姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風(fēng)口水庫(kù)管理處，遼寧 綏中 125200)

0 引 言

猴山水庫(kù)一期工程位于遼寧省綏中縣狗河中游，控制流域377km2。水庫(kù)最大庫(kù)容為0.8×108m3，主要作用為綏中縣東戴河新區(qū)供水，同時(shí)兼有防洪及農(nóng)業(yè)灌溉。水庫(kù)擋水建筑物型式為常態(tài)混凝土重力壩，最大壩高40.4m，由右岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、門(mén)庫(kù)壩段及左岸擋水壩段組成。壩頂全長(zhǎng)281m，建基面最低高程86.6m，混凝土總量為18.4萬(wàn)m3。工程所在地區(qū)最冷月平均氣溫為-7.7℃，為寒冷地區(qū)，多年平均氣溫僅為9.5℃，氣溫年內(nèi)變幅大，晝夜溫差也較大。因大壩的溫度應(yīng)力問(wèn)題比較突出，有必要開(kāi)展防裂控制技術(shù)及溫控方案的深入研究，提出合理的溫控標(biāo)準(zhǔn)和有效的溫控防裂措施。

1 常態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化混凝土配比原則

混凝土凝固過(guò)程中因水泥水化作用釋放大量熱量，從而導(dǎo)致其內(nèi)部溫度快速增大，所以控制水泥摻量為有效降低溫升的關(guān)鍵所在。控制混凝土的溫升首先進(jìn)行配合比的優(yōu)化，其優(yōu)化原則為：

1)選用水化熱較低的中熱水泥(基礎(chǔ)及閘墩堰體混凝土采用P.MH42.5中熱水泥)。

2)滿足抗壓、抗?jié)B、抗凍設(shè)計(jì)指標(biāo)前提下，盡量減少水泥摻量，摻加適當(dāng)比例粉煤灰，盡量降低混凝土的水化熱溫升。

3)有條件部位采用四級(jí)配混凝土(基礎(chǔ)及內(nèi)部混凝土采用四級(jí)配，最大骨料粒徑為120mm)，以減少水泥用量，有效降低混凝土的水化熱溫升。

4)優(yōu)選復(fù)合高效型外加劑(選用LSYT引氣減水劑)，降低混凝土單位水泥用量，以減少混凝土水化熱溫升。

1.2 試驗(yàn)原材料

水泥：Ⅱ區(qū)混凝土P.O42.5普通水泥和P.MH42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥，其他分區(qū)選用P.O42.5級(jí)普通水泥；粉煤灰：通過(guò)供貨廠家調(diào)查，采用Ⅰ級(jí)或Ⅱ級(jí)灰。粉煤灰摻量通過(guò)試驗(yàn)確定；骨料：采用綏中縣中游范家鄉(xiāng)趙家店甸村區(qū)的狗河的天然粗細(xì)骨料；外加劑：要求所選用的外加劑具有減水、引氣、緩凝、抗裂和能增加混凝土澆筑塊長(zhǎng)度等功能。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，大壩混凝土共有5個(gè)分區(qū)，如圖1所示，其中Ⅱ區(qū)混凝土，即擋水壩和溢流壩壩體基礎(chǔ)混凝土?？紤]其施工部位比較關(guān)鍵，為減少甚至避免由于溫度應(yīng)力造成混凝土產(chǎn)生裂縫，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素，分別選用兩種水泥(普通硅酸鹽水泥、大壩中熱硅酸鹽水泥)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)考慮為減少溫度應(yīng)力造成裂縫的概率，還要做摻與不摻膨脹劑的對(duì)比試驗(yàn)，其膨脹劑的作用主要為補(bǔ)償收縮。其他分區(qū)的混凝土配合比均采用普通硅酸鹽水泥，不摻加膨脹劑進(jìn)行配合比試驗(yàn)。大壩混凝土配合比設(shè)計(jì)如表1，性能指標(biāo)值如表2所示。

圖1 擋水壩段分區(qū)

