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        碾盤山水利樞紐泄水閘混凝土工程溫度控制分析

        2023-01-06 06:04:20李新源
        關(guān)鍵詞:泄水閘溫控混凝土

        李新源

        (湖北大禹建設(shè)股份有限公司第二工程公司碾盤山水利水電樞紐泄水閘工程項目,湖北省武漢市武昌區(qū)民主路260號 430060)

        1 基本資料

        1.1 項目概況

        碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游,距丹江口壩址261km,距雅口航運樞紐58km,距鐘祥市區(qū)10km,距興隆水利水電樞紐117km,是漢江中下游規(guī)劃開發(fā)梯級中的倒數(shù)第二級。該水利水電樞紐以航運、發(fā)電為主,并兼顧供水、灌溉功能,且為引江濟漢工程運行創(chuàng)造良性條件[1]。

        碾盤山水利水電樞紐軸線總長度1200m,建筑物自右至左依次布置船閘、連接混凝土重力壩(含魚道)、電站廠房、泄水閘、左岸連接土石壩段。布置形式為一線式。

        碾盤山水利水電樞紐工程泄水閘閘室建筑物級別為1級建筑物,主要建筑物和工程的合理使用年限均為100年,次要建筑物合理使用年限50年。泄水閘混凝土閘墩、底板環(huán)境類別分別為三類、二類。

        泄水閘壩段布置在河床中部,其左側(cè)為土壩,右側(cè)為發(fā)電廠房,壩段總長457.2m,包括泄水閘及左岸翼墻。泄水閘共24孔,采用2孔一聯(lián),閘孔凈寬13m,順?biāo)鞣较蜷L45m,兩聯(lián)總寬35.6m,其中閘墩厚3.2m,底板厚3.2m,水閘最大高度29.68m。泄水閘垂直河流總長427.2m,兩孔一聯(lián)閘底板面積1602m2。

        1.2 水文氣象

        長江中下游最大支流漢江,干流全長1577km,流域集水面積約15.9萬km2,于武漢市龍王廟匯入長江。下距皇莊水文站8.13km,集水面積14.03萬km2。漢江流域?qū)贃|亞副熱帶季風(fēng)氣候,受西太平洋副熱帶高壓影響夏季高溫多雨,受歐亞大陸冷高壓影響冬季寒冷,具有明顯季節(jié)性氣候特征[2]。

        根據(jù)碾盤山壩址附近鐘祥氣象臺1951~2016年觀測資料統(tǒng)計,多年平均氣溫為16.3℃,月平均最高氣溫發(fā)生在7月,為27.9℃;1月平均最低氣溫3.39℃,1961年6月22日發(fā)生極端最高氣溫為39.7℃,1977年1月30日發(fā)生極端最低氣溫為-15.3℃。

        查閱1950年~2016年共67年水文統(tǒng)計資料,顯示湖北碾盤山水利水電樞紐所在壩址多年平均降水量為950mm,其中,2012年降水量為歷年最小值,537mm,1980年降水量為歷年最大值,1471mm。5~8月春夏兩季,壩址處降水較集中,其降水量占年降水的58.3%。

        碾盤山水利水電樞紐流域四季洪水具有季節(jié)性特點,洪水時空與暴雨時空基本一致,暴雨主要產(chǎn)生洪水災(zāi)害。漢江流城多年平均降水量為700mm~1000mm,5~10月降水占全年的70~80%,7~9月占年降水量的40~60%,漢江流域暴雨多發(fā)生于7~9月,個別年份暴雨推遲于10月上旬;4~6月份暴雨較少。日降水量大于100mm以上的大暴雨多發(fā)生于7~9月份[3]。

        2 混凝土溫度計算

        2.1 計算數(shù)據(jù)

        碾盤山水利樞紐工程泄水閘閘室底板、閘墩及左岸空箱擋土墻,采用C30三級配常態(tài)混凝土,每立方米原材料用量為:水泥205kg、水105kg、砂523kg、卵石1487kg、外加劑6.9kg、粉煤灰51kg。參照《水利水電工程施工手冊》計算[4]。

