黄河万家寨水利枢纽：施工实践证明温控措施有效

（一）温控条件和范围

万家寨水利枢纽大坝坝址区为温带季风大陆性气候，夏季气温炎热，冬季时间长而寒冷干燥，昼夜温差变化幅度较大，特别是春秋季节气温骤降寒潮频繁。冬季极端最低气温达-31.0℃，最低月平均气温-17.2℃，夏季极端最高气温38.1℃，最高月平均气温24.7℃。国内外大量实践也表明，各种混凝土坝及其他大体积混凝土建筑物的裂缝，主要是温度变化而引起的。因此，混凝土浇筑的温度控制效果对防止裂缝关系很大。

混凝土坝的温度裂缝，主要有表面裂缝、基础贯穿性和深层裂缝，特别是其中的深层裂缝和贯穿裂缝，对混凝土坝的整体性、耐久性和防渗能力具有严重危害。为确保大坝的安全和长期正常工作，必须在施工期有计划地控制混凝土温度，防止产生裂缝。在万家寨水利枢纽工程混凝土的浇筑过程中，针对不同部位，制定了严格的混凝土浇筑温度的控制范围，如表9-30。在历时4年多的施工中，都是严格按照该温度控制范围组织施工的。

表9-30　混凝土浇筑温度控制范围 （单位：℃）

注 表中L 为浇筑块长度，单位为m。

（二）降低混凝土水化热的措施

减少混凝土水泥的水化热，一方面是采用水化热较低的水泥；另一方面是降低混凝土水泥水化热温升。在保证混凝土施工质量和抗裂要求的前提下，力求降低水泥用量，这不仅是温度控制的重要措施之一，而且能节约水泥，降低混凝土成本。

1.减少水泥用量和降低水泥水化热

精心试验，优化组合，筛选最优配合比。水泥水化热是引起混凝土升温的最根本原因，在满足设计指标要求的条件下，减少水泥用量不仅有利于降低工程成本，而且也是控制混凝土温度应力的重要内容。在万家寨水利枢纽工程施工中，针对人工骨料用水量大的特点，经反复试验和论证，分别进行了水灰比强度关系试验、混凝土单位用水量选择试验、混凝土拌和容量试验、砂率选择试验和骨料级配试验，以确定最优的混凝土配合比参数。该混凝土配合比参数经现场4年多的实际应用，不但满足设计和施工要求，混凝土质量达到优良，而且其水泥用量由原标书中的178kg/m3降低为162kg/m3，每m3 混凝土28d 龄期的热量也削减了5.7kJ，获得明显的综合效益。

2.掺用高效减水剂

掺用高效减水剂，也是改善混凝土技术性能和减少水泥用量的重要措施之一。万家寨水利枢纽工程大坝混凝土（约153万m3）掺用的减水剂为河北石家庄外加剂厂生产的DH3缓凝高效减水剂和中国水电四局外加剂厂生产的SW1缓凝高效减水剂。通过大量试验，确定两种外加剂的最佳掺和量为0.5%，二者可等量替代。在上述掺量下，对不同标号品种的水泥，其减水率均大于12%，降低水泥用量15%左右，可降低混凝土绝热温升2～3℃。有关纯混凝土与掺减水剂混凝土的比较试验见表9-31。

表9-31 试验结果表明，在水灰比一定的条件下，保持3～5cm 的坍落度不变，掺适量减水剂的混凝土比纯混凝土降低水泥用量45～54kg/m3，而且和易性要优于纯混凝土。掺用高效减水剂后，混凝土发热量减少27%左右。试验表明，水灰比愈小，级配愈小，节约水泥愈明显，也愈有利于降低水泥发热量。

表9-31　纯混凝土与掺减水剂混凝土部分试验结果

3.掺用粉煤灰

掺用粉煤灰也是一项降低水泥用量的重要措施，可同样节约水泥和减少水化热。由于粉煤灰活性比水泥低，掺粉煤灰的水泥砂浆混凝土凝结时间延长及绝热温升峰值降低，不仅有助于施工，而且也有利于混凝土温度控制和防止大坝裂缝的产生。本工程大坝基础混凝土，其设计标号为R90250D50S8，粉煤灰掺量为20%；大坝内部混凝土，其设计标号为R90 150D50S4，粉煤灰掺量为35%。有关的技术参数可参照表9-32。

