水库主坝浇筑加固下大体积混凝土防裂温控应用.pdf

82云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期：2023-04-17 作者简介：温浩（1992-），男，广东揭西人，工程师，主要从事水利水电工程施工工作。水库主坝浇筑加固下大体积混凝土防裂温控应用温浩（深圳市广汇源水利建筑工程有限公司，广东深圳518000）摘要：大坝混凝土在大体积浇筑过程中由于水泥水化放热，易在混凝土内部形成不均匀的温度梯度应力场，增加了混凝土开裂风险。以赤坳水库主坝除险加固工程为研究背景，针对大体积混凝土浇筑施工中的温控防裂，提出冷却水循环系统降温，结合温度场函数测控系统的大体积混凝土降温测温一体系统，达到精细化、安全化指导温控施工的目的。关键词：大体积浇筑；温控防裂；冷却水循环系统中国分类号：TV544+.91 文献标识码：B文章编号：1006-3951(2024)03-0082-05DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.022Application of Temperature Control for Crack Prevention of Large Volume Concrete under the Pouring and Reinforcement of Reservoir Main DamWEN Hao(Shenzhen Guanghuiyuan Engineering Construction Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China)Abstract：During the large volume pouring process of dam concrete,due to the heat release from cement hydration,an uneven temperature gradient stress field is easily formed inside the concrete,which increases the risk of concrete cracking.This paper takes the main dam reinforcement project of Chiao Reservoir as the research background,and proposes a cooling water circulation system for temperature control and crack prevention in the construction of large volume concrete pouring.A temperature field function measurement and control system combined with a large volume concrete cooling and temperature measurement integrated system achieves the goal of precision and safety guidance for temperature control construction.Keywords：large volume pouring;temperature control and crack prevention;cooling water circulation system0引言水库除险加固对于运行年代久远、基面结构老化的水利基础设施运维以及保证下游地区防洪和供水安全至关重要。水库加固往往涉及工程规模大、结构类型多、结构尺寸大小各异，专业工程比较多，因此施工难度和安全要求均比较高。深圳市赤坳水库经安全鉴定与评估1-2，现存主坝功能性部分损失、强度降低，坝肩渗漏严重，大坝安全标准低等问题，亟需加固。赤坳水库主坝加固采用坝后培厚混凝土的型式，大坝混凝土在大体积浇筑过程中由于水泥水化放热在混凝土内部形成不均匀的温度梯度应力场，增加了混凝土受热不可控开裂的风险，做好温控措施、防裂是工程的重难点。目前关于混凝土温控防裂的研究主要集中在结构受力分析3、控制方案设计4-6、施工技术及工程应用7、温度监控系统8、环境对传热的影响9-10等方面。在上述研究的基础上，以赤坳水库主坝除险加固工程为研究背景，针对大体积混凝土浇筑施工中的温控防裂，提出冷却水循环系统降温，结合温度场函数测控系统的大体积混凝土降温测温一体系统，已到达精细化、安全化指导温控监测施工过程，从根本上控制大体积混凝土的不均匀温度开裂。