馬世強(qiáng)

（濰坊濰臨水利建筑基礎(chǔ)處理有限公司，山東 濰坊 262600）

0 引言

水工建筑物是水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)的重點(diǎn)，其質(zhì)量直接影響工程項(xiàng)目穩(wěn)定運(yùn)行。其中，水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題則是長期困擾工程建設(shè)的一個關(guān)鍵性問題[1]。尤其是隨著工程建設(shè)需求及建設(shè)水平不斷發(fā)展，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)裂縫問題受到了更廣泛地關(guān)注。在水壩大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，為有效避免混凝土裂縫出現(xiàn)影響大壩結(jié)構(gòu)整體性與安全性，就必須要重視混凝土溫度控制技術(shù)的有效應(yīng)用，從大壩大體積混凝土工程建設(shè)階段加強(qiáng)對混凝土開裂的預(yù)防和控制，從而保證大壩大體積混凝土施工質(zhì)量，維護(hù)水利工程項(xiàng)目運(yùn)行穩(wěn)定與安全[2]。

1 工程概況

某水庫為一座大（二）型水利水電樞紐工程，位于山東省境內(nèi)淮河流域一支流體系，發(fā)揮綜合利用功能，為當(dāng)?shù)胤篮?、灌溉發(fā)揮重要作用。水庫大壩控制流域面積520km3，汛限水位為158.2m，設(shè)計(jì)水位為165.8m，校核洪水位為170.6m，設(shè)計(jì)總庫容為3.05億m3，星歷庫容為1.91億m3。水庫樞紐工程中，主要大體積混凝土工程位置為拉河大壩，其屬于雙支墩肋墩壩，構(gòu)成包括雙支墩共12個，單支墩以及重力壩壩段共包括3個。壩頂長度為302m，壩高最高82.3m，壩頂高程202m，壩頂寬度4m。攔河壩為混凝土大壩，材料采用C30，根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)分類，其屬于大體積混凝土，在實(shí)際施工過程中，混凝土澆筑期間會產(chǎn)生大量的水化熱，并且不容易消散，隨之會出現(xiàn)非常大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致其出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，針對其采取有效的溫控防裂技術(shù)，對工程順利實(shí)施具有重要意義。

該水利樞紐工程根據(jù)地理位置劃分，氣候?yàn)閬啛釒駶櫦撅L(fēng)區(qū)，全年的降雨量較為適中，季節(jié)區(qū)分明顯，春季氣候多變，秋季較短，冬季寒冷且雨雪天氣較少。該地區(qū)歷年平均氣溫在16.2℃左右，夏季歷史最高氣溫為39.7℃，冬季歷史最低氣溫為零下14.5℃。年降水量約為1000mm，集中在6—8月份，平均相對濕度77%，年均無霜期229天，年日照時間約2000h。

