汪春燕
(江西省水利水電建設有限公司,南昌 330000)
隨著中西部大開發的逐漸深入,在中西部高寒地區的水利工程建設逐漸增多。但西部高寒地區海拔高,日照時間長,晝夜溫差大,多風少雨。高寒地區特殊的氣候特點,在施工過程中要重點關注其溫度控制。以西部高寒地區的水利工程建設中施工期間溫度控制為例展開研究,對于類似工程提供參考經驗。
文章以西部高寒地區大港碾壓混凝土重力壩混凝土施工為例,探究施工期間溫控措施。通過設定可對比性的試驗,跟蹤各條件下的溫度變化并對比分析,綜合考慮工程效益成本等方面,對溫控措施相關參數給出最佳推薦值,提出合理的溫控措施[1]。
大港碾壓混凝土重力壩壩高131m,壩長368m,壩體共需要18萬m3的混凝土澆筑。壩體分為15個壩段,其中最大壩寬32.5m。壩身共需修建6個泄洪表孔,1個泄洪底孔,5個發電進水口,壩體結構復雜。加上施工環境惡劣,施工期長,對壩體溫控工作開展帶來很多阻力。壩址處全年各月平均氣溫如表1。
文章選擇10#壩段為研究對象,該段壩高93m,長110m,寬29m。碾壓混凝土熱學參數試驗結果如表2。
表1 大壩所處地區年平均氣溫
表2 混凝土的熱學性能參數情況
圖1 10#壩段材料分區
圖2 10#壩段壩體有限元網絡模型
壩段溫度場計算設基巖的底面加上4個側面為絕熱面,與大氣接觸的基巖頂面是散熱面,壩體上下游面、頂面是散熱面,兩個橫側面是絕熱面。在溫度應力場計算中,三向全約束只有基巖底面,自由面有上游面。壩體頂面及4個側面[2]。
依據相關公式計算水電站運行期壩前水庫水溫分布情況,結合實際工程,設定庫底水溫均值是6℃,并將此值作為邊界值,得到穩定溫度場分布情況,具體見圖。由圖1 可以得到大壩平均穩定溫度變化范圍是8-10℃,取其均值9℃設定是大壩平均穩定溫度。依據平均穩定溫度,MIDAS/GTS軟件明確壩體基礎溫差、最高溫度控制標準,具體情況如表3所示。
圖3 10#壩段穩定溫度場圖
表3 基礎溫差、最高溫度控制標準表
備注:強約束區、弱約束區、自由區的分界點是壩底長的20%、40%處。
根據施工情況,選擇3種不同工況條件的澆筑溫度進行分析,在4-10月期間強約束區、弱約束區、自由區的混凝土澆筑溫度依次是12/15/18℃(1)、14/17/20℃(2)、16/19/21(3)℃,三種施工條件下壩體內部最高溫度變化趨勢見圖4。
圖4 種施工條件下壩體內部最高溫度隨高程變化趨勢
由圖2分析,不難看出,壩體整體的最高溫度與3種約束區的澆筑溫度、高程均成正相關關系。3種約束區壩體最高溫度,自由區達到最大值后呈現減小趨勢。從3種工況角度看,工況3澆筑溫度最高,壩體內部最高溫度也最高,但其變化趨勢在同一約束區比工況2變化急促。綜合考慮多種因素,給定在強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為:14℃、17℃、20 ℃[3-4]。
水利壩體溫度控制主要通過布設冷卻水管,按照計劃進行通水,可以有效降低內部升溫速度,控制最高溫度大小。本工程中冷卻水管規格是:長180m,管內徑28mm,壁厚6mm。其布置方式采用蛇形布設。
4.2.1 冷卻水管間隔
改變冷卻水管間隔形成3種不同布設方案,通水時長一樣,均24d,水溫保持在12℃,測定三種間隔下壩體內部不同約束區的最高溫度情況如表4所示。
由表4數據分析。
表4 不同間隔的冷卻水管壩體內部不同約束區最高溫度 ℃
4.2.2 冷卻水溫
冷卻水溫也是影響壩體內部最高溫度的一個關鍵因素,為了找到最佳冷卻水溫,依次改變冷卻水溫,設定10、12、14℃,測定壩體內部不同約束區最高溫度(冷卻水管間隔選用1.2m×1.2m,通水時長24d),具體見表5。