表9-32　不同标号三级配与四级配水泥用量比较

注 1.粗细骨料为人工砂石，砂细度模数FM=2.8；
2.水泥标号为525；
3.外加剂SW1 与DH3 可等量替代。

试验结果表明，按上述掺量掺粉煤灰后，基础混凝土和大坝内部混凝土绝热温升分别降低了2～3℃和4～5℃，这对于减少混凝土早期温度应力是十分有利的。

4.使用水化热较低水泥

大坝混凝土除了掺外加剂、粉煤灰，以降低水泥用量外，在基础块约束区，使用了抚顺中热525号普硅水泥；对于坝肩处的1号、2号、21号坝段混凝土，发电引水钢管周围混凝土，导流底孔回填混凝土使用了清水河425号低热微膨胀水泥。使用于本工程大坝混凝土的3 种水泥水化热水泥的热学试验结果见表9-33。

表9-33　水泥水化热试验结果

注 Qt 为水化热（J/g）；t 为龄期（d）

水化热试验结果分析表明，水泥水化热绝大部分在3d 内释放，清水河低热微膨胀水泥峰热出现时间比大同525号普硅水泥和抚顺525号中热水泥推迟8h 左右。试验还表明，清水河低热微膨胀水泥水化热温度最高达到34.2℃和33.9℃。因此，清水河低热微膨胀水泥和抚顺525 号中热水泥的使用有助于削减混凝土绝热温升。

5.加大骨料最大粒径

在施工条件允许的范围内，加大骨料最大粒径，可以减少水泥用量。试验表明，当水灰比相同时，采用四级配骨料最大粒径为150mm 的混凝土比采用三级配骨料最大粒径为80mm 的混凝土，可以减少水泥用量10%～11%，有关这方面的比较见表9-32。不同级配之间，不同坍落度之间混凝土单位用水量存在一定关系，参考表9-34。

表9-34　不同级配之间混凝土单位用水量参考表

注 1.本表适合于万家寨人工砂石所拌制的混凝土；
2.砂率采用最优砂率FM=2.6～2.8，减水剂掺量为0.5 %。

从表9-32可以看出，基础混凝土四级配比三级配降低水泥用量16kg/m3，大坝内部基础混凝土四级配比三级配降低水泥用量12kg/m3；而泄水建筑物三级配比二级配更少用水泥33kg/m3。大坝基础混凝土与内部混凝土共浇筑四级配混凝土约54 万m3，共节约水泥7500t 左右。这表明采用较大级配除了节约水泥，也有利于温控，当水灰比小时，其作用更加明显。表9-34 表明对于不同级配、不同坍落度要求，用水量存在一定的规律。

6.合理选定混凝土砂率

通过选定混凝土最优砂率，可以减少一定的水泥用量，同样有助于降低混凝土绝热温升。混凝土砂率，随骨料形状、级配、最大粒径及施工平仓振捣条件而异，均通过试验确定最佳砂率。对于砂，一般不进行分级，仅控制其细度。最优砂率通过试拌确定，从水灰比0.40 到0.65，每种水灰比选择3 个砂率，每个砂率相差2%，坍落度取5～7cm，粗骨料取三级配，进行了18 组试验，以比较其对混凝土性能的影响。砂率对水泥用量的影响以及对混凝土性能影响的部分试验结果见表9-35。

表9-35试验结果表明，在保持坍落度5～7cm的范围，砂率每减少2%，则用水量相应减少约5kg/m3，少耗水泥约5kg/m3，可减少水化热4%，水灰比小时更为显著。但砂率过小，砂浆量不足，不能在粗骨料间形成有效的润滑层，使混凝土拌和物和易性变差，从而影响混凝土质量。

