敖躍飛，趙 寧，肖鵬舉

(1. 江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，江西 南昌 330009；2. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

混凝土施工期溫度裂縫產生的主要原因在于內外溫差、溫降速率以及結構約束作用[1]。防止溫度裂縫產生的辦法是多方面的[1-4]，有保溫措施、通水冷卻、優(yōu)選混凝土配合比、進行結構優(yōu)化等等。對于底板等薄層結構，在冬季低溫季節(jié)澆筑，由于環(huán)境溫度很低，混凝土溫降很快，而又不便于在內部埋設水管通水冷卻以降低混凝土內部最高溫度，因此保溫就成為防止溫降過快的重要溫控手段之一[3]。本文以大垸泵站進水流道底板為例，基于有限元分析原理，對底板混凝土溫度場和溫度應力場進行模擬計算，對比分析低溫季節(jié)不同保溫措施對底板溫控的影響，探討合理可行的保溫措施。

1 工程基本情況

大垸泵站安裝6臺混流式水泵機組，主廠房平面尺寸56.84 m×34.5 m(長×寬)。水泵轉輪中心高程16.00 m，低駝峰出水管道中心高程23.75 m。主機間從上至下共有5層，最上層為電機層，高程為32.40 m，第二層為風道層，高程29.45 m，第三層為聯(lián)軸層，高程為26.25 m，第四層為水泵層，高程為14.90 m；第五層為流道層，底板厚1.5 m；進口底板高程11.9～10.5 m，下游側底板高程10.8 m，作為泵房檢修集水之用。

主泵房地基上部為粘性土層，下部為粉細砂、中粗砂及砂卵(礫)石。建基面下的持力層為中高壓縮性土層，地基土層在上部荷載作用下，容易產生壓縮變形，因土層的分布變化大，易出現(xiàn)不均勻沉降等問題，采用鉆孔灌柱樁，樁徑為120 cm，主機間底板共布置165根，樁長27.1 m。

泵站地處江漢平原南部，漢江下游南岸，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫16.5℃，極端最低氣溫-14.2℃，極端最高氣溫39.3℃，一般1月最冷，7月最熱。泵站所在地當地多年月平均氣溫見表1。

表1 多年月平均氣溫 ℃

大垸泵站共有六個流道，在實際施工中，分為左中右三聯(lián)進行澆筑，每兩個流道為一聯(lián)。底板層及進水流道層澆筑分層示意圖如圖1所示，擬定的澆筑進度如表2所示。

圖1 大垸泵站主泵房流道部分澆筑分層示意圖

表2 大垸泵站主泵房流道部分澆筑計劃表

2 模型及計算參數

本文選擇1號、2號機組(左聯(lián))進行分析，地基沿泵房向外橫向取3.5 m，縱向取3.5 m，流道混凝土和地基主要采用空間八結點等參單元，對稱面施加對稱荷載，灌注樁為圓柱形，矩形布置。底板模型及邊墩部位特征點位置參見圖2及圖3。

計劃于一月份澆筑。由于底板各部分結構尺寸差異很大，外界氣溫很低，根據經驗，對于圖2、圖3中的B-B及C-C斷面所在部位是溫控防裂的重點。

圖2 底板模型及特征斷面位置示意圖

圖3 邊墩部位特征點位置示意圖(單位：m)

泵站混凝土力學參數見表3。

表3 混凝土力學參數

大垸泵站混凝土的熱學參數如表4所示。

表4 大垸泵站流道混凝土熱學參數

冷卻水管采用PE管，管內徑25 mm，壁厚3 mm，導熱系數為1.656 kJ/(m2·h·℃)。

相關規(guī)范未明確泵站混凝土溫度應力最小抗裂安全系數的取值問題，參考混凝土重力壩設計規(guī)范(SL319-2018附錄E)規(guī)定[5]，對大壩可根據工程的重要性及開裂的危害性在1.5～1.8之間取值，考慮到泵站底板的重要性及本泵站屬Ⅱ等工程，允許抗裂安全系數取小值1.5。

為分析比較和突出重點，選擇如圖2和圖3 所示的3個斷面(A-A，B-B，C-C)，其中A-A斷面主要用來比較。每個斷面選擇邊墩部位離澆筑層表面不同高度的3個點(每個點離邊墩側面0.6 m)，A斷面3個點離表面的距離分別為0.57、1.12 m和1.64 m，B、C斷面3個點離表面的距離均分別為0.18、0.35 m和0.53 m。

