刘家道口节制闸混凝土温度控制设计

　　摘要:刘家道口节制闸是刘家道口枢纽工程的主要建筑物，主要由上游防冲槽、护坦、铺盖、闸室消力池、海漫、下游防冲槽和闸上、下游两岸翼墙及护坡等组成。混凝土浇筑工程量约为17万m3。温控要求高，针对工程特点，确定了浇筑混凝土温差控制标准、容许最高温度，提出了混凝土出机口温度、浇筑温度、浇筑层厚和间歇期、养护和保护、通水冷却等各个环节的温控措施和要求。经施工验证，提出的标准是合理的，采取的温控措施是有效的。
　　关键词:枢纽工程；温控设计；温控措施；刘家道口节制闸
　　411工程概况
　　刘家道口枢纽工程位于山东省临沂市境内，沂沭泗河洪水东调南下工程50年一遇建设标准主要工程内容，是实施沂沭河洪水东调入海，腾空马湖库容接纳南四湖洪水的关键工程。
　　刘道口节制闸是刘家道口枢纽工程的主要建筑物，建筑物级别为1级，地震设防烈度为9度。设计流量12000m3/s，校核流量14000m3/s。闸轴线位于分沂入沭河口左岸裹头以下约200m闸轴线垂直沂河两岸大堤，为开敞式钢筋混凝土大小底板结构。主要由上游防冲槽、护坦、铺盖、闸室消力池、海漫、下游防冲槽和闸上、下游两岸翼墙及护坡等组成。混凝土浇筑工程量约为17万m3。闸址区多年平均气温13.2℃，月平均气温7月份最高为26℃，1月份最低气温为-1.7℃，极端最高气温42℃，极端最低气温-24.9℃，无霜期180-195d。施工期安排在2006年2月-2008年11月。
　　2原材料要求
　　按照刘家道口节制闸工程施工图设计要求[1]，混凝土设计强度等级为:C15、C20、C25、C30、C40等几种混凝土；水下混凝土抗渗等级为W4；混凝土抗冻等级为F150；混凝土的坍落度:根据建筑物的性质、钢筋含量、混凝土罐车配胎带机的施工方案运输、浇筑方法和气候条件决定，尽量采用小的坍落度，考虑混凝土运输中塌落度损失情况，试验配比塌落度稍大于《水闸施工规范》[2]要求的混凝土塌落度标准，取5-7cm；含气量:根据《水闸施工规范》SL27-91有抗冻要求的混凝土含气量宜为0.4/万-0.5/万。混凝土的原材料主要包括水泥、砂石骨料、掺和料及混凝土外加剂等。其中水泥采用临沂市罗庄区沂洲水泥厂生产的“沂洲”牌P.032.5和P.042.5普通硅酸盐水泥，细骨料采用临沭县沭河大官庄砂场的河砂。粗骨料采用临沂市罗庄村罗西祥石料场生产的碎石。掺和料选用临沂昌能环保有限公司生产的级粉煤灰，外加剂选择了经过各种性能综合评价和与原材料的适应性试验满足要求的山西黄河化工有限公司与南京水利科学研究院生产的外加剂。
　　3温控设计
　　3.1设计参数
　　混凝土温控设计参数以混凝土试验成果为基础拟定。底板混凝土主要温控设计参数为:抗压强度30MPa；抗拉强度3.01MPa；弹性模量3.0×104MPa；极限拉伸值0.95×10-4；绝热温升Tτ=17τ/(1.85+τ)，式中，τ为℃；比热1.0kJ/(kg•℃)；导热系数9.07kJ/(m•h•℃)；线膨胀系数9.07×10-6/℃。
　　3.2温差控制标准
　　控制混凝土内外温差，避免内外温差过大而在混凝土表面形成拉力产生裂缝[3]。本工程设计要求D4与D5、D7与D9点在早期二天内任何时刻的混凝土内外温差不大于13℃。由于混凝土内部温度受外界温度影响较小降温相对较慢，而混凝土表面则受外界温度影响明显降温较快，故主要通过在闸墩模板表面加贴1cm的泡沫板来对表面混凝土进行保温。对于闸墩后浇块，由于先浇块的存在背面散热条件不良，闸墩内部温度不易散发，而正面混凝土散热较快，故主要对正面模板加厚保温层必要时另加喷灯进行加热，以减小温差。