        2.2 最大絕熱溫升

        最大絕熱溫升計算公式為

        Th=(mc+K·F)Q/c·ρ

        (1)

        式中,Th為混凝土最大絕熱溫升,℃;mc為混凝土中水泥(包括外加劑)用量,kg/m3,取值211.9;F為混凝土活性摻和料用量,kg/m3,取值51;K為摻和料折減系數(shù)。粉煤灰取0.25~0.30,Ⅱ級粉煤灰取0.30;Q為水泥28d水化熱,kJ/kg,取值42.5,普通硅酸鹽375kJ/kg;c為混凝土比熱,kJ/(kg·K),取值0.963;ρ為混凝土密度,計算得2378kg/m3。

        Th計算結(jié)果為37.2℃,即泄水閘混凝土最大絕熱溫升為37.2℃。[5]

        2.3 混凝土中心溫度

        混凝土中心溫度計算公式為

        TZ(t)=Tj+Th·ε(t)

        (2)

        式中,TZ(t)為t齡期混凝土中心溫度,℃;Tj為混凝土澆筑溫度,℃,本工程6月~8月氣溫最高,按經(jīng)過溫控措施后設(shè)計允許最大澆筑溫度考慮,取26℃;Th為混凝土最大絕熱溫升,℃,取37.2℃;ε(t)為t齡期降溫系數(shù),閘室底板澆筑層厚為1.5m,取值0.49;閘墩澆筑層厚為3.0m,取值0.68。

        閘室底板混凝土澆筑溫度計算結(jié)果為44.2℃。

        閘墩混凝土澆筑溫度計算結(jié)果為51.3℃。

        計算結(jié)果顯示,混凝土入模澆筑溫度在26℃左右,施工過程中閘室底板混凝土內(nèi)部最高溫度44.2℃左右,大于底板設(shè)計允許最高溫度35.0℃;閘墩混凝土內(nèi)部最高溫度51.3℃,大于閘墩設(shè)計允許最高溫度44.0℃,需采取倉內(nèi)埋設(shè)冷卻水管溫控措施。

        2.4 混凝土表面溫度

        混凝土表面以下50~100mm處溫度計算公式為

        TB(t)=Tq+4h'(H-h')[TZ(t)-Tq]/H2

        (3)

        式中,TB(t)為混凝土表面溫度,℃;Tq為施工期大氣平均溫度,℃,按多年平均16.3℃;h'為混凝土虛厚度,m,h'=k·λ/β=2/3×2.33/1.41≈1.1;H為混凝土計算厚度,m,H=h+2h'=1.5+2×1.1=3.7;h為混凝土實際厚度,m。

        則閘室底板混凝土表面溫度計算結(jié)果為39.6℃。

        混凝土中心溫度和表面溫度差為4.6℃,小于20℃,滿足設(shè)計內(nèi)外溫差控制不超過20℃的要求。

        大體積混凝土采用保溫覆蓋措施,下層鋪設(shè)密封塑料薄膜、上層鋪設(shè)雙層保溫麻袋并澆水養(yǎng)護。根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù),采用增加覆蓋物層數(shù)方法來動態(tài)降低內(nèi)外溫差超過20℃的趨勢,保證內(nèi)外溫差滿足設(shè)計要求[5]。

        2.5 混凝土表層保溫材料厚度

        保溫材料厚度采用公式為

        δ=0.5h·λx·Kb(T2-Tq)/[λ(Tmax-T2)]

        (4)

        式中,δ為保溫材料的厚度,m;h為混凝土厚度,m;λx為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),采用麻袋,λx=0.09W/m·K;Kb為傳熱系數(shù)修正值,考慮大風(fēng)情況,保溫材料上下各鋪設(shè)一層不透風(fēng)材料,取1.4;T2為混凝土表面溫度(表面下50~100mm處)(34.9℃);Tq為大氣平均最高溫度,℃,施工期為夏季,取Tq=30.5℃;λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),取λ=2.33W/m·K;Tmax為計算混凝土最高溫度,Tmax=44.2℃。