2 混凝土溫度控制主要措施

2.1 溫控防裂主要措施

在該工程中，在大體積混凝土澆筑過程中采取的主要溫控防裂措施有以下7點(diǎn)：1）降低混凝土澆筑溫度。在實(shí)際施工前，需要對相關(guān)材料進(jìn)行降溫，使石料預(yù)冷，從而確?；炷翝仓r，在出機(jī)口不會處于高溫的狀態(tài)，從而達(dá)到降溫效果。對大體積砼主要采取3種降溫措施：一是搭建涼棚，對除砂子外的材料進(jìn)行噴水霧降溫，或采用風(fēng)冷措施對骨料進(jìn)行預(yù)冷，同時須注意若采取水冷措施，還需要對骨料進(jìn)行脫水，穩(wěn)定其含水量，拌合過程中可采用深層地下水；二是避免使用剛?cè)霂旄邷厮嘀苯舆M(jìn)行混凝土生產(chǎn)；三是最好選擇在夜間、清晨或陰天等時段進(jìn)行施工[3]。2）運(yùn)輸保溫。在混凝土運(yùn)輸中，在運(yùn)輸罐車外層包括棉帆布保溫，減少運(yùn)輸過程中的低溫季節(jié)溫度損失和高溫季節(jié)溫度倒灌。3）通水冷卻。需要設(shè)置冷卻水管，通常都位于進(jìn)水流道，從而對混凝土進(jìn)行通水冷卻。在實(shí)際應(yīng)用中，水管直徑32mm，厚度2mm的HDPE材料。澆筑層厚度低于2m中間需要布置一層冷卻水管，進(jìn)水口溫度應(yīng)保持在14℃左右，水流速度保持在0.8m/s左右，流量在1.66m3/s左右。4）加強(qiáng)混凝土材料把控。在選擇凝膠材料時，盡可能選擇粗顆粒水泥材料，從而加強(qiáng)大體積混凝土內(nèi)水化熱過渡的穩(wěn)定性，增強(qiáng)其自身強(qiáng)度及抗裂性能。如果水泥水化熱較低，其強(qiáng)度應(yīng)與混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度相匹配，對受河水沖刷或抗凍等級要求較高的部位，則應(yīng)當(dāng)保證水泥設(shè)計(jì)較強(qiáng)較高。水泥的運(yùn)輸與存儲過程需要做好相應(yīng)的防水防潮措施，散裝水泥需要經(jīng)測溫在65℃以下之后再入罐[4]。5）降低混凝土內(nèi)外溫差。根據(jù)“內(nèi)降溫、外保溫”的原則，采用混凝土初期通水冷卻和表面保溫同時進(jìn)行的方式，減少混凝土內(nèi)外部的溫度差值。夏季高溫季節(jié)外保溫保水采用5mm棉氈與2mm塑料薄膜；冬季低溫季節(jié)采用5cm棉氈與2mm塑料薄膜進(jìn)行保溫。6）混凝土養(yǎng)護(hù)。根據(jù)季節(jié)變化采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，在夏季，混凝土澆筑后可以對其表面進(jìn)行灑水施工，達(dá)到養(yǎng)護(hù)的效果。在本次施工中，養(yǎng)護(hù)手段主要是表面流水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間約為一個月，對于重點(diǎn)位置，則需要根據(jù)實(shí)際增加養(yǎng)護(hù)時間。當(dāng)混凝土表面與外界環(huán)境的溫差穩(wěn)定保持在20℃以內(nèi)時停止養(yǎng)護(hù)[5]。7）施工期觀測。采用拓普瑞T3無線自動測溫儀對外界溫度進(jìn)行觀測，每小時測量一次水、外加劑、骨料溫度；每2 h測量一次出機(jī)口溫度、運(yùn)輸中溫度損失、澆筑溫度；澆筑完成部分內(nèi)部溫度通過埋設(shè)在內(nèi)部的溫度探頭測量。要求施工人員及時反饋施工溫度觀測情況，根據(jù)實(shí)際調(diào)整施工方案，落實(shí)施工中溫度的動態(tài)監(jiān)控[6]。

2.2 合理安排砼施工順序及進(jìn)度

在砼施工過程中，對于基礎(chǔ)約束區(qū)，要把控要設(shè)計(jì)規(guī)定時間，并且需要注意上升的均勻性和連續(xù)性，最大限度減少薄層施工時間。對于其他的位置的施工，則盡可能縮短間隔時間，上升同樣需要是均勻的和連續(xù)的。

2.3 加強(qiáng)混凝土原料溫控

要嚴(yán)格控制水泥入罐溫度，高于65℃不得入?罐，待冷卻達(dá)到溫度控制要求后再入罐；加強(qiáng)砂子含水率控制，不能高于5%且其控制其波動幅度；成品料倉堆料高度應(yīng)在6m之下，料倉應(yīng)為三面封閉棚；加強(qiáng)對砂子外材料噴水降溫，并制定脫水措施，確保骨料含水量合理；盡量優(yōu)化儲存條件，降低外界環(huán)境溫度變化對骨料溫度的影響。

2.4 控制混凝土出機(jī)口溫度

控制混凝土出機(jī)口溫度需要注意以下幾點(diǎn)：一是做好成本堆料、骨料的防曬和防雨工作；二是在夏季高溫天氣，進(jìn)行骨料預(yù)冷處理，利用地下水拌合混凝土，降低出機(jī)口溫度；在冬季低溫天氣，若符合混凝土澆筑溫度要求，則可進(jìn)行自然拌合；三是系統(tǒng)骨料罐在進(jìn)行拌合時盡可能滿罐，從而保證預(yù)冷效果；四是計(jì)算確定自然拌合下混凝土出機(jī)口溫度，根據(jù)工地氣象情況，按照當(dāng)?shù)氐脑缕骄鶜鉁卮_定骨料溫度、水溫，根據(jù)季節(jié)差異，確定水泥、粉煤灰溫度，進(jìn)入攪拌機(jī)溫度要控制在15℃～30℃。根據(jù)公式（1）計(jì)算得出：