表9-35　砂率对混凝土性能的影响（部分）试验结果

注 1.水泥为大同525 号普硅；
2.骨料最大粒径80mm；
3.均掺外加剂DH3，掺量为0.5%。

7.采用低流态混凝土

在同样水灰比的条件下，由于用水量减少，水泥用量相应得到降低。根据比较试验，对坍落度3～5cm 和7～9cm的塑性混凝土比较，在保持混凝土强度和硬化条件不变的情况下，前者可减少水泥用量5～10 kg/m3；在水灰比相同的条件下，3～5cm坍落度混凝土，可降低水化热。因此有条件采用小坍落度的混凝土，要严格控制使用7～9cm坍落度的混凝土或其他大坍落度的混凝土。

（三）夏季混凝土施工的温度控制

万家寨水利枢纽工程每年6、7、8 三个月为夏季施工期，当日最高气温达到30℃以上时，要按夏季混凝土施工的要求进行温度控制。夏季施工的混凝土温度控制其主要措施有：降低混凝土浇筑温度、用冰水和冰屑拌和混凝土以及对骨料进行预冷、采取隔热保冷措施、防止预冷混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升和利用夜间浇筑混凝土等。

1.骨料隔热和预冷

加大砂石骨料堆积高度、用地垄取料、预冷调节料仓、对粗骨料吹冷风等措施，对夏季骨料受气温影响而过度升温起到了良好效果。尤其在砂石骨料堆积场堆料高度在6m 以上时，受气温急剧变化影响较小。当骨料堆积厚度为9.0m时，低层骨料温度比月平均气温低2～3.5℃。

2.混凝土隔热保冷

由于万家寨水利枢纽工程夏季炎热，为了有效防止烈日太阳暴晒拌和楼，混凝土吊罐外部包裹塑料泡沫板进行防护，加快混凝土入仓速度，避免混凝土拌和物在仓面堆积时间过长，及时进行平仓振捣。以上措施有效的防止和减少了混凝土冷量损失。根据实测，混凝土拌和物从出机口至仓面浇筑，温度升高仅约2℃，基本满足了浇筑温度要求。(www.xing528.com)

3.混凝土浇筑层厚度及间歇时间控制

大坝混凝土浇筑层厚度的合理选择及合理安排浇筑间歇时间，对降低水化热温升，防止产生裂缝也至关重要。本工程夏季基础块厚度一般控制在1.5～2.0m，坝体内部混凝土一般控制在1.5～3.0m，间歇时间一般控制在5～14d。实践证明，这样的选择方法对降低水泥热温升效果比较明显。当浇筑层厚度超过6.0m时，混凝土内部温度接近水化热温升，间歇时间的影响不明显。

4.合理安排浇筑时间

充分利用低温时间或夜间浇筑混凝土，也是降低混凝土浇筑温度的一种常用措施。万家寨水利枢纽工程大坝混凝土夏季开盘浇筑时间尽可能安排在下午6时以后，至次日12时收盘，以避开炎热天气浇筑基础混凝土。对浇完后的仓，及时充分洒水养护，以降低周围气温，防止外界高温热量倒灌混凝土内。同时，浇完后的仓白天覆盖草袋子以防烈日暴晒，夜间揭开草袋子以利散热。根据试验，夜间浇筑混凝土比在强烈日光下浇筑混凝土的温度回升值约低6C左右，这与加冰65 kg/m3 拌和混凝土的降温效果相近。

5.坝体内部通水冷却

在坝体内部埋设冷却水管冷却，其作用是削减温升期内的温升高峰，控制浇筑块最大温差在允许范围内，以预防约束裂缝。万家寨水利枢纽工程坝内预埋的冷却水管，在混凝土垂直面上的排列，做井字形布置；冷却水管在混凝土平面上的布置，作纵向布置。坝体内部埋设1时蛇形钢管，埋设间距，根据对混凝土的降温要求而定。在基础约束范围内为1.5×1.5m；基础约束范围以上为2.5×2.5m。通水开始时间，一般都是仓收盘前后。在冷却水系统形成前通天然河水进行一期冷却，通水时间15～20d，可降低水化热温升1～2℃，通人工2～4 C制冷水，通水时间10～15d，可降低水化热温升3～6℃。大坝一期冷却的成果见表9-36。