        計算為40mm。

        3 混凝土測溫及監(jiān)控

        泄水閘大體積混凝土澆筑和養(yǎng)護時,需對混凝土表面溫度和內(nèi)部中心溫度進行監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)控制措施保證混凝土澆筑溫度要求[6]。當(dāng)混凝土內(nèi)、外溫度差值超過20℃時,應(yīng)緊急增加覆蓋一層土工布,控制內(nèi)外溫差,增加制冷水循環(huán)。在泄水閘混凝土內(nèi)部溫度峰值來臨前期每2h測一次溫度;泄水閘混凝土內(nèi)部溫度峰值來臨后,每4h測一次溫度,后期6~8h測一次溫度,并同時量測記錄氣溫,所有測溫點編號,表面溫度和內(nèi)部不同深度測量,測溫數(shù)據(jù)記錄,交技術(shù)負(fù)責(zé)人簽字[7]。

        施工期對混凝土溫度控制過程進行監(jiān)測,確保溫度監(jiān)測原始記錄完整有效,泄水閘混凝土溫度監(jiān)測包括:原材料溫度、混凝土出機口溫度,入倉溫度、澆筑溫度、混凝土內(nèi)部溫度、外界氣溫、澆筑倉編號、冷卻水管進出口水溫、水壓、流量等主要內(nèi)容,混凝土內(nèi)外溫差不大于20℃為重點控制項,并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取措施動態(tài)調(diào)整。

        3.1 原材料溫度監(jiān)測

        水泥、摻合料、骨料,水和外加劑等原材料的溫度應(yīng)至少每4h測量一次。

        3.2 混凝土溫度監(jiān)測

        (1)出機口溫度:出機口混凝土溫度要求每4h測量一次數(shù)據(jù),并記錄混凝土溫度值。

        (2)入倉溫度:混凝土入倉后平倉前,測量深5~10cm處的入倉溫度,入倉溫度每4h測量一次,并記錄混凝土溫度數(shù)據(jù)。

        (3)澆筑溫度:混凝土經(jīng)平倉、振搗或碾壓后、覆蓋上層混凝土前,測量本層混凝土面以下5~10cm處的澆筑溫度[8]。

        (4)內(nèi)部混凝土溫度:泄水閘混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測采用后埋式溫度計監(jiān)測的方法,即在剛振搗完成的倉面上開槽埋設(shè),開槽深度約25cm,回填混凝土為原配合比混凝土并搗實,每2~3個澆筑層布置1個測溫點。溫度計埋設(shè)工作與混凝土施工之間進行配合與協(xié)調(diào)。溫度計埋設(shè)后每隔4h觀測1次,直至混凝土達到最高溫度以后每天觀測1次,直至單孔泄水閘澆筑完成后1個月,之后每月觀測1~2次。

        3.3 通水冷卻監(jiān)測

        (1)每倉混凝土中選擇1根-3根冷卻水管進行進出口水溫、流量、壓力的測量,并記錄各期通水開始時間、結(jié)束時間。水溫、流量、壓力宜每6~12h測量一次。

        (2)初期通水冷卻結(jié)束時,宜采用水管悶水測溫方法監(jiān)測混凝土溫度,悶水時間采用5~7d,并記錄悶水開始日期、結(jié)束日期及測溫結(jié)果。

        3.4 澆筑倉氣溫及保溫層溫度監(jiān)測

        (1)混凝土施工過程中,測量倉內(nèi)中心點附近距離混凝土表面高度1.5m處的氣溫,并同時測量倉外氣溫。

        (2)混凝土表面保溫期間,在混凝土最高溫度出現(xiàn)前每8h觀測1次,最高溫度出現(xiàn)至28d每24h觀測1次,28d至保溫材料拆除前每周觀測1次。氣溫驟降期間,應(yīng)增加溫度測量次數(shù)。

        4 分析及對策

        4.1 高溫時段溫控

        壩址區(qū)年平均氣溫高,高溫持續(xù)時間長,其中4月-10月月平均氣溫達到22.4℃,月平均最高氣溫發(fā)生在7月,為27.9℃,極端最高氣溫為39.7℃,對應(yīng)時段的混凝土控溫難度大。通水冷卻分三期進行,同一時段通水高差大,相應(yīng)地施工、運行、管理復(fù)雜,難度大。

