某碾压混凝土拱坝施工温度控制措施

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1、简述

      1.1 坝体结构简介     此拱坝设计为对数螺旋线型碾压混凝土双曲拱坝，建基面高程198.5m，坝顶高程305.5m，最大设计坝高107m，底厚18.5m，顶厚6m，高厚比0.17。坝体上游部位采用二级配富胶材碾压混凝土防渗，坝体内部采用三级配混凝土。二级配碾压混凝土设计标号为C9020F150W8，三级配碾压混凝土设计标号为C9020F100W6。上下游面及两岸岩坡设50cm宽变态混凝土。从坝底到坝顶二、三级配混凝土分界线距大坝上游面6m～1.5m。 大坝设置3条诱导缝和2条横缝，诱导缝和横缝将坝体从左到右分成6个坝段，其上游弧长依次为22.28m、18m、34m、41.5m、49.33m和31.9m。诱导缝采用预埋双向间隔诱导板成缝，横缝采用预埋双向连续诱导板成缝。诱导缝和横缝内均设置重复灌浆系统。     1.2 水文气象       此流域属亚热带季风气候区，气候温和，多年平均气温16.2℃，月平均气温以7月最高，为27.5℃，以1月最低，为4.6℃，极端最高气温42.1℃，极端最低气温-12.0℃；湿度大，多年平均相对湿度为80%。 表1  坝址多年气温、水温、湿度统计表   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年     月平均气温(℃) 4.6 6.3 10.5 16.4 21.1 24.8 27.5 27.2 22.6 17.4 11.8 6.6 16.2   月平均最高气温(℃) 9 10.5 15.4 21.5 26.2 29.9 32.8 32.6 27.6 22.5 16.5 10.9 21   月平均最低气温(℃) 1.4 2.9 7.1 12.4 17 20.7 23.6 23.4 19.1 14 8.7 3.3 12   月平均极端最高气温(℃) 21.6 26.1 31.8 37.9 39.8 40.5 40.5 42.1 39.4 33.5 29.9 22.9 42   月平均极端最低气温(℃) -12 -6.5 -1.3 0.3 8.7 12.7 17 17.2 10.6 3.4 -1.2 -5.3 -12   月平均河水水温（℃） 7.5 8.6 12.1 16.1 19 21.6 23.2 24.7 21.7 18.1 14.2 9.7 16.4   平均相对湿度(%) 76 77 79 80 80 79 81 80 81 82 81 78 80       2、温度控制分析     2.1设计温控标准     某水利水电勘测设计院于2003年8月下达了《某水利水电枢纽工程碾压混凝土拱坝温度控制设计报告》，报告中规定了大坝碾压混凝土施工期温度控制标准：     1）混凝土浇筑温度除5月份施工的非约束区部位浇筑温度不高于20℃外，其它部位碾压混凝土入仓温度均不高于18℃；     2）坝体碾压混凝土最高温度不超过36℃。     2.2自然状态下混凝土浇筑温度估算分析     2.2.1自然状态下混凝土出机口温度计算     1）混凝土配合比选用 表2  碾压混凝土施工配合比 级配   水泥  水  胶  比 煤灰 掺量  减  水  剂  引  气  剂 每方混凝土材料用量（Kg/m³） 水 水泥 煤灰 砂子 小石 中石 大石 二 P.O42.5 0.48 50％ 0.6％ 15/万 85 88.5 88.5 785 676 679 － 三 P.O42.5 0.48 55％ 0.6％ 15/万 75 70.3 85.9 742 437 585 442 二级配碾压混凝土：C₉₀20W8F150；三级配碾压混凝土：C₉₀20W6F100     2）混凝土原材料计算温度选择     水泥、粉煤灰计算温度按高于相应月月平均气温15℃考虑；骨料计算温度取相应月平均气温；水计算温度取相应月平均河水温度。 表3  2003年气温、水温月平均温度统计表（℃） 项目 1月 2月 3月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11月 12月 气温 4.7 6.3 10.9 14.4 16.3 18.2 21 22.6 18.9 17.8 16.1 11.8 6.5 水温 9.1 8.6 12.1 16.1 16.1 16.1 19 22.3 18.8 18.8 18.8 14.6 10.4     3）自然状态下混凝土出机口温度计算     经计算，自然状态下各月混凝土出机口温度见表，计算结果与2003年已浇混凝土出机口温度基本相符合。 