2018浅谈牛头山水电站大坝混凝土施工温度控制

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　　摘要 : 牛头山水电站是福建省有史以来建设的第一座混凝土双曲高拱坝，夏季炎热，地质条件复杂，混凝土施工温度控制难度较大，本文就工程实际情况较详细介绍了牛头山水电站大坝混凝土施工温度控制的技术措施、施工控制措施及温控效果。
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　　关键词: 混凝土温度控制
　　1 概述
　　对混凝土双曲拱坝而言，混凝土裂缝与温度控制显得特别重要。温控不力将会因极大的温度应力而产生裂缝。而混凝土裂缝是影响大坝耐久性最主要和最普遍的问题。它对大坝建成蓄水后的运行将造成极大的安全隐患。国内外大量实际证明，各种混凝土坝及其他大体积混凝土建筑物的裂缝，主要是温度变化引起的。混凝土坝的温度裂缝，主要有表面裂缝、贯穿性裂缝和深层裂缝。特别是贯穿性裂缝和深层裂缝，对混凝土坝的整体性、耐久性和防渗能力具有严重危害。
　　 牛头山大坝坝址地处亚热带山地气候，温和湿润，四季分明，雨量充沛，寿宁站（距坝址53km）本流域多年平均降雨量为1806mm，最大年降雨量为2345.6mm，最小降雨量为1048.3mm，全年日照时间为1750.1h，无霜期260天左右，多年平均相对湿度81％，多年平均气温14.9。c，极端最高气温35.8。c，极端最低气温－9.8。c，7月为最热月份，1月为最冷月份。薄拱坝对外界气温和水温的变化比较敏感，坝体内温度变化较大，而且两岸及坝底面受到基岩的约束，导致坝内出现较大的温度应力。因此，为了确保坝体的安全及长期正常运行，势必要求在施工过程中严格控制混凝土温度，防止裂缝的产生。牛头山大坝针对工程施工时间紧，地质条件复杂等特点，制定了严格的浇筑温度控制范围（见表1），在牛头山水电站施工过程中都是严格按温控技术要求进行控制的。
　　表1坝体混凝土各月混凝土浇筑温度
　　
　　
　　
　　2 混凝土温度控制措施
　　2.1降低混凝土水化热温升的技术措施
　　 混凝土温度控制主要是减少混凝土的水泥水化热，一方面是选用最优质的配合比和采用水化热较低的水泥，另一方面是在施工中采取多种措施降低混凝土的水泥水化热温升，从而达到降低混凝土温度，保证坝体的浇筑质量。
　　 在保证混凝土施工质量和抗裂要求的前提下，采取各种措施力求降低水泥用量，不仅是温度控制的重要措施之一，而且能减少水泥用量，降低混凝土成本。
　　2.1.1选用水化热较低的水泥
　　水泥是混凝土的主要成分，同时也是混凝土温度变化的主要因素。大体积混凝土引起温度裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚，使混凝土出现早期升温，后期降温，产生内部与表面的温差。选择合适的水泥可有效的补偿混凝土的温度收缩，在有效的条件下可提高混凝土的抗裂性。经过对几家具有一定生产的规模的水泥厂的调研和对水泥的各项指标的试验检测分析、论证：福建水泥股份有限公司生产的“炼石牌”42.5＃普通硅酸盐水泥的碱含量小于0.6％，且水泥强度高。3d和7d的水化热为显著低于国家标准251KJ/kg和293KJ/kg的限值，各项指标符合国标要求。因此，使用“炼石牌”42.5＃普通硅酸盐水泥有利于削减混凝土的绝对温升。
　　水泥物理力学性能、水化热及化学分析试验结果见表2
　　表2水泥物理力学性能、水化热及化学分析试验结果统计
　　
　　
　　
　　2.1.2掺用粉煤灰
　　 掺入粉煤灰是降低水泥用量的一项重要措施，不但可以节约水泥还可以减少水化热。由于粉煤灰活性物质AL2O3、SiO2与水泥水化分析出CaO作用，形成新的水化产物，填充孔隙、增加密实改善了混凝土的后期强度。降低了混凝土中水泥水化热，减少绝热条件下的温度升高。经过对几家粉煤灰厂的调研和对其的各项指标的试验检测分析、论证：福建邵武火电厂生产的“华英牌”Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰各项指标均达到国家标准GBJ146―90中Ⅰ、Ⅱ级灰的标准，试验表明，可以在混凝土中掺用，掺用量为25％。