表9-36　枢纽大坝一期冷却部分成果

6.用冷制水和片冰拌和混凝土

当不采用预冷措施时，混凝土拌和物的温度基本上与当地月平均气温相同。而预冷在任何季节可把混凝土拌和物冷却到10C以下，简易而经济的方法是采用冷制水和加冰拌和。万家寨水利枢纽工程5～9月份用冷制水或用冷制水加冰片拌和大坝混凝土，用2～4 C冷制水拌和混凝土，可降低出机口温度约2C；加冰拌和是将拌和水改用（或部分改用）冰屑，这样可更好地利用冰融化时的潜热特性。加冰量根据设计对大坝各部位混凝土的浇筑温度的不同要求而有所不同。根据实测资料，每方混凝土加冰10kg，降温1.2C，加冰量根据各月不同的温控要求，一般每方混凝土30～60kg。常将单位拌和水重中所加冰的重称加冰率，不同的加冰率对混凝土出口温度的影响见表9-37。

表9-37　加冰率对混凝土出口温度的影响

通过采取上述两项措施并结合其他措施，有效地控制了混凝土拌和物出机口温度。根据1995～1999年中国水电四局万家寨试验室对机口和仓面混凝土温度的检测，夏季混凝土拌和物温度控制在12～17℃左右，基本满足温控技术要求。

需要指出，虽然本工程施工中，制冷厂生产的冷水温度达到2～4℃，但对水泵房的冷水管、上拌和楼的水管及管路并没有采取保温措施，使得冷制水的温度回升2～3℃，降低了制冷效率，这一点在以后的施工中应引起注意。

（四）冬季混凝土施工的温度控制

一般而言，万家寨水利枢纽工程冬季不宜进行混凝土施工。但为保证工期而必须施工时，则需实行冬季混凝土施工，即应制定专门的施工组织设计、采取可靠的措施，以保证混凝土满足设计规定的强度、抗冻、抗渗等指标要求。每年11月至次年3月底为万家寨水利枢纽工程冬季混凝土施工期，温度控制采取了下列措施。

1.控制浇筑入仓温度

在冬季浇筑混凝土时，允许最低浇筑温度为，当日平均气温为+3～+5℃时，允许露天浇筑，浇筑温度不低于日平均气温；当日平均气温为-5～+3℃时，浇筑温度不低于+5℃；当日平均气温低于-5℃时，如需施工，则需搭设暖棚施工，暖棚内气温保证在+6～+10℃，混凝土入仓温度控制在+5～+10℃范围。

提高混凝土拌和物温度的具体方法有：预热砂石骨料料仓、加热拌和水等。但拌和用水的温度不超过60 C，以防水泥假凝。当在岩石地基上或老混凝土上浇筑混凝土时，应提前检查其温度，如为负温，则将其加热成正温，加热深度不小于10cm。

2.掺防冻剂，提高混凝土抗冻能力

万家寨地区冬季冰冻期长达5个多月，因此进行了专门的负温混凝土配合比试验，以适应在负温下正常施工。根据混凝土防冻剂JC475—92标准，进行负温混凝土配合比试验。受检负温混凝土为-15℃，防冻剂主要有DH8、SW6 等，其有关试验结果见表9-38。

从表9-38可看出，掺防冻剂的混凝土，虽可改善混凝土抗冻性能，但在一定程度上降低了混凝土的强度。而强度的降低与掺量（主要是含气量）有关，即当含气量每增加1%时，混凝土强度约损失4%左右。在含气量不大于6%时，掺防冻剂损失的强度，可从改善混凝土的和易性而减少用水量以降低水灰比得到补偿。但当含气量大于6%时，强度将损失很大。因此，对负温混凝土的含气量也必须加以限制。从试验还可以看出，掺SW6 和DH8 负温混凝土和易性好，SW6 和DH8适宜掺量为3%，而其他防冻剂因减水效果和和易性较差，不适应现场施工。SW6 和DH8防冻剂，因减水率基本同SW1 和DH3，故可在负温混凝土时替代减水剂。

表9-38　负温混凝土配合比试验成果表

注 1.设计容重为2350 kg/m3；
2.水泥：抚顺中热525 号普硅，人工砂石：万家寨；
3.防冻剂：DH8 石家庄产，SW6 兰州产，MRT 运城产，JF-1 和JF-2万荣产，YJ-4北京产。