表4  自然状态下混凝土出机口温度（℃） 项  目 1月 2月 3 月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5 月 9 月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11 月 12 月 出机口 温度 7.2 8.9 12.9 15.3 17.1 18.7 23.6 23.4 19.7 18.8 18.4 14.1 9.1     4）2003年～2004年浇筑的混凝土出机口温度、浇筑温度统计 表5  2003～2004年浇筑的混凝土出机口温度、浇筑温度统计表（℃）  项  目 1月 2月 3月 下旬 4月 中下旬 5月 6月 7月 上旬 10月 下旬 11月 12月 出机口温度 8.9 12.2 15.8 19.1 23.5 25.5 27.3 19.7 15.1 10.3 浇筑温度 9.3 12.7 16.9 20.3 － 27.1 29 20.3 15.5 10.7 温度回灌 0.4 0.5 1.1 1.2 － 1.6 1.7 0.6 0.4 0.4     2.2.2自然状态下混凝土浇筑温度     根据以往经验和2003~2004年已浇筑的混凝土出机口温度、浇筑温度统计资料，10月至次年2月混凝土浇筑前的温度回灌按1℃考虑，3月、4月、5月、9月混凝土浇筑前的温度回灌按2℃考虑，初步估算出自然状态下混凝土的浇筑温度。 表6  自然状态下混凝土浇筑温度估算表（℃） 项  目 1 月 2 月 3 月 4月 上旬 4月 中旬 4月 下旬 5 月 9 月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 11 月 12月 出机温度 7.2 8.9 12.9 15.3 17.1 18.7 23.6 23.4 19.7 18.8 18.4 14.1 9.1 浇筑温度 8.2 9.9 13.9 17.3 19.1 20.7 25.6 25.4 21.7 19.8 19.4 15.1 10.1     2.2.3估算混凝土浇筑温度与设计要求浇筑温度比较     根据碾压混凝土浇筑温度估算结果，4月、5月、9月、10月混凝土浇筑温度略高于相应设计要求的混凝土浇筑温度，其它月份估算浇筑温度均低于设计要求的浇筑温度。 表7  估算混凝土浇筑温度与设计要求浇筑温度比较（℃） 项     目 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 出机口温度 17.1 18.7 21.6 23.3 19.6 18.7 17.4 估算浇筑温度 19.1 20.7 23.6 25.3 19.6 18.7 18.4 EL266m以下 设计要求浇筑温度 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 高出设计要求差值 1.1 2.7 5.6 7.3 1.6 0.7 0.4 EL266m以上 设计要求浇筑温度 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤20 ≤18 高出设计要求差值 - 0.7 3.6 5.3 - - 0.4     2.3坝体最高温度分析     由于此大坝坝体较薄，气温变化几乎影响大坝全断面，坝体在施工期受气温影响比较敏感。根据某碾压混凝土施工配合比，经初步计算，并借鉴其它工程的有关资料，坝体混凝土二级配区温升估算值约在16～19℃之间，混凝土二级配区温升值取17℃，计算坝体最高温度估算值见下表。计算结果显示，5月、9月坝体最高温度估算值高于设计要求4～7℃，4月中旬、4月下旬坝体最高温度估算值略高于设计要求，其它月份坝体最高温度估算值均低于设计要求。 表8  坝体最高温度估算值（℃） 项     目 4月 中旬 4月 下旬 5月 9月 10月 上旬 10月 中旬 10月 下旬 估算浇筑温度 19.1 20.7 23.6 25.3 19.6 18.7 18.4 估算坝体最高温度 36.1 37.7 40.6 42.3 36.6 35.7 35.4 设计要求坝体最高温度 36 36 36 36 36 36 36 高出设计要求差值 0.1 1.7 4.6 6.3 0.6 － －
    3、碾压混凝土施工温度控制措施     根据以上温度控制分析，结合某的具体情况，制定经济、可行的温度控制措施。     3.1温度控制基本思路     1）6月、7月、8月高温季节停止碾压混凝土施工；     2）根据施工总进度计划，5月、9月基本不进行碾压混凝土施工；     3）4月中下旬、10月上旬次高温季节浇筑的碾压混凝土，预埋冷却水管通河水进行一期冷却，控制坝体最高温度不高于设计规定的坝体最高温度值；     4）其它低温季节混凝土浇筑温度和坝体最高温度均能满足设计要求。     3.2温度控制措施     1）优化混凝土配合比，降低水化热温升     经我局中心试验室混凝土施工配合比设计和优化，在满足设计各项技术指标的前提下，尽可能减少水泥用量。     2）降低混凝土原材料入机温度     a.水泥、粉煤灰提前组织进场，降低出厂温度；     b.砂子已经搭了避雨、遮阳棚，高温季节对粗骨料采取可行的遮阳措施；     c.