探讨周公宅水库双曲拱坝混凝土防裂温控措施

中国水利水电建设工程咨询西北公司 张新强 张小明 耿东升###。

【摘要】周公宅水库混凝土双曲拱坝坝高125.5m，温控要求较高，施工过程中结合工程所在地的气候特点及工程实际，采取有针对性的温控防裂措施，未发生危害性裂缝，表面浅层裂缝也较少，效果明显，本文对施工中的温控经验和教训进行总结。

宁波市周公宅水库工程位于浙江省宁波市鄞州区章水镇皎口水库上游约15km处，设计总库容1.12亿m³是一座供水、防洪结合发电等综合利用的大（Ⅱ）型水利枢纽工程。水库主要建筑物拦河坝为混凝土双曲薄拱坝，最大坝高125.5m，底部最大厚度26.5m，厚高比0.21，为华东地区第一高拱坝。由于拱坝坝体较薄，应力状态也较复杂，对施工期的温控及防裂要求较高。周公宅水库在施工中结合工程的特点，有针对性地采取温控防裂措施，施工过程中未发生危害性裂缝，表面浅层裂缝也较少，蓄水后运行情况良好。本文对施工中的温控经验和教训进行总结。

坝址区属典型的亚热带季风气候，温暖多雨，四季分明，全年雨量充沛，日照充足。据统计，流域多年平均将水量1829mm。流域降水主要为台风暴雨和局部雷阵雨，其中台风暴雨是本流域大洪水的主要成因。坝址区多年平均气温16.3℃，月平均最高气温32.4℃（7月份），月平均最低气温0.8℃（l月份），极端最高气温38.6℃，极端最低气温-11.1℃，坝址气温特性见表1，气温骤降见表2。多年平均相对湿度为81%，多年平均风速2.7m/s，最大风速19.7m/s（8月份，风向NNE）。

表1 坝址区气温特性表（单位：℃）###。

表2 气温骤降表（单位：℃）###。

注：统计资料所选区间为1953年1月1日~2002年12月31日，共计50年。

由以上气象统计资料可以看出，工程所在地虽然气候温和，但是气温骤降较频繁，而且一日当中温度变化也较大，呈明显的山区气候特点。另外，由于本工程拱坝坝体较薄，对温度变化较敏感，为了保证坝体质量，减少温度裂缝，温度控制及防裂措施尤为重要。

为了保证拱坝大体积混凝土质量，减少裂缝的产生，根据有关规范及应力状况等，设计对施工过程中不同部位提出了温度控制的技术要求，为施工过程中的控制提供了依据。

拱坝的大体积混凝土分为以下两区：

Ⅱ区（强约束区）混凝土是指距基岩0.2L以内的混凝土，Ⅱ区（一般约束区）混凝土是指距基岩0.2L~0.4L范围内的混凝土，L为浇筑块的长边。

除Ⅰ区、Ⅱ区混凝土以外的混凝土为非约束区混凝土。

I区混凝土浇筑层最大允许厚度为，1.5m，Ⅱ区和非约束区混凝土浇筑层最大允许厚度为3.0m。

Ⅰ区混凝土浇筑温度7、8、9月不能超过16℃，其它季节不能超过18℃；Ⅱ区和非约束区混凝土浇筑温度7、8、9月不能超过20℃，其它季节不能超过22℃，并应尽量避免在高温时段浇筑强约束区混凝土。

坝体设计封拱温度以ELl 15~137.EL137~197、EL197~240分为三个区，封拱温度自下而上分别为13℃、14℃、15℃。

在冷却过程中，每层混凝土平均温度下降速率不应超过/d。

表3 拱坝混凝土基础容许温差表（单位：℃）###。

脱离基础约束区浇筑区块上下层混凝土允许温差为20℃。

为了防止发生表面裂缝，必须对混凝土的内外温差进行控制，允许内外温差为：0~0.4L范围内为22℃，大于0.4L为25℃。

坝体最高温度不应超过下表的规定。

表4 坝体允许最高温度部位（单位：℃）###。

非约束区混凝土最高温度不应超过40℃。

混凝土施工中，各坝块应均匀上升，相邻坝块高差不应大于10m~12m，最高坝块和最低坝块高差不应超过15m。

为了满足设计要求的温度控制标准，大体积混凝土工程施工在温度控制方面采用的主要措施为：降低混凝土水化热温升、降低混凝土浇筑温度、优化施工程序、原材料预冷、混凝土内冷却水管通水人工冷却和表面喷水养护等，实际过程控制的内容和措施如下：