表1 大壩混凝土推薦配合比

表2 性能指標(biāo)值

1.4 優(yōu)選外加劑試驗(yàn)研究

優(yōu)選復(fù)合高效型外加劑(LSYT引氣減水劑)，降低混凝土單位水泥用量，從而延緩水化熱散發(fā)速率及減少水化熱溫升，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂性。選用不同型號(hào)的外加劑，相同其他材料，分別在兩家甲級(jí)資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室,做相同配合比設(shè)計(jì)，在相同外界環(huán)境下，以壩體基礎(chǔ)混凝土(C9020F100W6)及內(nèi)部混凝土(C9015F50W2)為例，外加劑試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化混凝土配合比對(duì)比表 kg

結(jié)果顯示，優(yōu)化的新配合比，水泥用量較小、相對(duì)水化熱絕熱溫升小，能夠更好的控制混凝土內(nèi)部溫度，因此該配合比為最佳配比。

2 絕熱溫升試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

混凝土絕熱溫升值及其歷時(shí)函數(shù)關(guān)系是進(jìn)行壩體溫控設(shè)計(jì)的參數(shù)，該參數(shù)是通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)來(lái)確定的。模擬混凝土處在絕熱條件下，測(cè)定由于水化熱使得內(nèi)部溫度隨齡期增長(zhǎng)而上升的規(guī)律，推斷最終絕熱溫升并建立絕熱溫升與歷史關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

本研究測(cè)定水庫(kù)大壩混凝土推薦配合比中，分別采用渤海牌P.O42.5及渾河牌PM.H42.5兩種水泥及摻與不摻膨脹劑的混凝土的絕熱溫升值。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

由于混凝土的水化過(guò)程持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，最終溫升值很難由試驗(yàn)直接測(cè)出，但根據(jù)水泥水化反應(yīng)的規(guī)律，測(cè)定短齡期的絕熱溫升，建立數(shù)學(xué)模型(擬合曲線方程式)可推定混凝土最終溫升及反應(yīng)混凝土絕熱溫升隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，并為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1)數(shù)學(xué)模型。任何時(shí)段方程式計(jì)算的溫升與實(shí)測(cè)溫升相差最小，為建立數(shù)學(xué)模型T=f(t)的條件，其中T為絕熱溫升(℃)、t歷時(shí)(d)。同時(shí)，方程式T=f(t)還應(yīng)滿足使用條件：①初始條件t=0時(shí)，T=f(0)=0；②最終條件t=∞時(shí)，T=f(∞)為定值T0；③T=f(t)在(0，∞)區(qū)間單調(diào)增加；④dT/dt=g(t)，在d(0，∞)區(qū)間單調(diào)降低。

根據(jù)以上使用條件，初步建立雙曲線、指數(shù)Ⅱ型模型為：

(1)

T=T0[1-exp(-atb)]

(2)

式中：T0為混凝土最終絕熱溫升；M1、M2、a、b為試驗(yàn)常數(shù)，與混凝土發(fā)熱速率有關(guān)。

2)絕熱溫升——?dú)v時(shí)表達(dá)式。采用最小二乘法擬合方程，實(shí)測(cè)28d的混凝土絕熱溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，求得最終溫升和兩種數(shù)學(xué)模型的擬合方程式，并用擬合的兩種方程式計(jì)算絕熱溫升。其中，擬合方程式的精度由剩余標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)，即剩余標(biāo)準(zhǔn)差最小和相關(guān)系數(shù)最大為最優(yōu)擬合，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S和相差系數(shù)α計(jì)算方法如下：

(3)

(4)

2.3 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果擬合方程式見(jiàn)表4，擬合歷時(shí)過(guò)程線見(jiàn)圖2。

