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高温干燥地区碾压混凝土温控防裂技术研究与应用

日期：2016-3-11 13:46:34　来源：本站原创　浏览数：
　

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1 ·工程简介
    南沙水电站工程位于云南省元阳县境内红河干流元江的中下游段，是以发电为主的大( Ⅱ) 型工程。大坝为碾压混凝土重力坝，水库总库容2. 65 亿m3 ，总装机容量为150MW，多年平均发电量7. 023 亿kW·h，最大坝高为85. 0 m，混凝土浇筑量65 万m3。
    南沙水电站位于红河中游段，属元江炎热气候区，流域海拔在高程100 ～ 1 500 m 之间，受红河河谷地带干热焚风的影响，气候干燥炎热，绝对最高气温达41. 7℃，高温季节长达8 个月，年平均气温高达23. 5℃，高温季节平均相对湿度50%。南沙水电站大坝碾压混凝土施工必须面临高温干燥季节条件下施工的技术难题，在这样恶劣的环境条件下进行碾压混凝土施工在国内外是少有的，具有很大的挑战性。大坝碾压混凝土温控防裂是制约大坝快速施工的首要关键技术问题，直接影响工程建设的成败。
    2 ·温控防裂关键技术研究
    随着混凝土热传导理论、工程力学、试验方法和数值仿真计算技术的快速发展和日臻完善，近年来，在水利水电工程界，针对水工结构混凝土裂缝成因的认识和防裂技术水平都得到了很大的提高，运用施工期混凝土温度场和应力场的非恒定时空复杂问题的精细仿真计算求解，对整个工程施工期乃至运行期的全过程情况进行严密的数值模拟，模拟工程建设中所遇到的绝大多数主要影响因素，已经变成可能，而且，还可以结合具体工程的气候条件、设计工况和施工进度计划，进行不同施工方法与工艺的防裂方法对比仿真计算分析及重要参数的敏感性对比计算分析，根据结果制定混凝土的实际浇筑过程，满足工程混凝土的防裂要求。
    2. 1 研究方法
    选取南沙碾压混凝土重力坝的6 号溢流坝段和3 号厂房坝段作为典型研究对象，采用三维混凝土温度场和徐变应力场非稳定场问题求解的有限元法数值仿真计算理论和方法，进行整个施工期的数值仿真建模和计算分析，根据计算结果分析混凝土施工过程中温度、应力的时空变化规律，判别其主要影响因素，为混凝土施工过程中采取防裂措施提供依据。
    不同配合比的混凝土材料，导温系数和导热系数一般变化不大。对混凝土温度场影响较大的因素主要是混凝土的浇筑温度、绝热温升、放热系数和环境温度。
    在温度应力场的计算中，弹性应变的大小主要决定于混凝土的弹模，而混凝土的弹模在不同的龄期是不同的，其变化是一个由弱变强的过程。在实际混凝土浇筑的温控工作中，尽量利用混凝土早期弹模小的特点，使混凝土的内外温差最大的时刻尽早出现，对混凝土防裂有利。
    2. 2 大坝混凝土施工期开裂机理
    通过观察混凝土裂缝的发生发展，可以发现，裂缝除了与混凝土浇筑块本身的特性，如温度、强度、浇筑质量、结构形式和混凝土块尺寸等有关，还与混凝土块施工过程中所处的外部环境，如地理气候条件、拆模时间等密切相关。按照混凝土裂缝出现的时间先后，一般可分为早期裂缝、施工期第一个冬季时裂缝和后期裂缝3 类。
    在浇筑初期10 d 以内一般会出现早期的混凝土裂缝，其表现形式是“由表及里”型，启裂点一般位于混凝土的表面。分析其开裂的主要原因是由于混凝土内外温差，内部温度温升幅度大的混凝土膨胀变形受到外部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力，而在混凝土内部产生压应力。内外温差越大，早期表面拉应力也越大，混凝土表面开裂的风险也越大。当混凝土表面裂缝出现后，很可能向纵深发展，最终形成贯穿性裂缝或深层裂缝。鉴于此，在施工早期应特别注意混凝土表面的防裂工作。仿真计算结果表明，混凝土浇筑后如果没有采用合适的温控措施，坝体强约束区混凝土表面最大拉应力可能会超过混凝土当时的抗拉强度，存在开裂的可能性。因此，早期防裂是温控防裂工作的一个重点，也是关键。
