孫娟娟，張 兵

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

1 工程背景

某水電站是一座以發(fā)電為主的綜合性小型徑流式水電站，主要由攔河壩、溢洪道以及引水發(fā)電系統(tǒng)構成。其中，水庫大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩壩型設計，其壩頂高程為497.0m，最大壩高65.5m，電站的裝機總容量為2×2500kW。水電站的溢洪道布置在拱壩河床部位中部，為弧形鋼閘門控制的溢流堰泄流方式。其具體工程布置為沿大壩拱圈徑向布置4孔溢洪道，單孔凈寬12.0m，堰頂高程為488.0m。每孔溢洪道之間設置1扇弧形閘門，在相鄰溢洪道之間設置一道橫縫，整個溢洪道被設置的橫縫劃分為5個壩塊。對水庫大壩實施全斷面碾壓混凝土澆筑，自下而上澆筑至484.1m 高程后，在 1#、2#橫縫部位，也就是邊墩與壩體碾壓混凝土結合處開始安裝模板，澆筑非溢流壩壩體，此處即為溢洪道與大壩非溢流壩段分界點，澆筑過程中采用C30混凝土[2]。由于大壩溢洪道混凝土為大體積混凝土結構，澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱不易散失，并產(chǎn)生較大的溫度應力[3]。因此，研究不同溫控措施對混凝土的溫度應力的影響，并選擇最為科學的溫控防裂方案，對工程的順利建成和安全運行具有重要意義?；诖耍舜窝芯客ㄟ^現(xiàn)場試驗的方式，對入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內(nèi)部的溫度和應力的影響展開分析，以便為類似工程施工提供必要的經(jīng)驗和技術支持。

2 試驗設計

2.1 試驗概況

此次現(xiàn)場試驗選擇大壩溢洪道混凝土澆筑施工現(xiàn)場進程，試驗壩塊選擇的是1號壩塊。試驗的目的是對澆筑過程中混凝土內(nèi)部的溫度和應力進行實時測量，通過溫度和應力變化，對各種溫控措施進行評價和參數(shù)優(yōu)化。試驗的主要內(nèi)容是將溫度和應力的探頭提前埋入混凝土結構內(nèi)部的指定位置，在混凝土澆筑施工完成之后，利用埋設的儀器進行溫度和應力的測量，并記錄好相應的數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)測采用的是JDC-2型電子測溫儀，該儀器是大體積和冬季施工混凝土測溫的專用儀器，由主機和溫度傳感器兩部分構成，可以直接顯示測點溫度，使用簡單、操作便捷，僅用一臺主機即可實現(xiàn)所有測溫點的溫度采集，可以顯著降低試驗費用和人力投入。為了保證溫度測量的準確性，每個溫度傳感器在埋設之前均應該進行標定，在埋設之前應該固定好傳感器，保證測溫探頭不與鋼筋接觸，在澆筑施工過程中應該盡量小心，避免溫度探頭出現(xiàn)移動、脫落和損壞。

混凝土內(nèi)部應力采用振弦傳感器進行測量，該系統(tǒng)主要由控制器、信號采集線路、人機交互界面以及通信接口和電源模塊組成。傳感器從上游到下游依次布置，并保證所有關鍵部位的應力都能獲得有效的監(jiān)控。其中上游測點距離上游壩面4m，下游測點距離下游壩面3m。

2.3 試驗方案

相關研究表明，入倉溫度對大體積混凝土的溫控防裂具有重要影響，如果入倉溫度過高，不僅對混凝土澆筑后期的內(nèi)部溫度有影響，還會造成最大溫度應力提前出現(xiàn)，從而增加溫度裂縫的風險[8]。但是，一味降低入倉溫度，也有諸多不利之處，特別是較低的入倉溫度會對下層混凝土造成明顯的“冷擊”，造成拉應力裂縫?；诖耍Y合工程實際，設計出不同的外界環(huán)境和入倉溫度試驗方案，結果見表1。

表1 入倉溫度計算方案

大體積混凝土的溫度裂縫主要表現(xiàn)為表面裂縫。因此，有必要采取科學、合理的表面溫控措施。但是，如果采取過量的表面溫控措施，不僅不利于大體積混凝土內(nèi)部的結構散熱，還會進一步提升經(jīng)濟成本?；诖?，結合相關領域的研究成果，設計出如表2所示的混凝土表面溫控措施試驗方案。