　　4温控措施
　　4.1混凝土预冷
　　为控制闸墩混凝土最高温度，高温季节要求混凝土出机口最低温度控制在12℃以下。采取的预冷措施包括混凝土骨料预冷、加片冰或加冷水拌和等。
　　4.2控制浇筑温度
　　高温季节浇筑闸墩，混凝土浇筑温度控制在17℃以内，即要求3月～10月混凝土从出机口至上坯混凝土覆盖前的温度回升值控制在5℃以内，其他月份在4℃以内。为达到这一要求，需采取一系列控制措施:
　　（1）浇筑温度。出机口温度控制为15±3℃，尽可能降低混凝土的浇筑温度，同时要符合规范规定。
　　（2）最高温升。底板中的最高温升应控制在25℃，闸墩的最高温升应控制在20℃内。最高温升是指浇筑后混凝土达到的最高温度与浇筑温度之差。
　　（3）内外温差。底板中的最大内外温差应控制在15℃，闸墩的最大内外温差应控制在10℃内。内外温差的“内”是指混凝土中心附近或相邻两层水管之间的最高温度点处；“外”是指距离混凝土表面5cm处测点的温度。
　　（4）降温速度（以内部最高温点的温度测值为准）。在降温期的第1d～2d，温降速度指标为3℃/d，即在此期间每天的降温幅度不大于3℃；在第3d～5d，降温速度指标为1.5℃/d;第6d～15d为1℃/d。可以通过控制水管流量来控制降温速度。
　　4.3浇筑层厚和间歇时间
　　混凝土理想的浇筑方式是短间歇、均匀上升。设计要求的浇筑层厚不大于2.5m，间歇时间不少于4d。
　　4.4通水冷却
　　底板和闸墩混凝土单纯依靠天然冷却不能满足设计要求，需进行人工通水冷却。
　　4.4.1底板
　　水管冷却：铁管内径28mm。通水历时为5天，在前2天的温升时段内每隔8小时改变一次水流方向；在第3天内每半天改变一次通水方向；在第4～5天内每天改变一次水流方向。通水流量为2.44m3/h。
　　4.4.2闸墩
　　水管冷却：铁管内径38mm，通水5天。在水管开始通水后的前1-2天，通水流量4.98m3/h；在第3天，流量为2.72m3/h；在第4-5天流量减为1.81m3/h。通水换向方法同底板。
　　冷却铁管水平间距为1.5m。垂直间距一般与浇筑分层厚度一致，当浇筑层厚为3.0m时，铁管垂直间距采用1.5、1.0m(中间加铺一层或两层水管)或3.0m。与施工缝和临时缝的距离为0.8～1.5m；与孔洞的距离为1.0～1.5m。单根水管的长度不大于300m。同一仓面需要布置多条水管时,各条水管的长度应基本相当,冷却水管垂直于水流方向铁布置。
　　(2)通水一般要求。进水口水温与管外混凝土最高温度之差小于30℃；底板水管的进出口温差控制在7℃以内，闸墩水管进出口温差指标为5℃。主要是通过流量的调整来控制水管进出口的水温差。混凝土每天降温不宜大于1℃。单根冷却水管流量一般控制在1.2～1.5m3/h，水流方向每24h调换一次。
　　(3)一期通水冷却。一期通水冷却的主要目的是削减浇筑层初期水化热温升，控制混凝土温度不超过设计允许的最高值，同时削减混凝土内外温差，降低二期冷却开始时的混凝土温度，减小温度应力。混凝土下料时即开始一期通水冷却。刘家道口节制闸一期通水冷却水管入口水温为10～15℃，混凝土停浇后，即开始通河水，通水流量控制在10～15L/min，通水时间为8～12天，每3天换一次进出水口，控制混凝土降温速率不大于1℃/天。