    根据施工进度安排，施工期第一个冬季出现的混凝土裂缝和早期裂缝形式一样，同样是“由表及里”型，启裂点也往往位于混凝土的表面。开裂的主要原因也是内外温差，随着外界温度的下降，表面混凝土的温度也随之下降，发生冷缩变形而受到内部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力。
    外界温度越低，导致内外温差越大，则表面拉应力越大，表面开裂的风险也越大。当表面裂缝出现后，很可能向纵深发展，最终形成贯穿性裂缝或深层裂缝。因此，在施工期应特别注意冬季混凝土表面的防裂工作。有限元法数值仿真计算结果表明，在施工期的第一个冬季，如果外界气温很低，坝体强约束区混凝土表面最大拉应力可能会超过混凝土当时的抗拉强度，存在开裂可能性，这与早期裂缝的出现大致一样，建议在施工期外界气温较低的季节或遭遇寒潮温度骤降时，在已浇筑混凝土表面采用合适的保温措施，防止过大的内外温差而造成坝体混凝土表面开裂。
    后期裂缝的出现主要是由于混凝土内部温降和外在约束，其表现形式往往为“由里及表”型，与前两种刚好相反。混凝土内部温度达到峰值后温度将缓慢降低，早期的压应力将逐渐转化为拉应力，越到后期温降幅度越大，温缩变形也就越大，混凝土内部后期的拉应力也越大，其裂缝的启裂点通常位于混凝土内部。
    在大坝混凝土施工过程中，坝体基础强约束区混凝土是防裂难度最大的部位。这部分混凝土直接浇筑在岩基上，受到岩基的强约束作用，沿坝轴线方向和沿上下游方向坝体的约束长度都相当长，无论是早期还是后期都容易出现裂缝。
    根据上述裂缝形成的机理和容易产生裂缝的部位，在混凝土施工过程必须在早期采用合理的方法，降低混凝土温度峰值，从而降低混凝土后期的温降收缩量; 并在整个施工期采用合理的保温措施，控制过大的内外温差，防止坝体混凝土在表面开裂，这是温控防裂技术控制措施的关键。
    3· 温控防裂技术应用
    运用温度场和应力场的计算理论，针对南沙碾压混凝土重力坝的6 号溢流坝段和3 号厂房坝段建立了有限元模型，进行了数值仿真计算分析。预测了混凝土结构可能的开裂部位和开裂时间，并提出相应的控制指标和防裂措施。
    3. 1 仿真计算结果及控制指标
    3． 1． 1 6 号溢流坝段的仿真计算结果及控制指标
    a) 坝体强约束区混凝土的温控防裂工作可以分为早期、施工期的第一个冬季和后期3 个阶段。该区域混凝土在夏季浇筑，温度较高且日夜温差变幅不大，混凝土表面早期拉应力不是很大，小于混凝土的即时允许抗拉强度，早期开裂风险较小。施工中采用冷却水管进行早期降温后，内外温差得到了进一步的改善，基本可以保证早期不出现“由表及里”型裂缝。对于施工期的第一个冬季，由于外界气温降到相对全年最低，混凝土内外温差增大，导致在混凝土表面由于温降收缩产生较大的拉应力，最大达到1. 59 MPa，小于当时的允许抗拉强度1. 76 MPa，一般不会出现表面温度裂缝，但相对比较危险。建议在外界温度较低的季节或者温度骤降时，坝体表面混凝土采取一定程度的保温措施，这样有利于防止表面温度裂缝的产生。而后期混凝土，由于在夏季浇筑，外界气温较高且混凝土的浇筑温度很高( 最高到达36℃) ，坝体内部混凝土温度相对较高，后期温降幅度相对比较大，加上受到地基的约束作用，出现较大的拉应力，最大达到1. 75 MPa，小于当时的允许抗拉强度1. 76 MPa，可幅度很小，出现内部裂缝的可能性小，但是安全度相对不高，建议混凝土浇筑时要尽量降低混凝土的浇筑温度，同时允许条件下，加强水管通水冷却的力度，尽量降低混凝土的最高温度，已达到减小内部混凝土后期的降温幅度，减小内部混凝土拉应力，防止坝体强约束区混凝土内部出现裂缝。
    b) 对于坝体弱约束区和非约束区的混凝土，由于受地基的约束相对降低了很多，且混凝土的浇筑季节也安排在春秋季节，外界气温和混凝土的浇筑温度相对低了不少，所以后期降温幅度很大的降低，则后期混凝土内部温降拉应力比强约束区的混凝土内部拉应力小了很多，一般不会出现温度裂缝; 至于早期和施工期第一个冬季出现由于过大内外温差而产生拉应力开裂现象的可能性也不是很大，和强约束区相同的温控措施的情况下，一般不会有温度裂缝产生。
    3． 1． 2 3 号厂房坝段的仿真计算结果及控制指标