混凝土温度升高的主要内因是混凝土在强度增长的硬化过程中，由于水泥水化发热，使混凝土温度升高。不同结构部位的混凝土，根据设计要求，在分别满足骨料最大粒径、抗压、抗渗、抗冻、抗裂（拉）等要求及满足施工和易性前提下，应在选定配合比时考虑采用适当的措施，合理降低水泥用量是降低混凝土最高温升最有效的措施之一。

混凝土配合比设计，在满足设计要求的强度抗渗、抗冻、抗裂等各项耐久性指标的前提下，应选择最小的胶材用量，按照有关规程、规范的规定，最大限度地掺加优质粉煤灰，更多地减少水泥用量，以降低混凝土水化热温升。

周公宅拱坝混凝土施工所用水泥为P.O42.5尖峰普通硅酸盐水泥，粉煤灰为北仑电厂H级粉煤灰，减水剂为龙游ZB-I系列，引气剂为上海枫杨实业有限公司SJ-2型。根据季节变化，对外加剂的性能及时调整，进入夏季，使用缓凝型减水剂，保证混凝土的允许间歇时间满足施工工艺要求，同时延缓水泥水化的放热速率，有利混凝土散热，降低混凝土温升。

由于受当地水泥品种限制，没有中热大坝水泥供选择，但在水泥招标采购时对水泥水化热提出了限制，即7天水化热不大于293KJ/kg，相当于中热水泥的水化热标准要求。

通过试验，选定的混凝土施工配合比如下：

表5 拱坝混凝土施工配合比###。

在混凝土配合比确定的前提下，为了控制混凝土的最高温度，必须降低混凝土的浇筑温度。采取的措施有以下几个方面：

设计要求的混凝土浇筑温度：Ⅰ区混凝士，7、8、9三个月不能超过16℃，其它月份不能超过18℃，相应出机口温度应在12℃~14℃；Ⅱ区和Ⅲ区混凝土，7、8、9三个月不能超过20℃，其它月份不能超过22℃，相应出机口温度应在16℃~18℃。在生产混凝土时如不能满足设计要求，应采取相应预冷措施。

（1）骨料预冷。

骨料每降温1℃，混凝土可降低温度0.6℃，混凝土中骨料用量相对较高，对成品料仓及成品料仓至拌和楼的皮带采取遮阳措施，避免骨料被阳光直晒，同时对骨料进行冷风预冷，降低混凝土出机口温度比较明显。

（2）低温水和加冰拌和混凝土。

当拌和楼出机口混凝土温度达不到要求时，拌和系统应采用冷水拌和混凝士，高温季节出机口混凝土温度仍达不到12℃要求时，受拌和水总量的控制，须加片冰（-8℃）拌和，控制出机口混凝土温度在12℃以下。(www.xing528.com)