式中：T0為混凝土出機(jī)口溫度，℃；CS、CG、CC、CW為砂、石、水泥、水的比熱，kcal/kg·℃，取值分別為0.22kcal/kg·℃、0.22kcal/kg·℃、0.2kcal/kg·℃、1.0kcal/kg·℃；qs、qG為砂、石含水量，%，取值分別為5%、2%；WS、WG、WC、WW為每立方米混凝土砂、石、水泥、水重量，kg；TS、TG、TC、TW為砂、石、水泥、水的溫度，℃。

根據(jù)公式（1）分別計(jì)算夏季高溫6月、7月份及冬季低溫11月、12月份混凝土出機(jī)口溫度，具體如表1所示。

表1 夏季高溫月份與冬季低溫月份混凝土出機(jī)口溫度表

3 混凝土入倉溫度及澆筑溫度

3.1 混凝土入倉溫度

θ1、θ2、θ3、θn為系數(shù)。

該工程中，系數(shù)包括θ1、θ2，取值如下：θ1為拌合下料到攪拌罐再到儲料斗兩次轉(zhuǎn)運(yùn)，為0.064；θ2=At，A為運(yùn)輸車混凝土容積為10m3取0.002；t取運(yùn)輸時間平均值15min，則θ2=0.03。

根據(jù)公式（2），該工程混凝土入倉溫度如公式（3）所示。

根據(jù)公式（3）計(jì)算夏季、冬季不同月份的混凝土入倉溫度如表2所示。

表2 不同月份混凝土入倉溫度表

3.2 混凝土澆筑溫度

混凝土澆筑溫度為混凝土入倉后，經(jīng)過混凝土振搗的溫度，夏季高溫時期混凝土澆筑溫度不應(yīng)當(dāng)高于35℃，冬季低溫時期不可低于5℃?？刂苹炷翝仓囟?，需要避免在高溫時段開倉，減少混凝土熱交換，入倉后需要立即進(jìn)行振搗，完成后采取覆蓋保溫措施，最大限度地減少混凝土暴露時間。

混凝土澆筑溫度如公式（4）所示。

式中：TP為混凝土澆筑溫度，℃；t為振搗至上層砼覆蓋前所用的時間，取值120min；其他符號意義同公式（3）相同。

根據(jù)公式（4）計(jì)算得出不同月份混凝土澆筑溫度如表3所示。

表3 不同月份混凝土澆筑溫度表

4 混凝土絕熱溫升與通水冷卻控制

4.1 混凝土水化熱絕熱溫升

混凝土絕熱溫升如公式（5）所示。

其中：

式中：Tt為混凝土t時絕熱溫升，℃；T0為混凝土最終絕熱溫升，℃；W為混凝土水泥用量，該工程取317kg/m3；F為粉煤灰摻量，該工程取72kg/m3；k為摻合料的折減系數(shù)，粉煤灰取值為 0.25～0.30；ρ為混凝土容重，該工程取2400kg/m3；C為混凝土比熱，該工程取0.96kJ/kg·K；Q0為水泥水化熱總量，該工程取 375 kJ/kg。m為系數(shù)，根據(jù)澆筑溫度不同選擇，澆筑溫度為5℃～30℃，取值范圍為0.295～0.406。

根據(jù)公式（5）、公式（6）計(jì)算，當(dāng)t=∞時，大壩大體積混凝土施工中Tt最大值為61.45℃。

4.2 通水冷卻溫度控制措施

為有效解決混凝土絕熱溫升造成的內(nèi)部溫度過高的問題，控制砼施工最高溫度，同時降低混凝土內(nèi)外溫差，改善施工期溫度分布情況，該工程采取了通水冷卻措施進(jìn)行溫控，具體分為初期、中期、后期3個冷卻階段，施工流程如圖2所示。

圖2 通水冷卻施工流程圖

4.2.1 施工準(zhǔn)備階段

施工準(zhǔn)備階段如下。一是要對冷卻水管施工倉面布置設(shè)計(jì)，并按照設(shè)計(jì)完成水管布置和配套接頭施工準(zhǔn)備；二是在混凝土澆筑中，隨著澆筑高程的提升設(shè)置平臺，以便于對通水流量及溫度進(jìn)行檢查；同時確保冷卻水管及時接通；三是儲備充足，在混凝土澆筑前進(jìn)行冷卻水管檢查，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及規(guī)范進(jìn)行布設(shè)；四是定期檢查進(jìn)水機(jī)組運(yùn)行，確保其滿足水管輸出水量和出水壓力要求；五是在混凝土澆筑前，要檢查冷卻水管是否存在堵塞、滲漏等問題，同時避免在澆筑過程中發(fā)生損傷、折斷，確保水管通水正常；六是加強(qiáng)施工人員培訓(xùn)，確保冷卻水管布置、運(yùn)行等相關(guān)人員具備相應(yīng)資質(zhì)，培訓(xùn)合格上崗。