3 不同保溫措施的混凝土溫度與溫度應力分析

施工計劃擬定于1月9日澆筑。由于底板最薄處厚度0.8 m(見圖3)，不便于布置水管，經參考類似工程經驗[3]和多方案比較，確定澆筑溫度17℃。由于元月份環(huán)境溫度很低，想辦法提高環(huán)境溫度與表面保溫就成為了優(yōu)先考慮的方案。擬定的保溫措施(方案)有：①前10 d搭保溫棚人工加熱，之后養(yǎng)護毯保溫；②單層保溫被保溫；③前10 d搭保溫棚，之后單層保溫被保溫；④前5 d搭保溫棚，之后單層保溫被保溫。養(yǎng)護毯保溫表面放熱系數20 kJ/(m2·h·℃)，單層保溫被保溫表面放熱系數7.2 kJ/(m2·h·℃)。根據文獻[3]，搭設保溫棚人工升溫環(huán)境溫度可以提高5℃～8℃，本文按照提高5℃考慮。

上述4種保溫措施情況下，特征點最高溫度與最小抗裂安全系數統(tǒng)計見表5，其中，A-A斷面與C-C斷面在單層保溫被情況下已經滿足了抗裂要求，因此在保溫措施③～④情況下，只列出了B-B斷面特征點的統(tǒng)計值。

表5 特征點最高溫度與最小抗裂安全系數統(tǒng)計表

3.1 不同保溫措施對底板溫度的影響分析

由于底板各部分厚度差異較大，各部分的最高溫度差異也比較大。在前十天搭保溫棚，之后養(yǎng)護毯保溫情況下，A-A斷面(厚度1.5 m)最高溫度最高，表面點達35.82℃(1.5 d，出現(xiàn)時間，下同)，中間點達37.57℃(2.0 d)，而B-B斷面(厚度0.8 m)最高溫度表面點29.51℃(1.0 d)，中間點31.44℃(1.0 d)，C-C斷面(厚度0.8 m)最高溫度表面點29.42℃(1.0 d)，中間點31.58℃(1.0d)。A-A、B-B和C-C斷面表面點與中間點的溫差分別為1.75℃、1.93℃和2.16℃。

當采用單層保溫被后，A-A斷面最高溫度表面點38.95℃(2.0 d)，中間點39.79℃(2.0 d)，而B-B

斷面最高溫度表面點32.81℃(1.5 d)，中間點33.36℃(1.5 d)，與方案①比較，其最高溫度分別提高了3.13℃(A-A表面點)、2.22℃(A-A中間點)、3.30℃(B-B表面點)、1.92℃(B-B中間點)。A-A、B-B和C-C斷面表面點與中間點的溫差分別減小為0.84℃，0.55℃和0.75℃，最高溫度出現(xiàn)的時間推遲，因此由于溫差導致的相互約束必然減小。說明保溫被保溫具有明顯的作用。

限于篇幅，這里僅列出B-B斷面在方案①與方案②、方案③和方案④的早期溫度變化過程線，參見圖4～圖6。從圖4可以看出，在方案①情況下，當停止保溫棚保溫措施后，特別是B-B斷面表面點及中間點，溫降速率明顯加大。而在采用保溫被保溫的情況下，B-B斷面各點雖然最高溫度增高了，但是溫降速率要小很多。

圖6 方案①與方案④早期溫度變化過程線

而在方案③和方案④的情況下，由于前期搭設保溫棚保溫，其最高溫度出現(xiàn)的時間與最高溫度值與方案①的相同，不受影響。但是從圖5和圖6可以明顯看出，采取保溫被保溫后，混凝土的最低溫度明顯提高，最低溫度從方案①的9.69℃(18.5 d)提高到方案③的11.77℃(22.5 d)和方案④的11.76℃(22 d)。因此，前期搭設保溫棚+后期保溫被保溫方案，混凝土最高溫度低于直接采用保溫被保溫方案的值，同時后期最低溫度值也提高了，其出現(xiàn)時間推遲，因此，該方案具有控制最大溫差，從而控制混凝土溫降速率的雙重作用。

3.2 不同保溫措施對底板溫度應力的影響分析

分析表5，溫控防裂的重點在B-B斷面的表面點，上述各方案情況下B-B斷面表面點溫度應力過程線見圖7。

圖7 B-B斷面表面點溫度應力過程線

下面結合表5及圖4～圖7，對各種情況下的溫度應力及其抗裂安全系數進行分析。

3.2.1 前10 d搭保溫棚+養(yǎng)護毯保溫

在方案①情況下，B-B斷面的表面點和中間點混凝土抗裂安全系數僅僅為1.16和1.38，對應的拉應力分別為2.00 MPa和1.70 MPa，分別出現(xiàn)在澆后的20.5 d與21.5 d(也就是元月底)。這是由于養(yǎng)護毯保溫效果比較差，混凝土溫降速率大所導致的。

與B-B斷面對應的C-C斷面表面點和中間點混凝土抗裂安全系數為1.51和1.65，對應的拉應力分別為1.52 MPa和1.41 MPa，分別出現(xiàn)在澆后的19.5 d與20.5 d。分析這兩處差別的原因，就是B-B斷面處于底板厚度1.5 m突變到0.8 m的位置，B-B斷面受到1.5 m厚底板的約束作用更強。因為從溫度變化的過程來看，A-A斷面相對于B-B斷面是溫升膨脹，B-B斷面則是溫降收縮，因而產生的溫度應力大。另外，雖然B-B斷面的最高溫度及其出現(xiàn)時間與C-C斷面的一致，但C-C斷面處于斷面尺寸緩慢變化的部位，其周圍各點的溫升溫降基本同步，因此相互之間約束小，產生的溫度應力當然要小了。