表2 保溫措施計算工況設計

大體積混凝土的澆筑層厚也是影響溫度裂縫效果的重要因素，結合工程實際，設計1.0、1.5、2.0m三種不同的澆筑層厚進行試驗，分別記為方案20、方案21和方案22。

3 試驗結果與分析

3.1 入倉溫度的試驗結果與分析

采用現(xiàn)場試驗的方式，對不同入倉溫度試驗方案下的混凝土內(nèi)部的溫度和應力進行試驗，提取出試驗結果的最大值，詳見表3。由試驗數(shù)據(jù)可知，隨著入倉溫度和環(huán)境溫差的增大，混凝土內(nèi)部的第一主應力呈現(xiàn)出增大的特點，而第三主應力呈現(xiàn)出減小的特點。具體來看，當環(huán)境溫差小于5℃時，第一主應力的增大幅度相對較小，當環(huán)境溫差大于5℃時，第一主應力的增加比較迅速。因此，在大體積混凝土的澆筑施工過程中，需要時刻關注施工現(xiàn)場的氣候特點和天氣變化情況，及時調(diào)整混凝土的入倉溫度，使之與環(huán)境溫度之間的差值控制在5℃以內(nèi)。

表3 不同入倉溫度方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應力最大值

3.2 表面保溫措施的試驗結果與分析

采用現(xiàn)場試驗的方式，對不同表面溫控措施試驗方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應力進行試驗研究，并從試驗數(shù)據(jù)中提取其最大值，結果見表4。由試驗結果可知，隨著表面溫控措施的強化，混凝土內(nèi)部的最高溫度呈現(xiàn)出不斷升高的變化特征。究其原因，主要是表面溫控措施，對混凝土內(nèi)部的環(huán)境散熱產(chǎn)生了明顯的抑制作用，因此混凝土內(nèi)部的溫度明顯升高。從具體的計算結果來看，第三主應力的最大值在2.5MPa左右，顯著低于C30混凝土的抗壓強度值，因此不會產(chǎn)生抗壓破壞。從第一主應力的試驗結果來看，方案13、方案14、方案15的第一主應力最大值較大，已經(jīng)超過C30混凝土抗拉強度設計值，而方案17、方案18和方案19的第一主應力最大值已經(jīng)十分接近C30混凝土的抗拉強度設計值。由此可見，方案17的表面溫控措施最為有利。也就是說，在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內(nèi)部設置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。采取上述表面保溫措施，不僅可以有效降低表面開裂的風險，同時施工簡單，施工成本也相對較低。

表4 不同表面溫控措施方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應力最大值

3.3 澆筑層厚的試驗結果與分析

采用現(xiàn)場試驗的方式，對不同澆筑層厚試驗方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應力進行試驗研究，并從試驗數(shù)據(jù)中提取其最大值，結果見表5。由試驗結果可知，隨著澆筑層厚的增加，混凝土內(nèi)部的最高溫度和應力值均呈現(xiàn)出先減小后增大的特點，當采用方案21，也就是澆筑層厚為1.5m時，混凝土內(nèi)部的應力和溫度控制效果最佳，當然可以獲得最好的溫度裂縫控制效果。

表5 不同澆筑層厚方案下的混凝土內(nèi)部溫度和應力最大值

4 結論

此次研究以某水電站混凝土重力壩為例，利用現(xiàn)場的方法，研究了混凝土入倉溫度、表面保溫措施以及澆筑層厚對混凝土內(nèi)部溫度和應力的影響，并獲得如下主要結論：

(1)當溫差小于5℃時，隨著溫差的增大，第一主應力的增大幅度較為有限，當溫差大于5℃時，增加的速率較為迅速，建議將入倉溫度和環(huán)境溫度之差控制在5℃以內(nèi)。

(2)在大體積混凝土的施工過程中，可以在施工模板內(nèi)部設置厚度為2cm的聚乙烯泡沫保溫板。

(3)隨著澆筑層厚的增加，混凝土內(nèi)部的最高溫度和應力值均呈現(xiàn)先減小后增大的特點，當澆筑層厚為1.5m時，混凝土內(nèi)部的應力和溫度控制效果最佳，獲得最好的溫度裂縫控制效果。