　　2.1.3 采用合理的骨料级配
　　在施工条件允许的范围内，使用大骨料级配混凝土，可以减少水泥用量。试验表明，当水胶比相同时，四级配混凝土要比三级配混凝土减少水泥用量20.1％，详见表3。
　　表3同标号不同级配混凝土水泥用量比较
　　
　　
　　
　　说明：1、水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，粗骨料采用人工碎石，细骨料采用人工砂FM＝2.8＋0.2，FM每增减0.2，砂率相应增减1％；
　　2、坍落度每增减1cm，用水量相应增减2kg/m3
　　从表3中可看出，采用较大级配混凝土不但节约水泥，而且有利于温控。
　　2.1.4 采用低流态混凝土
　　在同样水胶比的条件下，坍落度3～5cm、5～7cm和7～9cm的混凝土通过试验比较，坍落度3～5cm的混凝土在保持强度和硬化条件不变的情况下，水泥用量可减少5～10Kg/m3，降低水化热4％左右。因此在本工程中大坝混凝土基本采用3～5cm的坍落度，严格控制使用7～9cm的坍落度。
　　2.2合理控制混凝土浇筑层厚度及间歇时间
　　主体混凝土浇筑方法采用30cm～50cm薄层平铺或台阶法进行浇筑：高温季节（6－8月份），混凝土全部按1.5m分层采用平仓法浇筑，浇筑时间安排在早、晚及夜间进行，并在仓内采取喷雾措施，使仓内气温降低3～4℃。其他季节，对于基础强约束区混凝土按1.5m分层并采取平仓浇筑；对于一般约束区和非基础约束区混凝土按3.0m分层并采取平铺法，廊道、中孔等特殊部位按1.5～2m分层。层间间歇时间一般为5～7d，充分利用混凝土表面散热。
　　2.3高温季节温控措施
　　牛头山水电站每年4～10月份为混凝土温度控制时间段，其中6～8月份为夏季施工期。夏季施工的混凝土温度控制主要内容有：降低混凝土的浇筑温度；对混凝土和骨料进行预冷；采取隔热保冷措施；合理利用施工时段，多浇、快浇混凝土。
　　2.3.1降低混凝土的出机口温度与浇筑温度
　　为了保证高温季节混凝土的出机口温度和浇筑温度符合技术要求，在施工中主要采取了混凝土预冷采用预冷骨料＋冷水拌制混凝土相结合的预冷方式，即：料场骨料堆存放高度要求大于8m，并有不小于4d的贮存时间，地弄出料；对4级配粗骨料进行一次、二次风冷，使粗骨料温度冷却到8－10℃，通过保温廊道送至拌和搂料仓；混凝土拌制过程中加入适量6－8℃冷水拌和。
　　2.3.2 加强混凝土的保温，减少混凝土的温度损失
　　为了减少预冷混凝土的温度损失，防止温度倒灌，在主坝混凝土浇筑中对混凝土运输车采用顶面覆盖遮阳棚，加快混凝土入仓速度，避免混凝土在仓面堆积时间过长，在最短的时间内完成平仓振捣作业。根据实测，采取以上措施，混凝土从出机口至仓面浇筑，温度升高1.5～2℃，基本满足浇筑温度要求。
　　2.3.3 合理安排浇筑时间
　　 牛头山大坝工程从施工组织上充分重视混凝土温度控制工作，合理安排浇筑时间，避免高温时段浇筑混凝土，浇筑施工尽量安排在下午17：00以后，至次日9：00以前收仓混凝土入仓后在最短的时间内完成平仓振捣作业，然后用高压聚苯乙烯泡沫塑料保温被及时覆盖，并在仓面四周采取喷雾措施，仓号收仓后及时进行洒水养护，确保仓内温度不升高。
　　2.3.4 及时通水冷却，面控制混凝土的绝热温升
　　在坝体内按照：在基础约束区、廊道浇筑块等需尽快降温的浇筑块，一般采用1.5m（层距）×1.5m（水平间距）埋设冷却水管，高温季节施工时加密1.5m（层距）×1.0m（水平间距）埋设冷却水管；其他浇筑块（层厚2m或3m），一般采用1.5m（层距）×2.0m（水平间距）或2.0m（层距）×1.5m（水平间距）埋设冷却水管，高温季节施工时采用1.5m（层距）×1.5m（水平间距）。管路埋设采用蛇行布置，距坝体上游面1.0～1.5m，距坝体下游面1.5～2.0m，距接缝面、坝内孔洞周边0.5～0.75m，单管全长控制在250m左右。冷却通水在混凝土浇筑收仓后12h内开始，以削减混凝土温升期内的温升高峰，将浇筑块的最大温差控制在允许范围内，以预防约束裂缝。初期（一期）通水：利用天然降水进行25～28℃的冷却，冷却时间15～20d；中、后期通水：采用6～8℃制冷水冷却，混凝土日降温幅度在0.3℃左右。
   　　2.4 加强混凝土表面养护