表5 不同冷卻水穩條件下壩體內部不同約束區最高溫度 ℃
分析表5中的數據,冷卻水的溫度對混凝土最高溫度影響不大,冷卻水溫度升高2℃,混凝土最高溫度僅升高0.6℃??紤]到經濟成本考慮,冷卻水建議選取10℃的天然水即可。
4.2.3 通水時長
冷卻水的通水時長同樣也影響著壩體內部最高溫度,同理確定最佳通水時長,依次改變冷卻水通水時長,設定測定12d、18d、24d,測定壩體內部不同約束區最高溫度(冷卻水管間隔選用1.2m×1.2m,冷卻水溫10℃),變化曲線見圖5。
圖5 3種通水時長同一位置壩體內部溫度跟蹤變化曲線
由圖3可以看出,混凝土澆筑完成后的7d內其溫度不斷上升,在7d左右達到最高溫度,之后有一段下降期,后期處于緩慢上升階段。對比3個通水時長,24d的通水時長,使得混凝土壩體最高溫度有效降低,抗裂安全系數降低。綜合考慮工程成本及工程質量,通水時長最佳為24d。
高寒地區壩體混凝土表面在越冬時期,常常由于外界溫度驟降,造成內外溫差大,極易形成裂縫,所以混凝土表面保溫很有必要。選用三種保溫措施,依次是不保溫-1、覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板-2、覆蓋一層8cm聚苯乙烯保溫板。3種措施下均通一期冷卻水,測定其溫度變化見圖6。
圖6 3種不同表面保溫措施大壩同一位置溫度變化曲線
分析圖6,不難看出,不采取保溫措施壩體混凝土溫度在9月份開始迅速降溫。覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板額混凝土溫度緩慢下降,而覆蓋一層8cm的聚苯乙烯保溫板的混凝如溫度上升,不利于溫度控制。綜合考慮工程中各因素,混凝土表面保溫措施以采用覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板。
綜上分析,本施工宜采用是溫控措施有:強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為:14℃、17℃、20 ℃。冷卻水管鋪設間隔為1.2m*1.2m,蛇形鋪設,冷卻水選取10℃的天然水,通水時長24d?;炷帘砻娓采w一層4cm的聚苯乙烯保溫板實現表面保溫。在上述溫控措施下,應用MIDAS/GTS軟件計算得到10#壩段的溫度場、應力場見圖7。
通過圖6溫度場、應力場分布,均符合工程設計要求,且有效降低了混凝土裂縫安全系數,充分表明溫控措施的有效性。
圖7 10號壩段溫度場、應力場
文章以西部高寒地區某碾壓混凝土重力壩混凝土施工為例,探究施工期間溫控措施。認為設定具有可以對比性的試驗,對壩體溫度跟蹤,將其變化進行對比分析,標定其溫控參數,選取經濟合理有效的溫控措施,得到如下結論:
1)強約束區、弱約束區、自由區混凝土澆筑溫度宜為:14℃、17℃、20 ℃。
2)冷卻水管鋪設采用1.2m×1.2m間隔的蛇形布設;冷卻水建議選取10℃的天然水,通水時長最佳為24d。
3)壩體上下游面、倉面混凝土表面保溫通過覆蓋一層4cm的聚苯乙烯保溫板來實現。
[1]崔俊峰,宋秀萍,肖自龍.高寒地區施工大體積混凝土溫度控制[J].華北水利水電學院學報,2003(04):21-23.
[2]馬敬,蔣兵.高寒地區碾壓式瀝青混凝土心墻施工配合比的確定及溫度控制[J].中國農村水利水電,2008(07):84-85.
[3]阮新民,魯一暉,夏世法.高寒地區某RCC重力壩夏季高溫期施工溫控措施及應用效果分析[J].水利建設與管理,2009(08):25-28.
[4]劉要武.高寒地區施工大體積混凝土溫度控制[J].交通世界(建養.機械),2011(10):192-193.