高海拔大温差气候大体积混凝土裂缝控制技术

蔡 畅，熊 涛，肖高专

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081)

改革开放以来，中国水电事业步入快速发展时期，坝工技术取得多项突破。通过小湾水电站的建设，开创了早冷却、小温差、缓慢冷却的通水冷却方向，形成一套完整的混凝土温控防裂技术，为后续的锦屏一级、溪洛渡的工程提供了成功经验。自溪洛渡工程以后，混凝土的温控防裂又有了创新，智能温控技术的应用。白鹤滩、乌东德则采取了低热水泥，可将最高温升下降5℃，从材料上取得新的发展。

至今，大体积混凝土的裂缝控制仍是水利工程技术人员长期关心和研究的难题，混凝土若出现危害性裂缝，会影响建筑物结构承载力、使用安全性、耐久性和使用寿命，也影响建筑物的外观质量，并且处理耗时耗力。

大体积混凝土裂缝的产生主要有内外两个因素，外在原因是混凝土在冷热交替的环境中，由于热胀冷缩及温度应力，进而产生裂缝；内在因素是混凝土内部水化热大，热量无法及时、完全地散热[1]。

DG水电站消力戽池作为高速水流冲刷区，混凝土体积大、强度等级高，在高原地区空气干燥、风大、昼夜温差大的气候条件下，极易产生温度裂缝。一旦出现裂缝，后期运行安全隐患极大，且裂缝处理代价大，效果不佳。通过全过程的温控技术措施及混凝土成型的养护，保证了消能防冲混凝土施工质量，避免了裂缝的产生。

1 概 述

DG水电站位于西藏自治区山南地区，为二等大(2)型工程，电站装机容量为660 MW。大坝是目前世界上海拔最高碾压混凝土坝，坝顶高程3 451.0 m，最大坝高117 m，坝顶长385 m。大坝消能防冲建筑物由消力戽池和护坦组成，消力戽池12块(均为21 m×20 m)，护坦8块，3 347.00 m以下为常态C25W8F200三级配混凝土，总量72 757 m3。3 347.00 m以上为常态C40W8F200二级配混凝土，总量13 720 m3。

2 气候条件

工程地处青藏高原气候区，基本特性为空气稀薄、紊乱强风、气候干燥、气温低、昼夜温差大、太阳辐射强烈(>1 500 W/m2)。每年11月～次年4月为旱季，5月～10月为雨季。在坝址下游约35 km的加查气象站(测站高程3 260.0 m)实测气象资料统计，本地区多年平均气温9.3℃，极端最高、最低气温分别为32.5℃和-16.6℃，多年平均降水量527.4 mm，多年平均蒸发量为2 084.1 mm，多年平均相对湿度为51%，多年平均气压为685.5 hPa，历年最大定时风速为19.0 m/s，多年平均日照时数为2 605.7 h，历年最大冻土深度为19 cm。

按照设计技术要求，消能防冲强度等级≥C30混凝土温控分区处于弱约束区，容许最高温度Tmax≤28℃。受太阳强辐射、大风、干燥、昼夜温差大的气候特点影响，坝址所在地气候条件对消能防冲的温控防裂极为不利。主要体现在新浇混凝土外表面水分散失极快，易在混凝土表面形成拉应力，产生体积收缩时受老混凝土面的约束，从而引起混凝土开裂，导致表面干缩裂缝；同时温度骤降频率高，混凝土在达到设计强度指标之前，内部温度高，导致内外温差较大，易导致温度裂缝发生[2]。因此针对气候条件，采取适应性高的温控防裂措施，保证混凝土浇筑质量，并达到加快工程建设进度的作用，尤为必要[3]。

3 大体积混凝土裂缝控制技术

根据裂缝成因，裂缝控制技术具体从混凝土配合比配制优化、生产与运输、浇筑、混凝土智能温控与表面养护、越冬期临时养护等方面采取有效措施，保证大体积混凝土的施工质量[4-5]。