　　混凝土浇筑完后12～18h即开始对混凝土表面进行洒水养护。各立面挂Φ25的塑料花管进行21～28d的流水养护。
　　在6、7、8三个月的高温季节，在浇筑仓号的四周进行喷雾降温，防止温度倒灌及加强仓内的相对温度。用高压聚苯乙烯泡沫塑料保温被覆盖并洒水养护，直到混凝土初凝后或待混凝土内的温度上升到外界气温后再打开散热，并防止日晒，以免造成混凝土表面干裂。
　　福建省寿宁地区每年11月初至次年3月底为冬季施工期，牛头山坝址区冬季寒潮频繁，为防止因内外温差过大而产生裂缝，混凝土永久暴露面要悬挂高压聚苯乙烯泡沫塑料保温被进行保温。当日平均气温在2～3d内连续下降6℃时，对28天龄期内的混凝土表面覆盖高压聚苯乙烯泡沫塑料保温被；每年5～9月份浇筑的混凝土永久或间歇面，如果在十月份以前遇气温骤降时采取保温措施。保温时间持续一个低温季节；模板拆除的时间根据混凝土温度及内外温差确定，且要避免夜间拆模，当拆模后混凝土表面降温超过6℃时，推迟拆模时间，如必须拆模时，则立即进行表面保温；每年汛后将中孔、廊道等孔洞进行封堵保护，防止冷风贯通产生表面裂缝。孔口用高压聚苯乙烯泡沫塑料保温被封堵。
　　3. 大坝温度控制监测成果分析
　　3.1大坝内部温度控制监测成果分析
　　根据在施工期间坝体内埋设的施工监测温度计和测缝计（按高程的不同，每隔12m布置一排温度计或测缝计）以及大坝冷却通水及闷温记录表明：
　　3.1.1基岩温度受气温的影响，埋设在气温高时基岩温度随温度的增大而减少，越靠近基岩表面，受气温的影响越大。埋设后受坝体浇筑水化热温升和气温升降的影响，基岩温度随之升降，其变幅随深度的增加而减少。由于坝基中部散热条件不如坝踵和坝趾，基岩温度相对要高一些。后期，基岩温度降温后趋于稳定。
　　3.1.2根据温度计观测可知，混凝土入仓后随水化热而升温，温升幅度取决于混凝土浇筑季节和温度计的位置，夏季浇筑的混凝土温升幅度高，在15～17℃之间，冬季低温季节浇筑的混凝土土的温升幅度一般低于10℃；内部温升高，可达17℃，外测温度则受表面散热影响有所降低。最高温升一般出现在浇筑后7天左右，实测坝内最高温度38.5℃，符合温控设计要求。
　　实测的坝体内部温度计温度变化情况见图1～图3。
　　从温度过程曲线看坝体的温度，随混凝土浇筑后水化热温升而上升，水化热过后温度开始逐渐下降，降到10～13℃时，基本趋于稳定。混凝土日降温速率一般≤1℃/d，少部分温降速度为1℃/d～2℃/d。坝体上、下游面的温度受外界气温影响较大，随着气温的变化而有较大的变化幅度。
　　3.2 大坝混凝土裂缝情况
　　 自2004年元月份第一块混凝土浇筑到2005年3月底，通过对大坝坝前、坝后全面检查未发现任何大的裂缝。
　　
　　
　　10＃坝段初期通水混凝土内部温度监测成果（2004年）
　　
　　图1
　　
　　5＃坝段初期通水混凝土内部温度监测成果（2004年）
　　
　　
　　图2
　　6＃坝段初期通水混凝土内部温度监测成果（2004年）
　　
　　
　　图3
　　4. 结束语
　　牛头山大坝工程正是充分认识到混凝土坝产生温度裂缝与施工的外部环境、施工过程、水化热温升、混凝土的质量、性能等因素有关。从技术上合理采用配合比，使用了合适的原材料，充分利用混凝土的后期强度，降低水泥的水化热，减少温度应力；在混凝土浇筑施工过程中严格制定了施工温度控制的各项措施，合理安排浇筑时间，采取合理的施工工艺，降低、减少混凝土温升，取得较好的温控效果。
　　从大坝的内部温度监测结果分析证明，牛头山水电站大坝工程的坝体温度变化过程、温度分布符合双曲混凝土拱坝温度变化的一般规律变化，故牛头山水电站大坝工程的混凝土施工温度的控制是成功的。
　　参考文献：
　　1、朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1998.
　　2、戴会超,张超然.三峡工程混凝土施工及温控科研成果[J].水利水电科技进展.2003(2)
　　3、朱伯芳.混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望[J].水利学报，2006(12)
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。