　　(4)二期通水冷却。二期通水冷却的目的是使混凝土温度达到设计要求的温度。对当年4～10月浇筑的混凝土进行通水，每2天变换1次进水管、出水方向。9月初开始对当年5～8月浇筑的混凝土、10月初开始对当年4月和9月浇筑的混凝土、11月初对当年10月浇筑的混凝土进行中期通水，水源是河水，冷却水管通水流量控制在18～25L/min。每天通水时间不少于20h，通水1个月进行1次抽样闷温。二期冷却铁管入口处水温控制在12～16℃。混凝土实测温度与设计温度的差值控制在±0.5℃范围内，以避免较大的超温或超冷。
　　4.5温度测量
　　混凝土覆盖测温元件后即开始测温工作，24h不间断测量。测温测试频率为:第1-4d，每2h测温1次;第5-7d，每4h测温1次;第8-12d，每8h测温1次;第12d以后12h测温1次。
　　4.6温度数据分析
　　(1)选取8＃墩底板上B1、B2点和墩身上D1、D2点，对混凝土温度变化曲线进行分析，由图1、2可以看出:底板和墩身温度变化趋势一致，测点温度变化相对剧烈且波动较大，可见混凝土的温度受外界养护条件和大气气候干扰影响明显。
　　
　　图1底板温度变化曲线                                                                   图2墩身温度变化曲线
　　(2)根据温度记录，混凝土最高温升值出现在中间测点，中间测点的温度高于边缘测点的温度，角点的温度相对低。原因是混凝土的温升和散热受边界影响，混凝土间温度传递慢于混凝土与基础和空气间的温度传递，故中间部位温升值高。
　　(3)通过观察测点温度变化曲线的变化趋势，冬期施工时混凝土内部温度的最大值达36.3℃，但持续时间较短。混凝土的温度最高值一般出现在开始浇筑的第3-5d，然后开始降低，且升温段的曲线斜率大于降温段的曲线斜率，即“升快降慢”。
　　4.7养护和保护新浇混凝土
　　终凝后开始养护，暴露的侧面采用淋水养护，顶表面应覆盖持水材料，养护时间不少于28d。养护面应保持潮湿状态，避免干湿交替。
　　混凝土外露面保护是大体积混凝土温控防裂的重要手段之一[4]。除泡沫板以外的保温材料，使用时要保证50cm的搭接长度，且在它们的表面应还有压重措施。寒潮防御：在未拆模前，底板和闸墩的表面可以抵挡最大寒潮是24小时内日均气温下降18℃。在拆模后表面只有塑料膜＋土工膜时，底板和闸墩的表面可以抵挡最大寒潮是24小时内日均气温下降10℃。如果出现超过这种降幅的情况，降幅每超过4℃，应在表面多覆盖一层草垫（为防潮，草垫要盖在土工膜的下面）。例如：拆模后，如出现一天内日均气温下降14℃左右的寒潮，应在原有保温基础上再加一层草垫；如出现一天内日均气温下降18℃左右的寒潮，应在原有保温基础上再加两层草垫。控制拆模时间不少于3d，拆模后立即挂贴保护材料，当气温骤降（2-3d平均气温降低连续6℃上）时应延迟拆除保护材料。在拆模和保温材料掀除时，要选在白天高温时刻且混凝土内部最高温度与拆模时最低气温之差在20℃之内。
　　5结语
　　刘家道口节制闸混凝土已完成，经工程验证设计提出的温度控制标准是合理的；混凝土出机口温度、浇筑温度、浇筑层厚和间歇期、混凝土养护和保护、通水冷却等各个环节的温控措施是有效的。
　　
　　参考文献:
　　[1]周会敏，万亮婷，常锋，刘家道口节制闸工程混凝土质量控制[J]，杨凌职业技术学院院报，2007.6，61-63
　　[2]SL27-91,水闸施工规范[S].
　　[3]刘秉京.混凝土技术[M].北京:人民交通出版社,1998
　　[4]郭之章,傅华等.水工建筑物的温度控制[M].北京:水利电力出版社,1990.