    a) 施工期垫层区内表温差在3℃，水管通水冷却结束时，混凝土平均温度为25. 6℃。垫层区处于基础强约束区，龄期10 d 左右，混凝土拉应力达到最大，内部拉应力达到1. 16 MPa，表面拉应力达到1. 22 MPa，均在混凝土允许应力范围内。坝面过水期间，拉应力增大，其中上游面拉应力达到2. 21 MPa，没有超过混凝土允许抗拉强度2. 48 MPa。
    b) 坝面过水对坝体的影响。过水期间，表层和内部混凝土应力均在允许范围内。过水完毕后，已浇坝体温度为26℃ ～ 27℃，再往上浇筑混凝土后，过水层面与新浇筑层之间温差达到8℃左右。过水完毕后，上层混凝土进行浇筑，过水层面上拉应力值达到1. 0 MPa 左右，超过该龄期碾压混凝土允许抗拉强度0. 8 MPa( 混凝土抗拉强度为1. 32 MPa) 。
    c) 输水管道以下的混凝土施工完毕后，坝体有两个高温区，第一个在闸门下方的混凝土区域( 高程236. 0 ～ 239. 0m) ，高温区中心温度为31℃，内表温差为5℃; 第二个高温区分布在靠近下游侧的碾压混凝土区( 高程215. 0 ～ 238. 0 m) ，高温区中心温度为30℃，内表温差为4℃。虽然坝体存在两个高温区，由于第一个高温区范围小，内表温差也小，没有形成大的拉应力区; 第二个高温区拉应力为1. 2 MPa，在允许拉应力2. 18 MPa 范围之内。坝体中心区域的混凝土受0. 6MPa 左右的拉应力。
    d) 对于输水管道以上的常态混凝土，龄期2d 左右，水泥水化热充分反应，内部温度峰值达到37℃左右，表层温度达到33℃左右。当通水结束后，温度有小幅回升。厂房坝段进水口顶部结构施工完并通水结束后，在高程268. 5 ～ 277. 5m 坝体存在一个高温区，高温区温度为24℃。
    3. 2 防裂控制措施
    根据上面裂缝成因和仿真计算结果，南沙水电站大坝碾压混凝土施工防裂方法主要从以下方面进行控制。
    3. 2. 1 混凝土配合比控制
    混凝土配合比由南京市水利科学研究院经试验研究后提供。同时，大坝基础填塘、大坝强约束区混凝土( 215 m 高程以下常态混凝土) 外掺氧化镁( MgO 掺4%) 补偿收缩，减小大坝温度应力，防裂效果明显，对减少强约束区的裂缝起到重要作用。
    运用改进型高温超缓凝型高效减水剂、人工造雾和喷洒缓凝剂等综合技术，解决高温干燥条件下碾压混凝土初凝时间短的问题，实现了40℃高温环境条件下其初凝时间达到6～ 8 h，满足了特殊环境的技术要求。
    运用消解、陈化、大型磨机粉磨的方法，并对大掺量高钙粉煤灰碾压混凝土的物理、力学、热力学及其耐久性等性能进行了研究，解决大掺量( 60%) 高钙粉煤灰碾压混凝土安定性问题，得出大掺量高钙粉煤灰碾压混凝土性能满足水工大体积混凝土的技术要求并在工程中得到成功应用。

    3. 2. 2 混凝土浇筑过程控制措施
    a) 骨料采用遮阳防晒和高堆料、水泥罐灰罐淋水、地下水( 22℃) 拌合等综合措施，降低混凝土出机口温度。
    b) 运输车辆加盖，防止混凝土曝晒。
    c) 仓面采用冲毛机进行喷雾保湿、降温，喷雾降温的效果比较明显。
    d) 采用混凝土小VC 值施工，以仓面不陷碾、无弹簧土为佳，这有利于高温干燥条件下层面的结合质量。
    e) 加快覆盖速度，混凝土从拌和、运输、平仓、碾压在2h内完成，减少温度倒灌。
    f) 直接铺筑层间间隔时间控制在5h 内，这是保证结合质量的关键。
    g) 对碾压完的层仓及时加盖彩条布，特别是对异种混凝土。对普通混凝土加喷3%浓度的缓凝剂。
    3. 2. 3 埋设冷却水管通水降温
    混凝土中布置冷却水管为一系列防裂措施中最重要的一个环节，在高温季节施工，混凝土入仓温度较高，降低混凝土水化热产生的内部高温显得尤为重要。
    溢流坝段水管布置见图1。铺设塑料质冷却水管，管外径32 mm，内径28 mm，水管按照层距× 间距= 1. 50 m × 1. 00m 布置。层内水管按照左右岸方向进行布置，布置时，上游侧水管离上游面距离0. 8 m，下游侧水管离下游面0. 5 m，水管布置时要保证水管离左右岸方向坝体表面至少有0. 5 m的距离。冷却水温使用22℃，通水流量为25 L/min，通水时间为20 d。开始通水时间选择的原则是: 若混凝土浇筑温度高于管中水温，则浇混凝土的同时就开始通水; 若浇筑温度低于冷却水温，则混凝土浇筑后等到它的温升达到水管中的水温时才开始通水。通水开始后，每隔1 d 换一次通水方向。在混凝土浇筑后立即开始通水。