        措施:全面統(tǒng)籌安排各項工程施工,配備足夠的混凝土施工設(shè)備及資源,合理安排混凝土施工進度及澆筑時段,盡量做到閘墩混凝土短間歇均勻上升,同時避開高溫時段開澆溫控要求嚴(yán)的部位。高溫時段澆筑混凝土,采取混凝土運輸機具外加保溫板及防曬棚,避免混凝土自卸車與布料機在太陽下暴曬,加快混凝土入倉及覆蓋速度,加強倉面噴霧降溫,及時覆蓋倉面保溫被等,以最大限度地降低混凝土澆筑溫度。混凝土內(nèi)部埋設(shè)溫度計,動態(tài)監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度過程,確保溫控數(shù)據(jù)真實可靠,并及時調(diào)整溫控措施與通水工況,確保兩期通水冷卻過程符合要求。采用移動式冷水站供制冷卻水,配置足量冷水站制冷容量,冷水站采用開式循環(huán),與閘室就近布置,加強冷水站及冷卻供水管網(wǎng)的管理,減小混凝土施工與混凝土冷卻之間的干擾,保證冷水站安全、可靠、及時地向混凝土體提供保質(zhì)、保量的制冷水。

        4.2 混凝土防裂溫控

        泄水閘混凝土施工多工序交叉,結(jié)構(gòu)繁雜,對混凝土溫控防裂工作影響大。

        措施:建立健全施工管理體系和溫度控制管理體系,成立混凝土溫控小組,負(fù)責(zé)混凝土溫控措施的實施及特殊情況處理。實行混凝土溫度控制及主要溫控指標(biāo)預(yù)警預(yù)控制度,嚴(yán)格倉面工藝設(shè)計和施工管理。[9]

        對有特殊溫控要求的部位,寬槽或其它結(jié)構(gòu)部位,除合理安排施工時段外,還需采取一些有針對性的特殊溫控措施,加密冷卻水管間距、采取個性化通水、加強倉面噴霧、表面流水養(yǎng)護,確?;炷翜囟葷M足設(shè)計要求。

        4.3 混凝土內(nèi)外溫控

        主體結(jié)構(gòu)混凝土水化熱大,溫升快,內(nèi)部溫度高,冬季施工時,環(huán)境溫度較低,同時壩址河床平坦開闊,氣溫驟降頻繁,混凝土內(nèi)外溫差控制難度大。

        措施:每年10月下旬至11月上旬,對應(yīng)當(dāng)年4月~10月澆筑的混凝土進行中期和后期通水冷卻。冬季來臨前,將孔洞、寬槽等易形成透風(fēng)通道的縫口進行封閉。冬季新澆混凝土加強表面保溫防護,收倉后水平面及時覆蓋2cm厚聚氨脂保溫被,保溫時間不小于5天;上下游面、側(cè)面覆蓋4cm厚聚苯乙烯保溫卷材,防止新澆混凝土內(nèi)外溫差超標(biāo)。

        4.4 混凝土防裂溫控

        二期混凝土長間歇層面受外界影響時間長,受力條件差,混凝土內(nèi)易產(chǎn)生裂縫。

        措施:對受力條件差的部位,加強混凝土表面保溫、保濕、通水冷卻等常規(guī)溫控措施,并對邊坡采取處理措施。邊坡上設(shè)置邊坡系統(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)加強型噴射混凝土支護和排水設(shè)施。邊坡系統(tǒng)錨桿,直徑φ25mm,長6.0m,間距2.5m×2.5m;坡頂系統(tǒng)錨桿,直徑φ28mm,長9.0m,間距2.5m×2.5m。坡面采用12cm厚的鋼筋網(wǎng)加強型噴射混凝土進行保護,排水孔應(yīng)按次序排列,每個排水孔長6.0m,直徑φ56mm,間距3.0m×3.0m。邊坡上設(shè)置排水溝、截水溝、排水孔。

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