为减少预冷混凝土温度回升，严格控制混凝土运输、吊运入仓、平仓振捣和仓面覆盖前的暴露时间。采取如下措施：

（1）防晒和隔热设施——

①混凝土罐等运输工具侧壁设隔热遮阳设施。

②浇筑仓面边浇筑边铺设保温被，避免混凝土直接暴晒于阳光下。

③采用喷雾等方法降低仓面气温。通过试验对比，在仓面周围通过喷雾可使小环境湿度增大，减少混凝土表面水分蒸发，同时可使气温降低3℃~5℃。

（2）改善施工管理——

①根据夏季混凝土浇筑强度计划，调整施工时段，避免白天高温时段进行浇筑作业，力争每仓在每日16时左右开盘至次日10时结束。

②做好施工准备，加强混凝土拌制、运输、入仓震捣等各环节的协调管理，减少干扰，提高浇筑强度，缩短浇筑覆盖时间，浇筑面覆盖时间不应大于3小时。

混凝土浇筑层厚、层间间歇时间及相邻坝块高差控制，以及加强混凝土养护，对防止混凝土温度裂缝具有重要作用，施工中应严格执行设计和技术规范的规定。

控制混凝土浇筑层厚度的目的是为了便于混凝土内部热量散发，降低混凝士内部温度。根据不同部位的设计和规范有不同的要求：Ⅰ区（强约束区）最大浇筑层厚1.5m，Ⅱ区和非约束区最大允许浇筑层厚3.0m，但在特殊条件下，应灵活掌握。如在2004年6月份之前由于制冷系统尚未投入运行，4月底混凝土最高温度已超过40℃，监理工程师根据实际情况，非约束区也要求按1.5m层厚进行浇筑，观测结果表明混凝土的最高温度控制在36℃左右，满足设计的最高温度要求，效果非常明显。

层间允许间歇时间一方面是为了保证已浇混凝土有一定的自由散热时间，另一方面是为了不出现老混凝土层。间歇时间一般以5~7天为宜，如果由于特殊原因出现老混凝土层，严格按照强约束区的要求先浇筑1.5m厚一层，并加强养护。

相邻块高差控制的目的是为了保证坝块侧面不出现老混凝土，防止裂缝产生。相邻坝段应均匀上升，各块相邻坝段高差不大于10m~12m。

混凝土养护：已浇筑完毕的混凝土，应进行表面连续养护。一方面是为了有利混凝土硬化及防止表面干缩进行表面覆盖喷洒水，另一方面可以使水带走混凝土热量，降低混凝土的温度升高值。洒水养护时间一般应在混凝土浇筑完初凝后至终凝之间开始，即混凝土能抵抗水的破坏之后进行，使混凝土表面经常处于潮湿状态，连续养护时间不少于28天。

大体积混凝土内部近似绝热环境，内部热量难以散发，为了降低混凝土的温度，减少内外温差，防止混凝土产生裂缝，通常在混凝土内部分层埋设冷却水管，在混凝土浇筑完后及时通水冷却。

坝体内部冷却水管根据位置不同分别选用Φ25mm钢管或Φ32mm聚乙烯塑料管（PE管），在仓面上按蛇形布置。其中在灌浆廊道以下、廊道、孔洞周围采用钢管，其余部位采用聚乙烯塑料管。在基础约束区、孔洞、廊道浇筑块等温控要求较高的浇筑块，一般采用1.5m（层距）×l.5m（间距），必要时需加密至1.5m（层距）×l.0m（间距）;其它浇筑块采用3.0m（层距）×l.5m（间距），亦可根据进度及温控要求，调整为2.0m或1.5m（层距）×l.5m（间距）。

冷却水根据河流的自然水温及混凝土温度、冷却速度等综合考虑采用河水还是制冷水冷却，冷却水应保持干净，以防止冷却系统的任何一部分阻塞或由于其它原因而影响混凝土的通水冷却，同时对供水系统管路进行保温防护，减少温升损失。

混凝土分两期冷却。一期冷却在混凝土收仓后的12h内开始进行，主要目的是为了降低最高温升；中后期（二期）冷却是为了降低内外温差及封拱灌浆的需要。

初期通水冷却管内冷却水水温和混凝土温度之差不超过25℃。冷却时混凝土日降温幅度不应超过1℃，初期通水冷却使混凝土温度降至25℃以下。为了保证混凝土均匀冷却，每天进出水水向互换一次。

根据一期冷却的效果及后续二期冷却的计划安排，决定是否在一期冷却结束后立即进行二期冷却或在一期冷却后先进行二期冷却前的中期通水冷却，而后进行最后的二期冷却。

中期冷却是为了进一步减小混凝土内外温差，防止混凝土产生表面裂缝，且能降低后期冷却的压力。中期冷却一般采用河水冷却，通水水温和混凝土内部温度之差不超过20℃，混凝土日降温幅度不应超过1℃，每天进出水水向互换一次。