    3. 2. 4 施工分层
    大坝建基面常态混凝土垫层的铺筑层厚为0. 5 m，连续浇筑两层间歇一次; 坝体碾压混凝土的铺筑层厚为0. 3 m，每连续浇筑4 ～ 10 层形成一个升程/浇筑层，施工间歇一次，升程内部连续浇筑的薄层间隔时间根据混凝土在不同季节的初凝时间来控制，为4 ～ 6 h，升程之间施工间歇时间由施工进度而定，约为5 ～ 12 d，基本满足要求。
    3. 2. 5 混凝土养护
    碾压混凝土层间间歇时间过长会影响混凝土的层间结合质量，为了保证混凝土施工质量，混凝土层间施工采取以下判断及处理工艺。加浆混凝土层面施工完后，用背包式喷雾器喷浓度为3%的ＲCC15 型缓凝剂( 缓凝剂喷雾标准以混凝土表面湿润、不积液为标准) ，然后马上加盖彩条布，减缓混凝土表面水份的蒸发，延缓混凝土的初凝时间，加强喷雾保湿降温。
    4 ·效果检测
    在整个施工过程大坝无劈头缝、贯穿裂缝等危害严重的裂缝产生，施工期裂缝得到有效的控制。在大坝蓄水前，参建各方对大坝的裂缝情况进行了检查，尤其是大坝的上游面、廊道内等部位开展重点检查，均未发现劈头缝、贯穿裂缝。
    大坝蓄水前坝前水位为220 m 高程，此时大坝总渗漏量为2 L/s; 大坝蓄水至正常蓄水位267 m 高程过程总渗漏量在增加，2 个月后渗漏量基本稳定，目前大坝渗漏量稳定在10 L/s 左右，廊道内无层面渗漏、集中点渗漏等现象，效果比较理想，这说明了防渗区ＲCC 层面结合质量良好和大坝迎水面无贯穿裂缝发生。
    5· 结论
    a) 碾压混凝土重力坝浇筑过程中极易出现裂缝，尤其在南方高气温地区，对工程建设和工程运行都有不利影响。针对南沙碾压混凝土重力坝混凝土裂缝机理和防裂方法进行深入研究，提出具体有效的混凝土防裂控制措施，省去制冰和风冷设备投入600 万元，且混凝土温控费用由原来计划的20 元/m3 锐减至8 元/m3 ，若按混凝土65 万m3 计算，节约费用接近780 万元，即南沙大坝碾压混凝土温控优化方案产生直接经济效益达1 380 万元。
    b) 温控防裂技术研究与应用，保证了南沙碾压混凝土重力坝全年连续不间断快速施工，从工程截流到首台机组投产发电的工期为22 个月，首台机组比原计划提前6 个月投产发电，3台机组总装机150 MW，多发电3. 5 亿kWh，直接收益7 525 万元，工程效益显著。
    c) 冷却水管导热降温作用的精确迭代计算方法使得混凝土非稳定温度场和应力场的有限单元法精细仿真计算成为可能，具有重要的工程应用价值。
    d) 在本项目的研究工作中，建立了基于水泥水化度的混凝土绝热温升、导热系数、抗压和抗拉强度、弹性模量、泊松比、线胀系数、自生体积变形( 包括掺MgO 混凝土自生体积膨胀变形) 等的计算模型和算法，既考虑了混凝土龄期的作用，同时还考虑混凝土的瞬时温度和温度历时，进一步提高了混凝土温度和应力的数值仿真计算精度和防裂方法水平。
    f) 施工过程中在坝体混凝土内系统地埋设了冷却水管，进行坝体混凝土的一期通水冷却，对降低早期混凝土因水化反应放热而引起的温升幅度极有效果。南沙大坝大部分的混凝土施工期间浇筑温度都很高，若采用专用设备来降低浇筑温度的方法，经济成本将十分昂贵。本项目依靠水管冷却混凝土温度和应力的精确计算方法，施工时不刻意控制混凝土的浇筑温度，而加大经济成本相对很低的水管通水冷却方法的力度，实现在高混凝土浇筑温度和施工气温的条件下依靠水管冷却来控制坝体的温升幅度，同样达到坝体混凝土防裂的目的。
    g) 南沙水电站大坝采用的温控防裂措施，克服了气温高、浇筑温度高、施工期短等不利因素，顺利完成了混凝土的浇筑，节约了工期与投资。至今未发现危害性裂缝，提高了工程的耐久性和安全性，为今后同类工程的建设提供了设计与施工方面的宝贵经验。随后建设的马堵山水电站大坝中就直接应用了本项目的温控防裂技术，取得了非常明显的经济效益。