增加骨料堆高，堆料高度不低于6m；     d.砂子和粗骨料均采取地弄取料，降低骨料入机温度；     e.对入机前的皮带机增加遮阳棚。     3）加强施工组织，降低混凝土温度回灌     a.加强施工组织，尽可能缩短混凝土出机到碾压的时间；     b.对混凝土储存和运输设备采取必要的遮阳措施；     c.实施仓内喷雾，营造仓内小气候。     4）坝体内预埋冷却水管，通河水进行一期冷却，降低坝体混凝土最高温度     坝体全断面预埋HPED塑料冷却水管，水管间距1.5m，层高间距1.5m。预埋48h后通河水进行一期冷却。     4、温控措施实施效果     4.1混凝土浇筑温度统计     2003年10月16日开始碾压混凝土施工，截止2004年3月底对混凝土浇筑温度实测值统计见下表。统计结果显示，10月份混凝土浇筑温度高于设计要求2℃，其他各月均能满足设计要求。 表9  混凝土浇筑温度实测值统计（℃） 月份 10月 11月 12月 1月 2月 3月 实测入仓温度 20 15.5 10.8 8.9 12.8 14.4 设计要求入仓温度 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 ≤18 高出设计要求差值 2 － － － － －     4.2坝体最高温度值统计     通过对208.5m和215m高程实测坝体温度统计（见图1）， 2003年11月6日坝内二级配区温度达到最大峰值36.6℃，高于设计要求0.6℃，其它统计值均低于设计要求。     5、一期冷却效果分析     2003年10月26日在208.5m高程埋设了4支温度计，TSI和TS3埋设在三级配区，TS2和TS4埋设在二级配区。TS1和TS2埋设在大坝对称中心轴上，TS3和TS4埋设在距大坝对称中心轴左半拱18m位置。TSI距大坝上游面9m，距大坝下游面7.9m；TS2距大坝上游面3m，距大坝下游面13.9m；TS3距大坝上游面9m，距大坝下游面9.1m；TS4距大坝上游面3m，距大坝下游面15.1m，见图2。     2003年10月26日日平均气温实测值为17.3℃，混凝土入仓温度实测值为18.5℃，混凝土浇筑温度实测值为20℃。2003年11月17日TS3温度计所测温度值达到峰值，Tmax＝31.7℃，龄期22d；2003年11月17日TS1温度计所测温度值达到峰值，Tmax＝32.5℃，龄期22d。     TS1和TS3距大坝上下游面均大于7m，且208.5m在206.4～211.8m升程中，如果不考虑一期冷却，TS1和TS3温度计所测的水化热温升值可近似认为绝热温升值。 表10  每立方米混凝土各种组分百分比 成分 水 （kg/m³） 水泥 （kg/m³） 粉煤灰（kg/m³） 砂 （kg/m³） 石子 （kg/m³） 总计 （kg/m³） 重量 75 70.3 85.9 785 1419 2435 百分比 3.08 2.89 3.53 32.24 58.26 100   图1     本工程所用水泥为荆门P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥水化热7d实测值为292.1KJ/kg。     根据经验公式计算在龄期为22d时的水泥累积水化热： 式中：Q(τ)――龄期为22d时的水泥累积水化热            Q₀――τ→∞时的水泥最终水化热，取350 kJ/kg    a、b为常数，其中a取0.69，b取0.56 经计算：Q(22)＝342.9 kJ/kg     按混凝土配合比中各组分材料的重量百分比加权法计算温度为32℃时混凝土的比热，其中：温度为32℃时，水的比热取4.187 kJ/kg?℃；水泥的比热取0.536 kJ/kg?℃；灰岩骨料的比热取0.758 kJ/kg?℃；粉煤灰的比热取0.754 kJ/kg?℃。     c＝1.05（3.08×4.187＋2.89×0.536＋3.53×0.754＋90.5×0.758）/100＝0.857 kJ/kg?℃ 根据经验公式计算龄期22d时的混凝土绝热温升： 式中：Q(τ)――龄期22d时水泥水化热       W――水泥用量       F――粉煤灰用量       C――混凝土比热       ρ――混凝土密度       k――折减系数，取k＝0.25 经计算：θ(22)＝15.1℃     龄期22d时坝内最高温度计算值为： Tˊmax＝θ(22)＋20＝35.1℃     本工程采取通河水一期冷却，降低坝体最高温度峰值，龄期22d时实测坝体最高温度峰值平均值为Tmax＝32.1℃，因此，一期冷却削减温度峰值约为： ?T＝Tˊmax－Tmax＝3℃     6、结语     1）实践证明此碾压混凝土施工所采取的混凝土温控措施是可行的；     2）冷却水管埋设部位可根据不同的气温情况选择高温和次高温季节埋设，建议低温季节可不埋设冷却水管；     3）通河水一期冷却可以降低坝体温度3～5℃。

 

     

 

          图2