3.1 配合比设计优化

对混凝土配合比进行配制优化，从原材料选用上降低混凝土产生的水化热，混凝土水化热低。

结合浇筑时段、气候条件及原材料性能参数来确定混凝土的原材组成比例，优化混凝土配合比，配制出满足地区气候特性的混凝土[6]。主要分为以下几步：水泥种类的选定、混凝土龄期的调整、坍落度的调整、粉煤灰掺量的增加、最优砂率的确定(见表1、表2)。

表1 混凝土配合比参数

表2 材料用量 kg/m3

1)水泥种类的选定。考虑该地区大体积混凝土温控难度，采用中热硅酸盐水泥。

2)混凝土龄期。混凝土的设计龄期为90 d，配合中热硅酸盐水泥，使混凝土早期的强度增长放缓，利于混凝土内部温度的控制。

3)坍落度的调整。在满足施工要求的情况下，选择坍落度(30～50 mm)，降低胶凝材料用量，减小混凝土温控压力。

4)粉煤灰掺量的选定。在保证混凝土强度的前提下适当增加粉煤灰的掺量，由15%增加至25%，提高混凝土的各项性能，降低混凝土绝热温升。用水量减少，和易性改善，混凝土均匀密实，提高混凝土的强度和耐久性。

5)最优砂率的确定。混凝土砂率的大小，直接影响到混凝土的施工和易性及硬化性能等，在保证混凝土各项施工性能的前提下，降低砂率，提高混凝土的抗压强度及耐久性能隐形在配合比设计时必须合理的选择砂率。在保证混凝土拌和物具有良好的粘聚性并达到要求的工作性时用水量较小、拌和实测表观密度较大所对应的砂率为最优砂率。

6)最佳石粉含量为15%，在不超标准的情况下，将石粉含量控制在(15±2)%。

3.2 混凝土生产与运输

1)成品料仓(粗细骨料)采取遮阳保温措施，堆高均大于6 m，采用地笼取料，减小骨料温度受昼夜温差及极端天气情况的影响。

2)水泥提前进场，并增大贮存容量，降低拌和混凝土时的水泥温度。

3)增加砂的脱水时间，减少砂含水率，以便能够多加冰或制冷水。高温季节对粗骨料进行一次风冷。

4)混凝土拌和加冰或加制冷水。粗骨料、砂、加冰量是影响混凝土出机口温度的主要因素。根据2019年的数据统计，粗骨料或砂温度上升1.0℃，二级配常态混凝土温度上升0.3℃左右，三级配常态混凝土温度上升0.5℃左右；每加1.0 kg冰，二级配与三级配常态混凝土温度均下降0.13℃左右。在混凝土生产过程中，严格控制粗骨料的风冷效果和尽量加冰或加制冷水(见表3)。

表3 混凝土原料温变化及加冰量对混凝土出机口温度的影响

5)混凝土运输过程中，为避免受温差等气候条件影响，导致混凝土温度回升过高，需对运输车辆进行遮阳保温。

现有的混凝土运输车遮阳保温方式一般在混凝土运输车的表面搭设遮阳布的方式，每次装料完成后需人工进行遮阳布铺设，费时费力，并且，在对温度较高材料进行人工覆盖及掀开的操作时，容易造成人员的烫伤，此外，该遮盖方式容易覆盖不全，遮阳和保温效果差，造成热量损失；有鉴于此，创新混凝土运输车及可自动遮阳保温的车斗，其能够自动完成保温遮阳动作，且遮阳保温效果好的特点，有效控制运输过程中混凝土的温度回升，保证混凝土运输过程中温度回升在2℃以内[7](见图1)。