83温浩水库主坝浇筑加固下的大体积混凝土防裂温控监测施工应用1工程概况及施工重难点1.1工程概况赤坳水库位于深圳市坪山新区东部，赤坳水库于 2011 年进行了安全鉴定工作，赤坳水库大坝分类为二类坝。赤坳水库除险加固建设项目主要任务是通过对水库实施除险加固，保证下游地区防洪及坪山新区、大鹏新区供水安全。工程建设内容包括：主坝加固，新建隧洞及附属设施，围堰工程，副坝加固，机电设备及金属结构更新改造，库尾危险边坡治理，新建巡防码头，大坝安全监测及监控系统建设，综合信息系统等。赤坳水库为中型水库，工程等别为等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级；防洪标准为：设计 100 年一遇，校核 2 000 年一遇。主坝原为浆砌石重力坝，最大坝高 42 m，坝顶高程 85 m，防浪顶高程 86 m，坝顶宽 4 m，上游坡 1 0.1，下游坡 1 0.7。1.2工程施工重点、难点针对该工程的特点，工程主要存在以下重点难度亟需解决。1）工程规模大、结构类型多、结构尺寸大小各异，涉及专业工程比较多。2）主坝加固基坑开挖深度达 12 m，深基坑开挖安全要求高，是工程的难点之一。3）主坝加固高度达到 39.1 m，坡度 1 0.7，坡面坡度很陡，施工难度大。主坝混凝土施工属于大体积混凝土，做好温控措施、防裂是工程的重难点。4）隧洞 D=2 500 mm，开挖面小，洞内机械施工受限，施工作业效率低。隧洞类围岩段比较长，地下作业安全风险高。施工质量要求高、难度大。5）水库水位高，水库库区内项目施工受水库水影响大，需切实做好导流、防洪度汛措施，库内项目施工对围堰、降排水要求高。围堰拆除需要等到隧洞口钢闸门安装后能启闭闸门才能进行。6）施工中涉及基坑、隧道、大坝等，施工中做好相应的监测。确保既有建筑的安全和施工的安全。2主坝加固混凝土施工针对工程的特点、重点和难点，以主坝工程施工为中心，配备充足的资源，正确处理大体积混凝土施工各生产环节。2.1主坝加固工程方案主坝加固采用坝后培厚混凝土的型式，加固长度为 187.16 m。主坝加固分为右坝段、中坝段、溢流坝段、左坝段。其中右坝段桩号为 B0+008.94 B0+065.94，长 度 为 57 m；中 坝段 桩 号 B0+065.94 B0+096.94（长 度 31 m）、B0+125.94B0+135.94（长度10 m），总长度为41 m；溢流坝段桩号为 B0+096.94 B0+125.94，长度为29 m；左坝段桩号为 B0+135.94 B0+196.10，长度为 60.16 m。主坝背水坡坡率 1 0.7。原主坝坝顶宽度为 4 m，坝体坝后培厚，水平方向厚度为4 m，斜坡面坝体加固厚度为3.334、4.563、5.792 m，加固后，坝顶宽度为 8 m。坝后加固混凝土：溢流坝段采用 C30，其余坝段采用 C25。主坝分缝以原坝体施工分缝及新建坝体施工强度为原则进行，原浆砌石坝体分缝为：溢流坝段 29 m，溢流坝段左侧 10 m，溢流坝段右侧 31 m之间设垂直伸缩缝，其余坝段整体施工；新建加固坝体分缝：溢流坝段 29 m、溢流坝段左侧 10 m设伸缩缝；溢流坝段右侧 31 m 分 2 段施工，长度均为 15.5 m；右坝段总长 57 m，从右往左分缝长度分别为：10.5、15.5、15.5、15.5 m；左坝段总长60.16 m，从右往左分缝长度分别为：15.5、15.5、9、8.2、5.98、5.98 m。同时在新旧坝面处新建排水系统。排水系统采用 DN300 多孔混凝土管，纵横交错，纵横向间距见排水系统立面图，将新旧坝面渗水引至新建排水廊道内排至下游，并在出口分别设置量水堰。原廊道按原来方向顺接出来，与新建培厚坝体结合成整体。除原有排水廊道外，加固坝体左右坝段及中坝段坝脚新建排水廊道，溢流坝段不设新建排水廊道。坝体右侧新建廊道尺寸为：宽 高为 2.0 m2.5 m；坝体左侧新建廊道尺寸为：宽 高为 1.2 m2.2 m。2.2主坝混凝土选材控制为控制主坝大体积混凝土浇筑产生的水化热，84云南水力发电2024 年第 3 期混凝土的选材应满足以下标准。1）水泥宜采用低水化热硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥。2）粗骨料采用粒径 5 31.5 mm 碎石，含泥量不大于 1%，泥块含量不得大于 0.5%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。