二期冷却主要是为了封拱灌浆，而通制冷水。在河水温度较低的冬天可直接用河水冷却，通水冷却一直持续到混凝土达到温控标准中规定的封拱灌浆温度。

混凝土浇筑完毕后，当硬化到不因洒水而损坏时，就应采取洒水以及蓄水或流水等养护措施，使混凝土表面经常保持湿润状态，是保证混凝土强度增长、不发生干裂、防止发生温度裂缝的必要措施。

混凝土表面一般在浇筑完毕后12~18小时内即可开始养护，但在炎热或干燥气候情况下应提前养护，早期混凝土表面应采用经常保持水饱和的覆盖物进行遮盖，避免太阳光曝晒。

大坝混凝土永久暴露面应采用连续不间断的流水或洒水养护，养护龄期不小于混凝土设计龄期。经对比，夏天混凝土表面采用覆盖并洒水养护效果较直接洒水、漫水、流水养护效果好，而且用水量也较少，既避免阳光直射表面温度上升，又能使混凝土表面始终潮湿，减少干缩裂缝发生。

在低温季节、气温骤降季节和气温日变幅大的季节，混凝土应进行早期表面保护以防发生裂缝。隧洞、泄水孔及其他孔洞的进出口在进入低温季节前应封闭。

由于本工程所在地昼夜温差大，寒潮和温度骤降频繁，对混凝土表面覆盖保温非常重要，特别是每年的春夏之交、秋冬之交更要特别重视。在2004年4月份时最高气温已达到36℃~38℃，由于对本地区的气候特点不熟悉，对混凝土的表面保温不够（冬天新浇混凝土都用保温被覆盖，气温升高以后未覆盖），受寒潮冲击，在两岸边坡8#、16#坝段出现两条相对较大的表面裂缝（不影响结构安全），事后分析原因，是由于当时寒潮冲击及昼夜温差较大所致。通过这次教训，在以后的施工过程中引起了重视，寒潮来时对混凝土外露表面及时覆盖，基本上没有较大的裂缝出现。

（1）审查承包单位《施工组织设计》中有关混凝土温控部分质量保证体系及温控专题计划方案，各工序控制参数，原材料、混凝土配合比参数，冬夏季温控措施、运行方案，裂缝检查及处理方案等。

（2）随机抽查混凝土原材料质量，检查水泥、粉煤灰化学成分、骨料含水量、砂细度模数等参数是否满足规范要求，并检查、抽查混凝土出机口温度、入仓温度、浇筑温度、通水记录、闷管测温等是否满足设计要求，如发现不符规范及设计要求，责令承包单位予以纠正。

（3）根据承包单位报送的施工期观测资料及大坝观测（永久观测）资料进行对比分析，及时发现施工温控方面存在的问题，调整承包单位各阶段的温控措施及施工方法，如混凝土浇筑层厚、通水天数、混凝土出机口温度、浇筑强度及其它措施。

（4）组织进行温度控制有关问题的专题会议，编写混凝土温度控制监理工作专题报告。

（5）在每年夏季来临前（5月初）督促、检查承包单位制冷系统的设备运行状况，保证冷风、冷却水、制冰按期正常投入运行。

（6）每年10月初督促、检查承包单位的混凝土保温材料准备情况，根据天气变化如气温骤降时及时对混凝土进行保温及表面防护。

周公宅水库双曲拱坝所在地昼夜温差大，寒潮及温度骤降频繁，但由于过程中综合采取了有效的技术措施，在整个大坝的施工过程中，即使在炎热的夏天，混凝土的最高温度控制也在设计要求之内，因而未出现对结构有害的危害性温度裂缝或干缩裂缝。

周公宅水库工程进行的温控防裂专项研究成果表明，在本工程中所采取的温控防裂措施是可行有效的。