图1 运输车辆自动保温装置

3.3 混凝土浇筑

创新混凝土卸料装置及入仓方法，采用长臂挖机入仓，台阶法施工，施工宽度不小于2 m，铺筑层厚度为0.3～0.5 m；混凝土入仓后，采用人工平仓、振捣。浇筑时层缝面先铺设1～2 cm厚的高一等级水泥砂浆。高温时段采用喷雾机或冲毛枪改善仓面气候，制造仓面小环境(见图2)。

图2 台阶法浇筑示意图

3.4 表面养护

在模板背面格栅采用10 cm厚聚苯乙烯板镶嵌密实，保证混凝土内外温差。浇筑完成后暂不拆除模板，用于浇筑块混凝土立面养护。

浇筑块至永久面的仓面，因永久面平整度要求高，现有施工措施主要为模板划线，激光辅助找平，其找平难度大，存在局部不平整等问题。针对现有措施的不足，创新性的采用支撑杆+导向杆+单辊轴进行混凝土找平，附带振捣设备，有效保证混凝土永久面的质量和平整度。

待施工完成，在混凝土面覆盖薄膜+橡塑海绵+压重，对表面进行保温保湿养护，保证混凝土表面温湿度[8]。

3.5 混凝土智能温控

采用雪山融水作为冷却用水，冷却用水水池及干支管均采用3 cm厚橡塑海绵保温材料包裹，雪山融水高温季节水温5～10℃，低温季节水温1～5℃，当越冬期间气温降至0℃以下时，停止通水。

布置完的冷却水管接入智能设备,配合埋设的温度计监测混凝土内部温度，初期采用大流量通水以降低最高温度，待混凝土内部温度往下降时，根据混凝土内部温度控制冷却水流量、流速，保证降温速率。

3.6 越冬期养护措施

在铺设PC薄膜+彩条布+橡塑海绵的基础上，采取脚手管架+扣件形成1 m×1 m的栅格，避免冬期强风掀走保温养护材料。

4 效果监测

通过智能温控系统，对大体积混凝土施工以及有关温控信息(包括混凝土原材料骨料温度、出机口温度、浇筑温度、通水冷却、仓面小气候、混凝土内部温度等)进行实时采集[9]。消力戽池5号块3 348.25 m浇筑时段为2019-09-12日～14日。下面为5号块浇筑全过程温度控制验证效果。

4.1 骨料温度监测

骨料经过一次风冷以后，温度整体控制在5℃以下，有效控制混凝土生产原材料的温度(见图3)。

图3 2019年9月12日～13日骨料温度统计

4.2 出机口温度与入仓温度监测

安排专人定期采取探针式温度计对出机口温度与入仓温度进行采集，温度整体可控，部分存在超标情况，温度回升控制在2℃左右(见图4)。

图4 入仓温度与出机口温度实测数据

4.3 通水冷却效果监测

通过预埋的内部温度计实时测量混凝土的冷却降温效果。虽受气候条件、温差变化影响，浇筑后绝热温升超过设计标准10℃左右。但是整体降温效果良好，降温速率稳定，维持在0.5℃/d(见图5)。

图5 通水冷却效果图

4.4 越冬期效果监测

采取越冬临时保温的同时，通过混凝土内部温度计与表面温度计实时监测数据的对比，验证保温措施的可靠性(见图6)。

图6 消力戽池5号块越冬期保温效果

数据表明，越冬期混凝土内外温差基本控制在10℃及以下。达到了设计要求，是保障混凝土质量，防止裂缝产生的有力措施。

5 结 语

综上，大体积混凝土全过程温控基本处于可控范围，且经过工程实践表明，截止2020年12月，消力戽池11号浇筑至3 345.0 m，其余块已浇筑至设计永久面，护坦未浇筑，均未发现裂缝。裂缝控制取得显著效果，有效控制了环境因素对大体积混凝土的影响，保证了大体积混凝土施工质量，达到了设计要求。同时未因温度影响与裂缝处理投入资金，在电站建设过程中发挥了极大作用，可供类似工程借鉴。