與最大水化熱溫升值，即最終溫升值；

mc——單位立方米混凝土中水泥的使用量，根據(jù)試驗室提供的配合比取341 kg/m3；

Q——水泥水化熱總量，經(jīng)過項目部試驗室對P.O 42.5 水泥進行溫升試驗，項目所使用水泥在第7 d 的發(fā)熱量達到354 KJ/kg；

C——混凝土比熱，取0.96；

ρ——混凝土的質(zhì)量密度，取2 400（kg/m3）；

根據(jù)相關資料和在之前項目測量混凝土溫升數(shù)據(jù)可得，混凝土凝結硬化絕熱升溫在澆筑完成后3～7 d 內(nèi)最為劇烈，Q 值取354 KJ/kg，則：

T′max=341×354/（0.96×2 400）=52.39℃

根據(jù)大氣及材料溫度確定混凝土在入倉時溫度為21℃，則結構物內(nèi)部溫度按下式進行計算：Tmax=T0+T′max=21+52.39=73.39℃

表1 進水塔混凝土配合比 單位：kg

3.2.2 內(nèi)外溫差最大值

混凝土的內(nèi)外溫差最大值采用下式進行計算：

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）

其中：Tb（t）為混凝土在齡期t 時的表面溫度，根據(jù)施工組織設計，在項目進度橫道圖顯示混凝土施工期為5 月，在該月份大氣平均氣溫在20℃，通過保溫保濕的表層養(yǎng)護，可以將混凝土的表層溫度控制在20℃。

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）=73.39-20=53.39℃

3.3 循環(huán)冷卻水管的布設與安置

3.3.1 管道冷卻效率驗算

經(jīng)過對結構體進行熱量計算和分析，確定泵體采用ISG 40-200 型水泵，水泵的流量為50 m3/h，揚程為50 m，循環(huán)管路布置安排如下，在墊層上0.485 m（686.262 m）處，18 根21 m 長Φ48 薄壁主管；在墊層上1.35 m（687.132 m）處，18 根21 m 長Φ48 薄壁主管；在墊層上2.22 m（687.132 m）處，15 根21 m 長Φ48 主管。

經(jīng)過上述計算過程可知，管道內(nèi)部循環(huán)水在水泵泵水的作用下，管道內(nèi)部所有水經(jīng)過單次循環(huán)的時間為：

T=（3.14×0.048×0.048/4）×（18×21+18×21+15×21）/50×3 600=139 s

3.3.2 管路單次循環(huán)所需水容量

該施工部位高度為2.7 m，根據(jù)上述三層管道布置方式，對水管內(nèi)水容量進行如下計算：

23 m 管道中水的體積：

Q=（πr）=3.14×0.020 52×23=0.030 4 m3

23 m 管道中水的質(zhì)量：

M1=ρQ=1.0×103×0.030 4=30.4 kg

式中：ρ——水的密度，取1.0×103kg/m3。

3.3.3 管路水單次循環(huán)導熱總量

Q吸=C1M1Δt1

式中：C1——水的比熱容為4.2×103J/kg·℃—水的質(zhì)量，kg；

M1——管道中介質(zhì)質(zhì)量，kg；

Δt1——循環(huán)水溫的變化速度，根據(jù)實測抽取水的溫度為10℃，根據(jù)3.2.1 公式計算混凝土內(nèi)部可以達到73.39℃，根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009 規(guī)定里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25℃。

Q吸=C1M1Δt1=4.2×103×30.4×（73.39-10）=8.09×106J

3.3.4 管路可冷卻混凝土質(zhì)量M2

Φ48 mm 鋼管可以作用的范圍在其直徑范圍內(nèi)480 mm，由此可以計算出可以進行降溫冷卻的體積為：

V=21×3.14×0.482=15.19 m3

M2=ρV

式中：ρ——混凝土密度，取2 400 kg/m3。

根據(jù)上式，M2=2 400×15.19=3.65×104kg。

3.3.5 溫度下降速度計算

絕熱狀態(tài)下理想熱量平衡公式：

Q吸=Q放=C2M2Δt2

式中：C2——混凝土比熱容，取0.96×103J/kg·℃。

Δt2=Q吸/C2M2=8.09×106/（0.96×103×3.65×104）=0.231℃。

根據(jù)以上公式計算所得：管道中水在循環(huán)泵的壓力下，在混凝土體內(nèi)部所有預先埋設管道內(nèi)部中139 s可以進行單次循環(huán)。

根據(jù)熱量公式計算，降溫速率為5.98℃。

根據(jù)上式對溫度降溫速率的計算，要將混凝土里表溫差控制在25℃以內(nèi)時，經(jīng)過8.09 h 可以將溫度降至25℃以內(nèi)。水泥的水化放熱的熱量高峰期在3～7 d，通過上述計算，可以得知混凝土內(nèi)的峰值熱量可以在不超過14 h 內(nèi)將其帶出。

循環(huán)水池內(nèi)循環(huán)水在自然散熱的情況下6 h 內(nèi)將其恢復為10℃，循環(huán)水池內(nèi)水容量則按下式進行計算：（3.14×0.048×0.048/4）×（18×21+18×21+15×21）×6=11.62 m3

