陳佳培 任 磊 郭九春

(南京市水利建筑工程有限公司,江蘇 南京 210000)

大體積混凝土由于水泥水化熱較高,其自身散熱效果往往滿足不了設(shè)計(jì)要求,需要有效控制大體積混凝土內(nèi)部溫度,才能保證水工建筑物安全運(yùn)行。目前國內(nèi)有不少大體積混凝土建筑物因內(nèi)部溫度過高而產(chǎn)生溫度應(yīng)力,并進(jìn)一步發(fā)展形成溫度裂縫,最終影響到結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性及穩(wěn)定性。大藤峽船閘工程混凝土澆筑總量達(dá)到160萬m3,僅僅通過工程前期設(shè)計(jì)推薦混凝土配合比熱、力學(xué)復(fù)核試驗(yàn)及施工過程采取的保溫覆蓋舉措,無法完全降低如此巨大的水化熱。本工程通過預(yù)埋在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的冷卻水管進(jìn)行分期通水冷卻,并根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度測量結(jié)果,及時(shí)調(diào)整通水流量和通水方向,高溫季節(jié)控制混凝土溫度降幅小于0.7℃/d,低溫季節(jié)控制混凝土溫度降幅小于0.5℃/d,達(dá)到有效保證混凝土塊體均勻冷卻的目的。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端,壩址在廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6km處,地理坐標(biāo)為東經(jīng)110°01′,北緯23°28′,是紅水河梯級規(guī)劃中最末一個(gè)梯級[1]。

單級船閘布置于左岸,由上游引航道、船閘主體段及下游引航道組成。船閘主體段包括上閘首、下閘首、閘室三部分,全長385m,本橫向結(jié)構(gòu)縫沿閘軸線分為19段[2]。上閘首長58.8m,共1段,被3道縱向結(jié)構(gòu)縫分為4塊;下閘首長58m,共2段,每段被縱向結(jié)構(gòu)縫分為3塊;閘室長度268.2m,共16段,每段被縱向結(jié)構(gòu)縫分為3塊[3]。

船閘主體基礎(chǔ)采用C25W8F100三級配混凝土,厚度3.0m;船閘主體段墻體迎水面及背水面結(jié)構(gòu)混凝土采用C25W8F100三級配混凝土,厚度3.0m;輸水系統(tǒng)周圍混凝土采用C35W8F100二級配抗沖耐磨混凝土,厚度1.0m;人字門作用線處、人字門門龕及檢修門槽混凝土采用C30W8F100二級配混凝土,船閘主體段墻體內(nèi)部采用C20W4F50三級配普通混凝土[4]。

黔江流域地處我國低緯度地帶,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),大部分地區(qū)的氣候特點(diǎn)是春季陰雨連綿,雨日較多;夏季高溫濕熱,暴雨頻繁;秋季常受臺(tái)風(fēng)入侵影響;冬季嚴(yán)寒天氣很少。流域多年平均氣溫14～22℃,其中上游地區(qū)一般為14～18℃,中、下游地區(qū)一般為17～22℃[5]。壩址附近多年平均氣溫21.5℃,極端最高氣溫39.2℃,極端最低氣溫-3.3℃[6]。

根據(jù)武宣水文站資料統(tǒng)計(jì),庫區(qū)黔江水溫,全年都在13℃以上,歷史上從未出現(xiàn)過冰凌,年平均水溫21.3℃,與年平均氣溫接近,歷年最高水溫30℃。年平均氣溫及庫區(qū)黔江水溫特征值統(tǒng)計(jì)(桂平氣象站)見表1[7]。

表1 年平均氣溫及庫區(qū)黔江水溫特征值統(tǒng)計(jì)

2 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

船閘主體部位溫度控制指標(biāo)主要包括基礎(chǔ)溫差、上下層溫差、內(nèi)外溫差及容許最高溫度[8]。

2.1 基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)溫差是指基礎(chǔ)約束區(qū)范圍內(nèi),混凝土的最高溫度與該部位溫度之差[9]。本工程混凝土基礎(chǔ)溫差的控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 基礎(chǔ)溫差控制標(biāo)準(zhǔn) 單位:℃

2.2 上、下層溫差標(biāo)準(zhǔn)

上、下層溫差是指在老混凝土面上、下各1/4塊范圍內(nèi),上層新澆混凝土的最高平均溫度與開始澆筑混凝土?xí)r下層老混凝土的平均溫度之差[10]。本工程混凝土上、下層溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為15℃[11]。