4.2.2 初期通水冷卻階段

這一階段主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對澆筑的混凝土初期水泥水化熱溫升，從而有效控制其內(nèi)外部的溫差，以及降低中期通水冷卻之間的溫度，從而達(dá)到提高混凝土的溫度應(yīng)力的目標(biāo)。具體措施如下：第一，在混凝土澆筑前，檢查冷卻水管，確保其通暢性。檢查標(biāo)準(zhǔn)為0.2MPa下，水管流量大于0.9m3/h。第二，在初期通水過程中，水流方向要24h進(jìn)行一次變換，通水冷卻時間不應(yīng)小于15d，該工程持續(xù)通水冷卻25d，日降溫速率保持在1.0℃/d以下。第三，夏季高溫施工中，混凝土最高溫出現(xiàn)前需要加大冷卻通水流量，一般在1.5m3/h～1.8m3/h。第四，初期通水冷卻20d后，進(jìn)行現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果，規(guī)劃后期通水冷卻，直到其結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。通水冷卻施工中，首次完成后，需要對混凝土進(jìn)行悶水測溫，來監(jiān)測其冷卻效果，確保其能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2.3 中期、后期通水冷卻階段

這一階段施工，主要是為了不讓前期的通水冷卻工作失效，同時縮短混凝土冷卻時間加快接縫灌漿時間。中期冷卻和后期冷卻的日降溫速率保持在0.5℃/d左右，持續(xù)時間均在30d以上，通水流量在0.8m3/h～1.2m3/h。

三期通水冷卻過程中，現(xiàn)場管理人員需要對不同氣溫、澆注溫度、水管間距等條件下的澆筑塊溫度進(jìn)行試驗(yàn)并實(shí)施全過程檢測，加強(qiáng)對時間、溫度曲線的校核，總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，為后期砼施工溫度控制提供指導(dǎo)。

5 施工效果

該工程施工中，對大壩大體積混凝土溫度控制施工效果進(jìn)行了監(jiān)測，通過在大壩河床、陡坡、廊道等部位布置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)檢測，得出結(jié)論如下：大壩大體積混凝土在澆筑后溫度上升較快，通過通水冷卻后，混凝土溫度逐步下降，直至與環(huán)境溫度接近后保持穩(wěn)定；在混凝土澆筑40 h～45 h，混凝土內(nèi)部溫度最高，出現(xiàn)在遠(yuǎn)離冷卻水管進(jìn)出口一段；通過24h調(diào)換一次初期通水冷卻水管流向，對遠(yuǎn)端部位的降溫效果差異并不顯著；混凝土澆筑完成后，內(nèi)部溫度不超過65℃，初凝后混凝土內(nèi)外最大溫差不超過20℃，滿足大體積混凝土溫度控制要求。

6 結(jié)語

大壩大體積混凝土施工的主要施工難點(diǎn)在于混凝土?xí)l(fā)生水化熱反應(yīng)而其集中釋放大量的熱量，導(dǎo)致其內(nèi)部的溫度快速上升，與外部溫度產(chǎn)生較大的溫差，最終造成結(jié)構(gòu)開裂，嚴(yán)重降低施工質(zhì)量，影響大壩整體的安全和穩(wěn)定。所以，在該類型的工程施工中，采取科學(xué)合理的溫控措施是非常必要的，是控制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的關(guān)鍵點(diǎn)。在本次施工中，控制混凝土原料溫度，計(jì)算出機(jī)口、入倉、澆筑溫度，根據(jù)混凝土絕熱溫升合理設(shè)置通水冷卻方案及溫控設(shè)計(jì)，從而取得良好的溫度控制效果，大體積混凝土澆筑完畢后內(nèi)部溫度小于65℃，內(nèi)外溫差小于20℃，滿足大體積混凝土溫度控制要求，使溫控施工順利完成，從而為后期其他水利大體積混凝土溫控施工提供可靠參考。