同時，分析比較B-B斷面與A-A斷面，雖然A-A斷面最高溫度遠遠高于B-B斷面最高溫度，但是由于A-A斷面所在部位體積較大，相對來說各個部分的溫降速率要明顯小于B-B斷面溫降速率，因此雖然其最小抗裂安全系數對應的拉應力為1.60 MPa，但出現(xiàn)的時間為澆后23 d(這時候混凝土對應的抗拉強度也提高了)，也明顯要遲于B-B斷面的20.5 d。因此，A-A斷面抗裂能力要顯著的強于B-B斷面抗裂能力。

因此，對于冬季低溫季節(jié)澆筑的很薄的底板，控制溫降速率，也就是保溫對防止早期溫度應力過大就成了最重要的手段，特別是對于結構尺寸差異很大的部位。

3.2.2 單層保溫被保溫

在此情況下，結構很薄部位表面點和中間點抗裂安全系數有較大提高，B-B斷面最小抗裂安全系數從1.16和1.38提高到1.30和1.53，C-C斷面最小抗裂安全系數從1.51和1.65提高到1.71和1.86。而對于厚度為1.5 m的底板部位表面點和中間點抗裂安全系從1.49和1.51提高到1.60和1.68。這充分說明了加強表面保溫(保溫被保溫)對于減小低溫季節(jié)體積單薄的混凝土結構溫降速率，從而控制溫度拉應力具有顯著的作用。同時比較底板不同厚度也可以發(fā)現(xiàn)，表面保溫對于像B-B和C-C這樣的厚度很薄的結構，效果更明顯。

3.2.3 搭設保溫棚+單層保溫被保溫

由于環(huán)境溫度低，單純采用保溫被保溫，混凝土表面點抗裂安全系數仍然不能滿足要求。通過搭設保溫棚再采用保溫被保溫，比直接采用單層保溫被保溫，混凝土抗裂安全系數有明顯的提高(方案③最小值1.45)，最小抗裂安全系數出現(xiàn)的時間推遲。根據文獻[3]，搭設保溫棚可以有效提高環(huán)境溫度5～8℃以上(本文是按照5℃計算的)，前10 d搭設保溫棚+后期單層保溫被保溫的方案是基本滿足溫控防裂要求的。

對于本工程，分析圖5和圖6，前5 d搭設保溫棚+后期保溫被保溫(方案④)，比前10 d搭設保溫棚+后期保溫被保溫，其溫度過程線與最低溫度及其出現(xiàn)時間沒有明顯差異，因此其溫度應力及最小抗裂安全系數也無本質的差異。不同的是前5 d搭設保溫棚方案，在到第10 d時，混凝土的溫度要稍高于前10 d一直搭設保溫棚保溫方案的溫度，也就是說保溫被的保溫效果好于搭設保溫棚的保溫效果，方案④的前期(10 d前)溫降速率小于方案③的溫降速率。但由于方案③和方案④的最低溫度基本一致，也就意味著方案④的后期溫降速率要大于方案③的溫降速率。由于混凝土后期的彈性模量要大于前期的彈性模量，導致方案④的最大拉應力(1.71 MPa，25 d)要稍大于方案③的最大拉應力(1.67 MPa，26 d)，因此方案④的最小抗裂安全系數(1.43)稍小于方案③的最小抗裂安全系數(1.45)。

因此，通過前期搭設保溫棚+后期保溫被保溫具有提高環(huán)境溫度，控制早期溫降速率，防止后期溫降過大，減小溫度拉應力的作用，方案③也成為被推薦的施工保溫措施。

4 結 語

通過對大垸泵站底板混凝土冬季施工不同保溫措施的影響分析，有以下認識和結論：

1)對于冬季施工的泵站進水流道底板，由于其厚度比較薄，且各部位結構尺寸差異較大，必須采取溫控措施，特別是保溫措施，防止出現(xiàn)溫度裂縫。

2)覆蓋保溫被保溫，能有效提高混凝土最低溫度，減小溫降速率，減小溫度拉應力，防止出現(xiàn)早期溫度裂縫。搭設保溫棚(時間不宜少于1周，本工程是10 d)，提高環(huán)境溫度對于底板早期溫控防裂具有重要作用。搭設保溫棚+單層保溫被保溫的保溫措施對冬季施工的泵站進水流道底板混凝土溫控防裂是可供選擇的方案。

3)結構設計上，應盡量避免底板相鄰結構尺寸差異過大。在施工的時間安排上也應盡可能避開氣溫最低的時間。