寒冷地区碾压混凝土重力坝温控防裂研究

刘秀军

(新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司,乌鲁木齐,830000)

碾压混凝土坝因具有水泥用量少、施工高效等特点而深受工程人员的青睐,且建设规模逐步扩大[1]。碾压混凝土坝施工中可能出现坝面裂缝,为规避此类问题,需在施工中加强对温度的控制,尤其是寒冷地区或其他温度极端地区,以此来保证碾压混凝土重力坝施工作业的有效进行[2]。

1 工程概况

1.1 气候条件

某碾压混凝土重力坝工程,现场多年平均气温低,冬季长达5个月,极端最低气温-35.1℃,1月平均气温-17.1℃;夏季温度高,极端最高气温36.5℃,7月平均气温22.2℃。如何在寒冷地区有效建设碾压混凝土重力坝并保证坝体的正常使用是值得探讨的技术课题[3-4]。

1.2 原材料选取

混凝土拌制所用的原材料为:P·MH42.5级中热硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、天然砂砾石料(骨料)、工程地河水(要求水中不含有影响混凝土性能的杂物)、SK-2型缓凝高效减水剂和SK-H型引气剂(外加剂)[5]。碾压混凝土重力坝的坝体结构如图1所示。

图1 坝体结构示意

2 碾压混凝土重力坝的温度控制难点

(1)工程所在地区的气候条件恶劣,属于东北高寒地区,11月中下旬至次年3月为严寒天气,各月平均气温均为负温。受极端低温的影响,此时段不具备施工条件,伴随较长的越冬间歇,期间可能出现部分混凝土开裂的异常状况,防裂难度高。

(2)碾压混凝土重力坝所用的水泥量少,但绝热温升易在短时间内快速上升,面层散热有限,由于热量无法得到散失而出现坝体最高温度偏大的问题。并且,碾压混凝土的抗拉性能略差,防裂难度高。

(3)通仓浇筑混凝土,不设置纵缝,单体结构的尺寸大,不利于温度控制。坝体浇筑块较长,其中溢流坝段、挡水坝段、厂房坝段的长度分别达到58.07m、70.32m、73.45m,内外温差、基础温差易出现异常,从而存在强烈的温度应力,如何在此特殊条件下防控裂缝是本工程的重难点。

3 碾压混凝土重力坝裂缝的原因分析

各坝段在基础强约束区、越冬面上层混凝土的上下游表面、引水钢管外部下游面薄层周边等多个部分的混凝土均伴随强烈的拉应力,此部分力的作用明显超出混凝土可承受的拉应力极限,混凝土结构的抗裂效果差。同时,工程地处东北严寒地区,由于寒潮的存在导致现场气温偏低,随着环境温度的大幅度变化,混凝土表面产生强烈的温度拉应力,此力的作用较强,也将加速混凝土表面裂缝的出现与发展。

(1)环境温度下降时,基础强约束区受到底部基岩约束,此部位的受力表现出应力集中的特点,伴随明显的应力作用,基础强约束区有开裂的可能。

(2)越冬面上方的混凝土结构受到较强的应力作用,其中最为明显的是越冬面的上、下游侧。项目地处高寒地区,受温度条件的限制,每年11月至次年3月无法进行混凝土浇筑施工,进入4月环境温度较高时才可恢复,此时底部原本存在的混凝土仍处于低温状态,具有较大的弹性模量,而新浇部分的高温较高,底部既有混凝土产生的约束作用较强,使得此区域应力明显集中。

(3)夏季环境温度较高,坝体内部温度变化缓慢,而表面温度由于气温的升高而发生明显的变化,内外部温差大,由于温度的差异引起应力的激增,甚至超出许可范围。

(4)混凝土施工期间遇到寒潮,环境温度急剧下降,新旧混凝土的温度降低,产生强烈的应力作用。相比之下,新浇部分的抗拉强度偏低,在寒潮特殊天气环境中更易产生裂缝。

4 碾压混凝土重力坝的温控防裂措施

从混凝土配合比的优化、浇筑层厚度的控制、制冷工艺的应用、降温、加强养护等方面着手,实现对混凝土温度的有效控制,以便混凝土在合理的温度条件下有效成型,避免裂缝的产生。

4.1 注重配合比的优化,提升混凝土抗裂性能

混凝土原材料的用量发生改变后,强度、抗裂性能、温升等方面均随之变化,因此合理选择原材料并控制各类材料的用量尤为关键。混凝土配合比设计需要基于设计结果进行,采用低热大坝水泥,适当增加粉煤灰掺量,用于取代部分水泥,拌制后的混凝土应具有水化热温升低、抗拉强度高的特性,在施工过程中无异常的水化热温升问题,使成型混凝土结构具有完整性。

混凝土配合比设计是一项系统性的工作,除了考虑混凝土标号、抗渗、抗冻等关键的指标外,还需做好均质性指标的控制工作。混凝土质量管控贯穿至施工全流程中,例如拌合、运输、浇筑阶段均不可出现混凝土质量异常状况。