3.4 冷卻水管安裝

本次施工降溫使用Φ48 mm 的薄壁鋼管，水管布置方式采用水平分層布置，在進水塔基礎中分三層根據(jù)冷卻范圍不同分層布置，具體要求是：第一層在墊層上0.485 m 處，第二層在第一層上0.87 m 處，第三層在第二層上0.87 m 處；同層間距約為1.0 m，距兩側側面0.48 m。在進水塔基礎2 m 外地下水位處設置供水和回水系統(tǒng)，以及循環(huán)水池，將低溫滲水進入蓄水池，保證24 h 供水不間斷，在內(nèi)部循環(huán)出來的水可以循環(huán)利用。

3.5 澆筑后溫度變化監(jiān)測

大體積混凝土結構在施工過程中要將測溫管埋設在混凝土當中，測溫管在安裝時要保證安裝質(zhì)量，并做好保護措施，防止混凝土在入倉或振搗過程中將測溫管撞擊出現(xiàn)偏離和在振搗中觸碰將其損壞現(xiàn)象，導致測溫管無法正常使用。

混凝土內(nèi)部安裝9 個測溫組，在一組測溫點內(nèi)將溫度感應器按上中下方式進行布置，在上層的測溫點將其安裝在從混凝土表面向下10 cm 的位置，第二根在中間位置，第三根在混凝土下表面上20 cm。在測溫管的外側用防水帶做識別標志，將不同位置的測溫管進行區(qū)分，防止將不同位置的溫度變化數(shù)據(jù)記錄錯誤。

在將測溫管安裝和安置好之后，質(zhì)檢部門工作人員對測量的溫度數(shù)據(jù)要定時進行監(jiān)測記錄，保證數(shù)據(jù)的真實性和有效性，監(jiān)控數(shù)據(jù)實時回傳，防止有個溫度感應器損壞不能及時傳輸回數(shù)據(jù)。在進行降溫的過程中，如果現(xiàn)場溫度監(jiān)測人員根據(jù)對比內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩者之間的溫差超過25℃，要向項目質(zhì)檢部門負責人和項目總工及時匯報，對出現(xiàn)超過規(guī)范要求的情況分析原因，并及時處理，將循環(huán)水的速度和水的溫度及時調(diào)整，防止出現(xiàn)溫度應力裂縫。

3.6 管道內(nèi)部壓漿

在冷卻系統(tǒng)建設完成后，先進行三周通水冷卻，在混凝土發(fā)熱量最大的3～15 d 強化冷卻，帶走混凝土內(nèi)部大量熱量后，保證內(nèi)部平均溫度降至40℃即可減緩通水循環(huán)速度，如果因上部施工需求，可以停止通水，對內(nèi)部管路進行灌漿封堵。

根據(jù)灌漿實施方案，綜合考慮水泥的品種和經(jīng)濟因素，使用侯馬中條水泥廠生產(chǎn)的425 級普硅水泥，灌漿的水灰比為0.5∶1，使用的漿液為純水泥漿液，漿液制備采用GZL600L 高速制漿機，壓漿機型號SHZ-980 W，漿液制備和壓漿的時間不得超過30 min，水泥漿液的抗壓強度要大于進水塔基礎混凝土的強度等級。壓漿采用的施工工藝與壓力波紋管相同，在施工過程中必須要保持注漿的持續(xù)性和連貫性，嚴禁出現(xiàn)注漿中斷狀況，出現(xiàn)漿液凝固堵塞管道現(xiàn)象。

在漿液打壓之前要先將內(nèi)部的存水和雜物清理干凈，將注漿管與基礎內(nèi)部內(nèi)部管路借號，檢查其密封性，確保在注漿時不會發(fā)生跑冒滴漏現(xiàn)象。并在注漿機的進出口各安裝一個壓力閥門，在壓漿的過程中漿液的壓力宜控制到0.5～0.6 MPa 之間。將漿液在管道內(nèi)部當中進行循環(huán)，確保出漿口的濃度達到進漿口的濃度，在達到技術要求時要關閉閥門，保障管道內(nèi)部的壓力，將管道內(nèi)部壓力維持在0.5 MPa，穩(wěn)壓期的時間在3～5 min，壓漿最大壓力不超過0.6 MPa。在施工過程中，要將在運行過程中的運行數(shù)據(jù)和資料記錄清楚，現(xiàn)場技術人員對整個過程要進行技術指導，保證注入漿液的密實度。

4 結語

通過對進水塔基礎大體積混凝土在澆筑完成后采取冷卻水管降溫后的實際溫度曲線數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，混凝土內(nèi)外最大溫差為23.7℃，在澆筑完成后30 d，對混凝土表面進行觀察，對混凝土內(nèi)部進行彈性波勘探，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂縫，符合設計及規(guī)范要求，對混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生進行了有效的控制，保證了工程的安全性和耐久性，并且有效降低了混凝土的綜合養(yǎng)護成本，達到了預期效果。