3.预先储备骨料

冬季施工所需砂石骨料一般在10月底以前筛选完毕，当成品料堆方量大于10万m3，以及堆高大于10.0m时，完全可满足了冬季混凝土施工的骨料要求。

4.及时清洁浇筑仓

浇筑混凝土前和浇筑过程中，施工单位注意清除钢筋、模板和浇筑设施上附着的霜、雪和冰凌，避免了冰凌、霜、雪带入仓内。

5.减少出机口温度波动

在浇筑过程中，质量控制人员应加强检控。增加混凝土出机口温度检测次数，及时调节混凝土的温度，以尽量减少波动，保持浇筑温度均匀。在控制方法上，以调节水温为主，蒸汽预热为辅，并将混凝土浇筑时间尽量安排在白天气温较高的时间进行。

6.加强混凝土表面保温

表面保温，主要是在冰冻期对混凝土暴露面进行保温防寒保护，以防止表面裂缝。其主要措施有悬挂或覆盖草帘、帆布等保温材料。混凝土浇筑完毕以后，由施工单位及时覆盖外露表面。新老混凝土的接合处和易受冻的边角部位应作为重点保温部位。为加强对混凝土表面的保温，混凝土在低温季节施工的模板，一般在整个低温期间不拆除。对于要拆模的，其时间间隔也应符合《万家寨水利枢纽工程混凝土施工技术要求》中有关的规定。

7.防止冷空气侵袭

坝体中的廊道、孔洞，因易受冷空气侵袭而导致表面裂缝，故在施工中应注意封闭或掩盖。

（五）春、秋季施工的温度控制措施

万家寨水利枢纽工程每年4、5、9、10 四个月为春、秋混凝土施工浇筑期。虽一般浇筑温度可满足表9-30 的要求，但由于气温有波动，因此还必须注意温度控制。每年5、9月浇筑混凝土，用2～4℃冷制水拌和混凝土，当春天气温回升时，加冰片拌和混凝土，混凝土浇筑完毕，按要求进行一期通水冷却，以削减水化热温升。当秋天气温下降时，防止寒潮的袭击导致混凝土温度骤降，其主要措施有加防冻剂、覆盖塑料布等。

（六）大坝内部温度监测结果分析

选择5 号、14 号、21 号坝段为典型温度监测坝段，在这3 个典型坝段内，依高程不同，每隔10～15m 布置一排温度计，每排3～5 个测点。

根据中国水电四局万家寨试验室累积近5年的大坝原型观测分析资料和长江科学院所提出的《黄河万家寨水利枢纽工程大坝安全监测资料分析报告》，结果表明：

（1）基岩温度受气温的影响。埋设时气温高时，基岩温度随深度的增大而减小，越靠近基岩表面，受气温的影响越大。埋设后受坝体混凝土浇筑水化热温升和气温升降的影响，基岩温度随之升降，其变幅随深度的增加而减小，由于坝基中部散热条件不如坝踵和坝趾，基岩温度相对要高一些。后期基岩温度降温后趋于稳定，在9.5～16.0℃之间变化。

（2）坝体温度变化规律正常。初期受水泥水化热作用，温度上升，此后混凝土散热，温度下降，稳定后随气温升降而升降。坝体最高温度一般为26.0～36.0℃，个别部位超过40℃，最高达42.8℃。最高温度与仪器所处的部位、浇筑层厚薄和浇筑时气温有关，坝中部散热条件差一些，混凝土最高温度要高一些。与气温相比，坝体温度冬季不是很低，施工所采取的保温措施有一定效果。

（3）坝体下游表面的温度变化过程符合一般规律。温度梯度不大，距坝面0.3m 深处的温度比坝面温度相差2～3℃；0.3m 和0.7m 深处温度相差更小一些，仅1.0～1.5℃。较高抗裂性能的混凝土不易产生表面裂缝。

（七）大坝混凝土裂缝分析

万家寨水利枢纽工程不论是地质气象工程结构都比较复杂，技术要求高。自1995年主坝第一块混凝土浇筑，至1999年7月完工，历时4年多，共浇筑混凝土183 万m3（其中主坝153 万m3）。据初步统计，大坝混凝土裂缝数近40 条，且大多数为表面裂缝，极少部分为深层裂缝，未发现危害性大的贯穿性裂缝。