4.2 妥善规划施工时间,合理设计浇筑层厚度

由于浇筑时间、边界条件、约束程度的不同,大坝各部位混凝土的温度应力存在差异,妥善规划施工时间是控制温度应力的关键举措,在应力得到有效控制后,避免表面裂缝、贯穿性裂缝的出现。在本工程中,将混凝土浇筑时间段集中规划在每年的4月-5月和9月-10月,此阶段的温度适中,适宜浇筑混凝土;6月-8月的环境温度高,优先安排在阴天、早晚时段施工;禁止在高温季节及即将进入越冬期浇筑基础垫层混凝土。根据前述规划,本工程每年的施工时间仅为7个月,而为了满足工期要求,不得已在6月-8月高温季节施工,此时加强对温度的监测与控制,必须将温度稳定在合理范围内。

连续、均匀浇筑碾压混凝土,优先采取薄层、短间歇的方法。基础约束区、脱离基础约束区的浇筑层厚度分别按1.5m、3.0m控制,保证各层厚度的均匀性;遇廊道或其他特殊部位时,视结构特点适当调整浇筑层的厚度。

4.3 应用制冷工艺,降低混凝土浇筑温度

出机口温度、运输环节及仓面浇筑期间的温度均属于重点控制对象,具体做如下分析。

4.3.1 出机口温度的控制

夏季环境温度较高,混凝土出机口的温度无法满足现场浇筑的要求,因此联合采取堆场初冷、冷水拌合、风冷粗骨料的方法,将混凝土出机口的温度稳定在合理范围内。

4.3.2 仓面浇筑时混凝土温度的控制

尽可能缩短浇筑层覆盖前的暴露时间,在不影响施工质量的前提下尽快完成混凝土入仓作业;针对浇筑的混凝土做碾压处理,提升密实性,随即覆盖保温材料。为优化仓内小环境,采取仓内喷雾的方法,适度提高仓内的湿度。

4.3.3 布设冷却水管,通水冷却降温

溢流坝段基础强约束区,按水平间距0.75m、层间距1.5m布设冷却水管;挡水坝段和发电引水坝段基础强约束区,按照水平间距1.0m、层间距1.5m布设冷却水管;其他部位,冷却水管的水平间距和层间距均取1.5m。

冷却水管布设到位后,在新浇筑混凝土时通水,利用冷水降低混凝土的温度。冬季环境温度较低,尽可能减小混凝土的内外部温差,对于6月-8月高温季节浇筑的混凝土,在10月下旬至11月上旬做二次通水冷却,减小混凝土内外部温差,保证混凝土安全过冬。水管通水流量15L/min～20L/min,通水冷却水温稳定在10℃～12℃,每24h互换一次进出水方向,通水时间持续15d～20d。

4.4 加强混凝土内外温差控制,有效防护混凝土表面

4.4.1 临时保温

大坝施工遇到寒潮,恶劣环境对混凝土结构产生严重的影响,施工时覆盖2cm的聚氨酯保温被,减小低温环境对混凝土结构的影响。

4.4.2 永久保温

重点针对坝体的上、下游表面采取永久保温措施。上游面的保温采用聚氨酯防渗涂层+XPS板+防腐面漆的综合方案;下游面保温采用XPS板+涂抹预裂聚合物砂浆+耐碱网格布的方案。

引水坝段下游面引水钢管外部有薄层混凝土,此部分结构存在较强的拉应力作用,受力的影响,易产生表面裂缝。从结构的组成来看,以钢筋和混凝土为主,缺乏足够的抗裂能力,为使结构有效成型,建议采取永久保温措施。考虑到雨水、冰雪融水可能侵蚀结构内部的情况,在表面涂刷防护材料,主动减小水对结构的侵蚀作用。

4.4.3 越冬面的保温

越冬面采用等效放热系数为29.79kJ/(m2·d·℃)的XPS板,厚度控制在8cm。首先,向越冬面铺设0.6mm的塑料薄膜,再于上方设置XPS板,最后于外侧设三防帆布。由于风力作用较强,越冬面的保温材料可能被吹散,因此保温后采取防风加固措施。

至于何时揭开越冬面保温层是寒冷地区大坝工程施工中的重难点。若揭开时环境温度偏低,将导致混凝土与环境产生明显的温差,外界环境中“冷击”作用影响混凝土,尤其是表面,可见越冬顶面出现裂缝;若揭开时间偏迟,此时环境温度较高,混凝土温度与环境温度的差值得到有效的控制,但施工工期延长,对于工期本就吃紧的项目而言并不具有可行性。因此,以适中的原则控制越冬面保温层的揭开时间,宜在环境温度等于或高于越冬顶面混凝土温度时进行此项操作,此时在减小环境“冷击”作用的同时还能够缩短工期,兼顾工程质量和效率的要求。

5 结语

综上所述,碾压混凝土坝的施工重难点丰富,项目建设在高寒地区时,由于环境因素的影响,工程难度随之增加。在寒冷地区施工碾压混凝土重力坝时,施工单位需明确环境特征,做好温度控制和防裂工作,建设质量可靠的碾压混凝土重力坝。经过本文有关工程实例的分析,提出一些温控防裂措施,希望对同仁有参考作用。