表4 絕熱溫升-歷時(shí)擬合方程

(a)HS-7

從表4和圖2可知，混凝土編號(hào)hs7、hs13、hs16中雙曲線型表達(dá)式剩余標(biāo)準(zhǔn)差最小，相關(guān)系數(shù)最大，故采用雙曲線表達(dá)式；混凝土編號(hào)hs10中指數(shù)Ⅱ表達(dá)式剩余標(biāo)準(zhǔn)差最小，相關(guān)系數(shù)最大，故采用指數(shù)Ⅱ表達(dá)式。因此，混凝土編號(hào)hs7、hs13、hs16絕熱溫升隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律推薦選用雙曲線型表達(dá)式，混凝土編號(hào)hs-10絕熱溫升推薦選用指數(shù)Ⅱ型表達(dá)式，最終各配合比絕熱溫升歷時(shí)表達(dá)式見(jiàn)表5。

表5 絕熱溫升-歷時(shí)表達(dá)式

依據(jù)對(duì)壩體進(jìn)行的絕熱溫升分析結(jié)果，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫控標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)壩體溫控標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 溫控標(biāo)準(zhǔn)

1)上下層溫差是指老混凝土面(混凝土齡期超過(guò)28d)上下各1/4塊長(zhǎng)范圍內(nèi)，上層新澆混凝土的最高平均溫度與開(kāi)始澆筑混凝土?xí)r下層老混凝土的平均溫度之差，壩體混凝土上下層溫差≤16℃。

2)相鄰壩段高差.混凝土施工中，各分塊應(yīng)均勻上升，相鄰分塊高差≤10-12m。

3)澆筑層高及間歇時(shí)間。為有利于混凝土澆筑塊散熱，基礎(chǔ)混凝土約束部位澆筑層高為1.5m，上下層澆筑間歇時(shí)間為6-10d。

3 混凝土重力壩綜合防裂體系

為滿足混凝土壩的溫度控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到防止混凝土產(chǎn)生裂縫的目的，需要采取一系列防裂措施。包括原材料的選擇、配合比的優(yōu)化、降低混凝土出機(jī)口及入倉(cāng)的溫度、倉(cāng)面的降溫、混凝土的表面保溫防護(hù)、合理分縫分塊等結(jié)構(gòu)措施、合理按排施工進(jìn)度和施工季節(jié)以及加強(qiáng)混凝土質(zhì)量提高其抗裂能力等綜合的防裂措施[1-3]。

通過(guò)研究構(gòu)建了包括原材料選擇、施工進(jìn)度安排、壩面保溫、內(nèi)外降溫及壩體預(yù)留縫結(jié)構(gòu)措施的混凝土重力壩綜合溫控防裂體系。

3.1 原材料選擇防裂措施

綜合考慮水泥品種對(duì)基礎(chǔ)約束區(qū)溫度應(yīng)力的作用以及投資造價(jià)因素，在確?；A(chǔ)約束區(qū)混凝土抗裂安全前提下，優(yōu)選水泥品種，充分利用當(dāng)?shù)厮嗖牧?，?jié)省投資。在大壩基礎(chǔ)約束區(qū)及閘墩堰體部位用中熱硅酸鹽水泥，其他部位采用普通水泥。優(yōu)化大體積混凝土配合比，適當(dāng)增加骨料粒徑和級(jí)配，調(diào)整比例外摻粉煤灰，降低混凝土的絕熱溫升。優(yōu)選復(fù)合高效型外加劑(選用LSYT引氣減水劑)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂能力。外摻pp纖維提高混凝土抗拉能力，提高混凝土早期抗拉強(qiáng)度，防止混凝土早期裂縫[4-7]。

3.2 合理安排施工進(jìn)度防裂措施

安排低溫季節(jié)澆筑基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提出的要求控制相鄰塊、相鄰壩段的高差。施工中嚴(yán)格控制澆筑層厚和層間間歇期，短間歇均勻上升，避免出現(xiàn)薄層長(zhǎng)間歇。高溫季節(jié)利用夜間澆筑，澆筑時(shí)間盡量安排在早、晚或夜間[8]。