3）细骨料：采用中砂，平均粒径大于 0.5 mm，含泥量不大于 3%，泥块含量不得大于 1%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量 10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。4）掺加适当粉煤灰，降低混凝土水化热、改善混凝土和易性。外加剂：采用掺加适当外加剂，减少、降低水化热峰值。为减少混凝土的入模温度，所有砂石材料存放在厂房里面，防止暴晒和雨淋，水泥不采用刚出炉的水泥，使用存放一段时间的水泥。2.3主坝混凝土施工程序及方法主坝加固混凝土属于典型的大体积混凝土，采用分段分层施工，沿坝长度方向，分段长度按设计分缝间距长度 5.98 15.5 m，溢流坝按整段29 m 浇筑，水平分层厚度 1.5 m，从底往上施工。主坝加固坡面坡度 1 0.7，斜坡面坝体加固厚度为 4.563 m，坡面高度高，水平分层 1.5 m 厚，分层层数很多，接缝处处理、模板加固等方面是模板制作安装的重点。斜坡每层 1.5 m 厚混凝土的侧面斜高为 1.83 m，侧面组合钢模拟采用定型组合钢模，总斜高 2 m。由于侧模外面无支撑点，模板加固采用垂直模板面的模内撑拉结构（一次性使用），设置间距 500 mm500 mm。撑杆采用角钢 L5050，拉杆采用 16 mm 螺栓，在已浇筑的混凝土面预埋倒 U 形埋件，作为模内支撑点或拉杆固定端。钢模安装时，采用 2 套钢模循环上下翻模施工，先安装第 1 层整体组合侧模板，浇筑之后，接下层钢模。再浇筑下层时，将前一浇筑层的下层模板拆除，翻到顶部连接安装。这样，侧面水平施工缝处总是保持前一浇筑层的钢模板不动，能有效防漏浆，保证斜坡面混凝土平整度，有效保证了混凝土的外观质量。主坝斜坡加固模板安装具体大样图见图 1。图 1主坝斜坡加固模板安装大样图主坝混凝土施工各阶段方法如下。1）混凝土分缝分段：主坝加固混凝土属于大体积混凝土，设计沿坝轴线方向约 5.98 15.5 m分 1 段，设置了变形缝，左坝段分为 7 段，中坝段分为 3 段，右坝段分为 4 段，溢流坝段 29 m 作为 1 个整段，混凝土浇筑按以上分段进行施工。2）主坝加厚大体积混凝土浇筑以 1.5 m 进行水平分层，按照 50 cm 1 层分 3 层进行分层摊铺分层振捣施工，下层混凝土初凝前需进行上层混凝土浇筑，避免出现施工冷缝。同时采用通水等其他降温措施，防止水化热过高。3）混凝土浇筑采用分段分层、跳槽方式进行。4）入仓运输方式：典型坡面 15.5 m 浇筑段，每 1.5 m 厚混凝土数量 15.55.571.5=129.5 m3。混凝土采用商品混凝土，混凝土站搅拌车运送至现场施工点，混凝土运输可采用皮带机入仓，超过 2 m 落差时采用溜槽配合入仓，确保混凝土卸料不产生离析。5）铺料方式：采用通仓平铺铺料浇筑，从一端向另一端推进，铺料厚度以混凝土入仓速度、铺料允许间隔时间和仓位面积大小决定，一般为50 cm。在混凝土浇筑中，须注意保持老混凝土面及模板表面的湿润（但不能有积水）和清洁。6）平仓方式：首先均匀多点下料，入仓混凝土应随铺随平仓，不得堆积，仓内若有粗骨料堆叠时应均匀分布于砂浆较多处，但不得用水砂浆覆盖，以免造成内部蜂窝。7）振捣：大体积混凝土用高频插入式振捣器，振捣时间以混凝土不再显著下沉、不出现气泡、开始泛浆时为准，以保证上下层混凝土结合，避85温浩水库主坝浇筑加固下的大体积混凝土防裂温控监测施工应用免漏振。8）浇筑速度控制：混凝土上升浇筑速度尽量减慢，以上下层混凝土不出现冷缝，下层混凝土初凝前及时浇筑上层混凝土为宜，以便于混凝土散热。3大体积混凝土温控监测系统设计及应用做好温控措施、防裂是本工程的重难点，针对大体积混凝土浇筑施工中的温控防裂，提出冷却水循环系统降温，结合温度场函数测控系统的大体积混凝土降温测温一体系统。3.1冷却水循环混凝土温控系统混凝土降温采用冷却水循环系统，在右岸附近设置蓄水池，配置制冰机，在每层浇筑的混凝土内设置冷却水管，通循环水，对混凝土及时进行降温。冷却水循环系统配置如下：1）在主坝右岸就近设置一个混凝土蓄水容量为 50 m3的蓄水池，灌注自来水；配置 15.1 kW 制冰机 1 台，3.5 kW 进出水泵各 1 台，配置循环水管 DN125 主管足够长度，并配置消防水管等辅助连接件。2）大体积混凝土每 1.5 m 厚度施工分层内设置 DN65 冷却钢管，与循环水主管连接。