2.3 內(nèi)、外溫差標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)、外溫差是指混凝土內(nèi)部最高溫度與混凝土表面溫度之差,本工程混凝土內(nèi)外溫差的控制標(biāo)準(zhǔn)為15℃[12]。

2.4 容許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)基礎(chǔ)溫差要求和溫控仿真計(jì)算,本工程混凝土容許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 容許最高溫度控制標(biāo)準(zhǔn) 單位:℃

3 分期通水冷卻技術(shù)方案

3.1 分期通水設(shè)計(jì)

本工程針對不同時(shí)序澆筑的混凝土進(jìn)行分期通水冷卻,其中高溫季節(jié)(4—10月)澆筑的混凝土采用兩期通水[13],低溫季節(jié)(11月—次年3月)澆筑的混凝土采用一期通水。

高溫季節(jié)一期通水在混凝土澆筑開始時(shí)即開始,連續(xù)通水時(shí)間不小于20d,通水目標(biāo)溫度見表4?；炷羶?nèi)部溫度與通水水溫之差不超過25℃,混凝土升溫過程中通水流量不小于1.5m3/h,并可適當(dāng)加大通水流量,每24h改變一次水流方向,使混凝土塊體均勻冷卻[14]?；炷两禍剡^程中,根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度測量成果,及時(shí)調(diào)整通水流量,控制混凝土溫度降幅小于0.7℃/d。每年10月下旬至11月上旬對當(dāng)年高溫季節(jié)(4—10月)澆筑的船閘混凝土進(jìn)行二期通水冷卻,通水時(shí)間不小于30d,混凝土內(nèi)部溫度與通水水溫之差不超過20℃,通水冷卻流量為1.5m3/h,每24h改變一次水流方向,使混凝土塊體均勻冷卻,混凝土溫度降幅小于0.7℃/d。

表4 通水冷卻規(guī)劃

低溫季節(jié)混凝土澆筑開始時(shí)即開始通水,連續(xù)通水時(shí)間不小于20d。混凝土內(nèi)部溫度與通水水溫之差不超過25℃,混凝土升溫過程中通水流量不小于1.5m3/h,并可適當(dāng)加大通水流量,每24h改變一次水流方向,使混凝土塊體均勻冷卻[15]。混凝土降溫過程中,根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度測量成果,及時(shí)調(diào)整通水流量,控制混凝土溫度降幅小于0.5℃/d。

3.2 冷卻水需用量核算

混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)提高后,通水水溫相應(yīng)降低?；炷烈黄凇⒍谕ㄋ璨捎弥评渌?冷卻水需水量為一期通水及二期通水之和。

根據(jù)混凝土月施工強(qiáng)度,2018年4—10月混凝土計(jì)劃澆筑總量約57萬m3,其中上閘首約11.0萬m3,閘室及下閘首約46.0萬m3;2018年11月混凝土計(jì)劃澆筑量約為4.7萬m3。

冷卻水管布置間距為1.5m×1.5m(水平間距×垂直間距),折算后每方混凝土對應(yīng)冷卻水管長度約0.45m。為此,冷卻水管總折算長度如下:

a.上閘首二期通水冷卻水管總長度為11.0×0.45=4.95萬m。

b.閘室及下閘首二期通水冷卻水管總長度為46.0×0.45=20.7萬m。

c.2018年11月一期通水冷卻水管總長為4.7×0.45=2.115萬m。

相加后,上閘首高峰期冷卻水管總長度為4.95萬m,閘室及下閘首高峰期冷卻水管總長度為22.815萬m。

混凝土一期、二期通水冷卻流量均不小于1.5m3/h,計(jì)算時(shí)按1.5m3/h取值。單根循環(huán)蛇形水管長度不大于250m,計(jì)算時(shí)均按250m取值。因此,冷卻水高峰需用量計(jì)算如下:

a.上閘首冷卻水高峰需用量為4.95÷0.025×1.5=297m3/h。

b.閘室及下閘首冷卻水高峰需用量為22.815÷0.025×1.5=1368.9m3/h。其中高峰期間,一期冷卻通水用水量為126.9m3/h,二期冷卻通水用水量為1242m3/h。

3.3 冷卻設(shè)備容量計(jì)算及選型

根據(jù)上述分析,船閘主體部位冷卻通水高峰期主要在10—11月,根據(jù)黔江水溫觀測資料統(tǒng)計(jì)成果(桂平氣象站),取黔江水溫21℃。期間,一期冷卻通水水溫取10℃,二期通水水溫取15℃。冷卻通水高峰期設(shè)備容量采用下式計(jì)算:

Q=CVγt

式中:Q為設(shè)備制冷容量,萬kcal/h;C為水的比熱容,4.2kJ/(kg·℃)=1kcal/(kg·℃);V為流量,m3/h;γ為水的比重,1×103kg/m3;t為溫度變化值,℃。

a.上閘首設(shè)備制冷容量為:

Q=1×297×1000×(21-15)=178.2萬kcal/h=2072.1kW;

b.閘室及下閘首設(shè)備制冷容量為:

Q1=1×126.9×1000×(21-10)=139.6萬kcal/h;

Q2=1×1242×1000×(21-15)=745.2萬kcal/h;

Q=Q1+Q2=884.8萬kcal/h=10288.4kW。

根據(jù)制冷設(shè)備容量及冷卻水流量進(jìn)行設(shè)備選型,具體見表5和表6。

表5 擬選冷水機(jī)組主要參數(shù)

表6 船閘主體部位冷水機(jī)站配置

4 分期通水冷卻方案實(shí)施

4.1 冷卻通水機(jī)站布置

根據(jù)冷卻水供應(yīng)需要及現(xiàn)場實(shí)際情況,本工程共布置2臺(tái)冷卻水機(jī)站,基礎(chǔ)采用C20混凝土澆筑,單臺(tái)機(jī)組基礎(chǔ)平面尺寸為4.5m×13.5m(寬×長)。1號(hào)機(jī)站布置于上游引航道航槽,站內(nèi)設(shè)置1臺(tái)360m3/h及1臺(tái)90m3/h冷水機(jī)組,總供水能力為450m3/h,主要用于船閘上閘首一期及二期通水冷卻;2號(hào)機(jī)站布置于下游引航道航槽,站內(nèi)布置4臺(tái)360m3/h及1臺(tái)180m3/h冷水機(jī)組,總供水能力為1620m3/h,主要用于閘室及下閘首一期及二期通水冷卻。

4.2 機(jī)站供電

考慮機(jī)站負(fù)荷較大,擬采用獨(dú)立供電方式,在1號(hào)及2號(hào)冷卻通水機(jī)站附近分別布置一個(gè)變配電站,其中1號(hào)冷卻通水機(jī)站變配電站內(nèi)配置1臺(tái)1000kVA變壓器進(jìn)行供電,2號(hào)冷卻通水機(jī)站變配電站內(nèi)配置2臺(tái)2000kVA變壓器進(jìn)行供電。

4.3 主供水管道布置

冷卻通水主供水管道采用DN400及DN200保溫鋼管,其中DN400保溫鋼管用于機(jī)組端連接機(jī)組自身管道及DN200主供水管。DN200保溫主供水管分期布置,具體如下。

4.3.1 1號(hào)機(jī)站DN200主供水管布置

a.一期布置:DN200保溫主供水管順上游引航道航槽(靠左導(dǎo)航墻側(cè))鋪設(shè)至上閘首上游23.0m高程平臺(tái),并沿23.0m高程平臺(tái)橫向鋪設(shè)。該期采用“一進(jìn)一回”布置,共計(jì)2根DN200主供水管,主要用于上閘首42.5m高程以下供水。

b.二期布置:DN200保溫主供水管順上游引航道航槽(靠右導(dǎo)航墻側(cè))鋪設(shè),并沿上閘首端面墻體爬升至棧橋,沿37.0m高程棧橋橫向鋪設(shè),該期采用“一進(jìn)一回”布置,共計(jì)2根DN200主供水管,主要用于上閘首44.0～56.0m高程供水。

c.三期布置:DN200保溫主供水管順上游引航道航槽(靠右導(dǎo)航墻側(cè))鋪設(shè),并沿上閘首端面墻體爬升至棧橋,沿51.0m高程棧橋橫向鋪設(shè),該期采用“一進(jìn)一回”布置,共計(jì)2根DN200主供水管,主要用于上閘首57.5～65.0m高程供水。