3.3 壩面保溫防裂措施

施工期間每個(gè)冬季入冬前，所有大壩混凝土外露面均應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格越冬保溫。壩體上游面經(jīng)常性水位以上部分采用GRC復(fù)合擠塑板實(shí)現(xiàn)上游壩面長(zhǎng)期保溫，厚度采用10cm，經(jīng)常性水位以下部分采用擠塑板保溫，厚度采用10cm，均采用錨栓固定于混凝土表面。溢流壩閘墩和堰面部位采用10cm厚巖棉被保溫，保溫材料至竣工后拆除。越冬壩體側(cè)立面采用10cm厚擠塑板保溫，待澆筑相鄰塊混凝土將其拆除。其他部位采用10cm厚擠塑板保溫，保溫材料至竣工后拆除。

在非冬季施工期間，尤其是春秋季節(jié)，混凝土停歇7天仍未全面覆蓋表層混凝土?xí)r，為防止混凝土受寒潮和晝夜溫差的沖擊上鋪防水氈布苫布。在氣溫驟降及低溫季節(jié)時(shí)，對(duì)底孔、廊道、輸水管、豎井等孔洞進(jìn)出口處封堵或遮蔽[9]。

3.4 內(nèi)外降溫防裂措施

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，確定壩體允許澆筑和允許最高溫度防控標(biāo)準(zhǔn)，并采取以下降溫措施滿足相關(guān)要求。

1)混凝土出倉(cāng)溫度控制。高溫季節(jié)采取骨料堆高、晚間進(jìn)料，骨料、送料皮帶機(jī)、上料斗及外加劑料堆搭棚遮陽(yáng)、料堆頂部冷水噴淋、水泥粉煤灰提前進(jìn)料、蓄水池保溫并遮陽(yáng)防曬，每次拌和上料控制不超過(guò)15min，采用冷水拌和、加冰冷水拌和及加冰拌和等措施降低混凝土出倉(cāng)溫度。

2)混凝土澆筑溫度控制。對(duì)混凝土運(yùn)輸車(chē)輛隔熱、遮陽(yáng)、沖洗降溫，對(duì)吊罐隔熱、遮陽(yáng)，從而降低運(yùn)輸時(shí)的溫升和澆筑穩(wěn)定。

3)設(shè)備及人員配備調(diào)度。增加機(jī)械設(shè)備，加強(qiáng)人員管理，加快入倉(cāng)速度。

4)后期降溫。預(yù)埋φ32mm 壁厚2mmHDPE冷卻水管，采用河水及深井水通水降溫，已澆混凝土表面進(jìn)行流水養(yǎng)護(hù)。

3.5 壩體結(jié)構(gòu)防裂措施

大壩上、下游側(cè)越冬層面設(shè)置水平預(yù)留短縫，配合以預(yù)留縫的壩內(nèi)端設(shè)置水平止水和限裂鋼筋，防止越冬面附近水平裂縫。在壩段長(zhǎng)分別為20m和18m的導(dǎo)流底孔壩段及門(mén)庫(kù)壩段上游側(cè)預(yù)留豎向短縫。在溢流壩反弧段設(shè)置鉛直永久縱縫，防止溢流壩堰面反弧部位縱向裂縫。溢流壩內(nèi)部混凝土臺(tái)階做成圓弧狀，進(jìn)一步減小內(nèi)部混凝土臺(tái)階尖角引起的堰面應(yīng)力集中。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究構(gòu)建了混凝土重力壩綜合溫控防裂體系，即采取原材料選擇、施工進(jìn)度安排、壩面保溫、內(nèi)外降溫及壩體結(jié)構(gòu)等綜合的混凝土防裂措施，達(dá)到了防止混凝土大壩重要裂縫的產(chǎn)生，大幅度減少次要裂縫數(shù)量的目標(biāo)。

由于擋水壩段下游面外觀要求、溢流壩閘墩和堰面泄洪要求，運(yùn)行期無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期或永久性保溫防護(hù)。理論分析與工程實(shí)踐證明，大壩混凝土在施工期是裂縫高發(fā)期，在運(yùn)行期，在環(huán)境溫度作用下，裂縫數(shù)量仍然不斷增加。在周期性外界溫度作用下，因混凝土的疲勞效應(yīng)，仍然存在開(kāi)裂的可能，大壩運(yùn)行期永久性防護(hù)措施仍需要進(jìn)一步深入研究。