3）混凝土温控指标控制应满足：混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不大于 50；混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收縮的当量温度）不大于 25；混凝土浇筑体的降温速率不大于 2.0 /d；混凝土浇筑体表面与大气温差不大于 20。4）混凝土通水冷却控制措施为：根据温度监测数据控制通水，一般保持进出水口温差不超过 6，大体积混凝土内外温差不超过 20。混凝土温度与冷却水温差不超过 25。待浇筑后即开始通水循环降温，同时进行温度监测，根据监测数据调整水流量，通水 7 14 d。当混凝土温度满足要求后，对冷却管进行封堵，采用 C15水泥浆填充冷却管。冷却水循环系统布置和施工分层内冷却水管布置见图 2、图 3。图 2冷却水循环系统布置图图 3施工分层内冷却水管布置图3.2混凝土温度智能监测系统为精确监测大体积混凝土浇筑过程的实时温度，应用大体积混凝土温度预测与测控系统，实时预测大体积混凝土温度场函数 T（h，t），生成温度曲线。测温系统数据采集包括：大体积混凝土温度预测与测控系统软件，模数转换电路，模拟电路接口，信号线以及温度传感器等组成。测温点的布置原则应在有代表性的整个基础底板最深处、底板 4 个角点及结构尺寸变化较大的地方。根据大体积混凝土浇筑分段分层情况，测温点每分层 1.5 m 每 5 m 浇筑段设 1 组。沿混凝土浇筑体厚度方向，必须布置表面、中间和底面温度测点，表面温度在混凝土面向下 100 mm 处量取，中间温度在底板高度一半处量取，板底温度在混凝土底面以上 100 mm 处量取。测温系统结构如图 4 所示。图 4测温系统结构图86云南水力发电2024 年第 3 期4大体积混凝土温度场函数成果分析基于大体积混凝土温度预测与测控系统，分别选择基础底板最深处、底板角点、底板结构尺寸变化较大点 3 个测温点建立断面 A、B、C 浇筑混凝土随监测天数的温度场 T（h，t）变化曲线，监测结果如图 5、图 6 所示。可以看出断面 A、B、C 混凝土浇筑体在入模温度基础值分别为 29.2、38.5、35.5，入模温度基础上的温升值最大值分别为 42.5、49.2、47.3，均小于 50 混凝土浇筑体温控指标。浇筑后 5 d 内混凝土放热温度增速较快，在5 15 d 内温度基础值达到较高范围，此时对于混凝土的防裂要求极高，在 15 40 d 后经监测结果混凝土温度缓慢下降，温度下降平均速率低于2/d，满足温控要求。根据监测情况可以看出断面 A、B、C内外温差最大值分别为17.8，19.1，17.5，均低于 20，满足温控指标，温差曲线与浇筑温度基础值变化趋势一致。5结束语针对赤坳水库主坝大体积混凝土浇筑过程中内部温度场进行降温测温一体化处理，得到主要结论如下。1）做好温控措施、防裂是工程的重难点，针对大体积混凝土浇筑施工中的温控防裂，提出冷却水循环系统降温，结合温度场函数测控系统的大体积混凝土降温测温一体系统。2）基于大体积混凝土温度预测与测控系统选择 3 个典型断面，可知混凝土浇筑体在入模温度基础值和温升值最大值小于 50，温度下降平均速率低于 2 /d，浇筑块体里表温差低于 20，满足温控指标。混凝土开裂可能性较小。参考文献：1 尹宏伟.赤坳水库主坝除险加固工程方案比选J.山西水利，2016，（7）：41-42.2 陈誉，阳秀春，杜佳锴，等.浆砌石-混凝土新型组合坝结构加固技术及应用研究：以深圳市赤坳水库为例J.人民珠江，2022，43（12）：67-72.3 张弢.大宁中堤泵站混凝土温控防裂及结构受力分析J.水利水电技术，2019，50（S1）：121-125.4 郭传科，刘西军，殷亮，等.雅砻江杨房沟水电站拱坝混凝土温控防裂设计研究J.水利水电快报，2021，42（6）：31-34.5 孙娟娟，张兵.溢洪道大体积混凝土温控防裂措施优化试验研究J.水利技术监督，2021，（5）：9-11.6 李钰.水工隧洞衬砌混凝土温控防裂技术研究J.水利科技与经济，2022，28（9）：126-130.7 王岗，徐劲松，陈磊.厂房坝段混凝土温控防裂技术措施研究 J.云南水力发电，2016，32（1）：78-83.8 张国新，刘毅，李松辉，等.混凝土坝温控防裂智能监控系统及其工程应用J.水利水电技术，2014，45（1）：96-102.9 凌春海.高温干燥地区碾压混凝土温控防裂技术研究与应用J.人民珠江，2014，35（5）：83-86.10 赵林伟.苗尾水电站挑流鼻坎混凝土温控防裂措施分析J.云南水力发电，2019，35（1）：86-89.图 5大体积混凝土温度随监测时间变化曲线图图 6混凝土浇筑块体里表温差随监测时间变化曲线图