4.3.2 2號(hào)機(jī)站主供水管布置

2號(hào)機(jī)站DN400保溫主供水管沿船閘左側(cè)25.0m高程馬道鋪設(shè)至航上0+359.0處,再接DN200保溫主供水管進(jìn)行供水,DN200保溫主供水管分四期布置。

a.一期布置:DN200主供水管沿邊坡下鋪至3.45m高程,并沿下閘首端頭橫向鋪設(shè),再沿底板3.45m高程鋪設(shè)至上閘首下游端,主供水管采用“一進(jìn)一回”布置,單趟2根DN200供水管,底板左、右側(cè)各1趟。

b.二期布置:DN200主供水管沿邊坡下鋪至13.95m高程,并沿下閘首端頭橫向鋪設(shè),再沿邊墻(墩)13.95m(或14.95m)高程平臺(tái)鋪設(shè)至航下0+019.5處,主供水管采用“兩進(jìn)兩回”布置,單趟4根DN200供水管,左右邊墻(墩)各1趟。

c.三期布置:DN200主供水管沿下閘首下游端面爬升至32.0m高程,在沿航槽側(cè)32.0m高程棧橋鋪設(shè)至航下0+32.8處,主供水管采用“兩進(jìn)兩回”布置,單趟4根DN200供水管,左右邊墻(墩)各1趟。

d.四期布置:DN200主供水管沿船閘左右側(cè)邊坡或填筑體爬升至墻后49.5m高程填筑平臺(tái),并沿平臺(tái)鋪設(shè)至航下0+32.8處,主供水管采用“一進(jìn)一回”布置,單趟2根DN200供水管,左右側(cè)各1趟。

船閘主體部位冷卻通水主供水管布置見圖1～圖3。

圖1 船閘主供水管縱剖圖

圖3 下閘首主供水管橫剖圖

4.4 倉內(nèi)通水冷卻管布置

船閘主體部位混凝土布置通水冷卻管,水管間距1.5m×1.5m(垂直間距×水平間距),材質(zhì)為高強(qiáng)度聚乙烯塑料管。倉內(nèi)通水冷卻主管管徑為40mm,支管管徑為32mm,每根主管上并聯(lián)的支管數(shù)量不得多于2根,單根蛇形支管長度不大于250m。主管與上引管、主管與支管采用塑料套筒連接。倉內(nèi)冷卻水管采用蛇形布置,水管距迎水壩面2.0～3.0m,距背水壩面1.5～2.5m,距橫縫及船閘內(nèi)部孔洞周邊1.0～1.5m,距基巖面或老混凝土面不小于0.3m。當(dāng)?shù)谝粚永鋮s水管布置在混凝土面上時(shí),由測量工根據(jù)冷卻水管布置詳圖在倉面放樣,預(yù)埋固定冷卻水管的鐵件。第二層冷卻水管直接埋在剛施工的混凝土層面上,鋪設(shè)好后用40cm長的鋼筋U形卡將冷卻水管固定在層面上。

4.5 棧橋、垂直固定支架及通道布置

棧橋采用三角支架支撐,支架間距3.0m,支架尺寸2.3m×3.2m或3.3m×4.2m,支架采用多卡模板定位錐進(jìn)行固定,支架上鋪設(shè)型鋼及鋼板網(wǎng),形成通道。主供水管道順混凝土面垂直上引段采用垂直支架進(jìn)行固定,支架間距3.0m,利用多卡模板定位錐進(jìn)行固定,棧橋在通水冷卻管灌漿封堵及混凝土面修補(bǔ)完成后拆除。

5 分期通水冷卻效果檢查

船閘每個(gè)倉面埋設(shè)3支,第1天至第7天,每4h測溫1次;第8天至28天,每8h測溫1次;第28天以后,每12h測溫1次。對埋設(shè)冷卻水管部位輔助采用悶水測溫,悶水時(shí)間為4～5d。悶水測溫采用壓縮空氣將管內(nèi)積水緩慢吹出,用水桶盛水測溫,選定層的每根水管單獨(dú)測量,每根水管的水溫取多桶水溫的平均值作為測量結(jié)果。2018年4月至2019年3月船閘主體段通水冷卻平均溫度具體見圖4。

圖4 2018年4月至2019年3月船閘主體段通水冷卻平均溫度

6 結(jié) 語

廣西大藤峽船閘工程混凝土澆筑量大、澆筑強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程建設(shè)過程通過分期通水冷卻,對混凝土內(nèi)部最高溫度、混凝土內(nèi)部溫度降溫速率、通水冷卻溫差、混凝土內(nèi)外溫差、新老混凝土上下層溫差等進(jìn)行過程控制,及時(shí)針對異常、超標(biāo)數(shù)據(jù)采取控溫措施,富有成效地降低了水化熱,按期實(shí)現(xiàn)了通航要求。船閘運(yùn)行至今混凝土表面僅發(fā)生少量裂縫,混凝土表觀質(zhì)量良好,本工程溫控技術(shù)研究成果對后續(xù)類似工程大型船閘施工提供了良好的借鑒實(shí)例。