严寒、大温差、干燥地区混凝土高拱坝温控技术探讨

郭万福

摘要：因新疆地区干燥少雨、蒸发量大、昼夜温差大、冬夏冷热悬殊、大体积混凝土无法在冬季施工，目前该地区没有100m以上的混凝土高坝。本文就目前新疆地区正在建设100m级以上混凝土双曲拱坝大体积混凝土温控技术的应用经验进行总结和分享，为修建百米级高坝混凝土温控控制措施提供设计及施工经验。

关键词：工程；高拱坝；温控技术

DOI：10.12433/zgkjtz.20233348

一、工程概述

本工程二级枢纽由混凝土拱坝、水垫塘及二道坝、发电引水系统和电站、生态放水洞、过鱼设施等建筑物组成。混凝土拱坝为抛物线型双曲拱坝，坝顶高程880.5m，最大坝高167.5m，坝顶全长288.4m。混凝土拱坝工程包括1～16号坝段坝体混凝土、廊道混凝土、牛腿混凝土、坝顶结构混凝土等。

枢纽工程大坝混凝土浇筑总量90.87万m?，主体大体积混凝土采用P.MH42.5级中热硅酸盐水泥配制，混凝土骨料采用人工开采灰岩骨料。坝址区基岩以巨厚层、厚层、中厚层灰岩为主，岩质坚硬。

二、水文及气象条件

拱坝为地处严寒、强震区的高拱坝，多年平均气温7.7℃ ，极端最高气温41.6℃ ，极端最低气温

﹣36.4℃ ，极端最大温差78℃ ，最大冻土深度141cm。坝址区气候条件恶劣，夏季炎热、冬季干冷，具有气温年变幅、日变幅大，气温骤降频繁，冬季越冬期长（长达5个月），太阳辐射强，气候干燥等特点，对混凝土表面保温防裂不利。

三、枢纽工程温控控制技术特点

昼夜温差大，气温骤降频繁。监测资料表明，枢纽坝址平均昼夜温差为11.2℃ ，最大昼夜温差为20.8℃ 。

工程所在地1月份和7月份年平均气温差超过40℃ ，冬夏极端气温相差接近80℃ 。

气候严寒不利于施工，新老混凝土温差问题突出。冬季混凝土停工的影响严重，在恢复施工后要求控制长间歇仓面混凝土温度。由于气温年变幅大，增加了拱坝上下层温度梯度控制难度。加之昼夜温差大，对大坝混凝土浇筑施工极为不利，增加了混凝土表面开裂风险和温控难度。

大坝基础强约束区混凝土浇筑阶段，约束作用强，混凝土标号更高，面临着更高的混凝土温度控制标准。

四、枢纽工程温控控制标准

（一）封拱温度

拱坝横缝接缝灌浆前，混凝土应冷却到相应的封拱温度。其中大坝高程713.0～800m之间封拱温度为7.5℃ ，高程800.0～840m封拱温度为8.0℃ ，高程840.0～880.5m之间封拱温度为9.0℃ 。

（二）温差控制标准

坝体混凝土基础容许温差不大于15℃，孔口约束区、老混凝土以上0.2L高度范围内按基础约束区的温差标准15℃控制。坝体混凝土上下层容许温差不大于15℃ ，坝体混凝土内外容许温差不大于16℃。

（三）设计允许最高温度

基础约束区最高温度23℃ ，非约束区27℃ 。在龄期28天以上的老混凝土上浇筑新混凝土，新浇筑混凝土设计允许最高温度按基础约束区控制。

（四）出机口温度

混凝土出机口温度约束区按7℃控制，自由区按10℃控制。

（五）设计允许最高温度

混凝土浇筑温度约束区不能超过12℃ ，自由区要求不能超过15℃ ，且不能低于5℃ 。同时要求混凝土从出机口至上坯层混凝土覆盖前的温度回升值在高温季节不大于5℃ ，低温季节不大于3℃ 。

五、枢纽工程温控控制措施

（一）混凝土预冷系统设计

混凝土系统设计规模：系统主要包括搅拌楼、胶凝材料罐、空压机房、外加剂车间、胶带机输送系统、一次风冷料仓及一次风冷模块、搅拌楼二次风冷模块、制冷水模块、冰库模块、地衡等。本系统要求混凝土出机口温度为7℃ ，通过计算并结合地形条件及以往工程经验，确定本系统预冷措施为“粗骨料两次风冷＋片冰拌和＋冷水拌和”。

1.一次风冷

一次风冷系统由一次风冷料仓、冷风机、冷风循环系统、冷源组成。特大石、大石、中石、小石仓设计工况（34℃/﹣15℃ ）耗冷量均为580kW，合计2320kW。

2.二次风冷

二次风冷与一次风冷流程基本相同，不同在于二次风冷需采用更低的蒸发温度，且采用氟泵强制供液型式。四个料仓设计工况（34℃/﹣17℃ ）耗冷量分别为特大石仓280kW、大石仓250kW、中石仓250kW、小石仓220kW，合计1000kW。粗骨料一次风冷后经胶带机进入搅拌楼料仓进行二次风冷。

3.制片冰

采用集装箱型式，配置4台40t/d型片冰机，1座50t冰库，1套9t/h气力输冰装置及冷源。标准工况

下，配备冷量1582kW，片冰通过气力输送到搅拌楼小冰仓内，再经过称量用以混凝土搅拌。

4.制冷水

制冷水采用集装箱模块，配备冷量（设计工况34℃/1℃ ）400kW。可生产6℃冷冻水， 用于混凝土搅拌和片冰生产用冷水。进水温度24℃ ，出水温度6℃ ，

出水量15m3/h。

在气温较低的月份，冷水机组可停运，或同时停运部分冷风机。

（二）混凝土出机口温度控制

为确保混凝土出机口温度满足设计需求，采取增大骨料仓堆高并搭设遮阳棚避免阳光直射，并采取加片冰、加制冷水拌和粗骨料一二次风冷等措施以降低混凝土出机口温度。

（三）混凝土入仓温度控制

大坝混凝土采用25t自卸汽车配9m?立罐入仓。自卸汽车顶部加盖防雨遮阳棚，防止太阳直射；在混凝土运输车及吊罐与混凝土接触的外部暴晒部位贴一层5cm厚的聚苯乙烯挤塑保温被。在高温特殊工况时段施工时，在拌和楼前10～25m长的道路两侧设喷雾装置，喷雾导管略高于自卸汽车车厢，以形成雾状环境，避免太阳光直射，降低车厢温度。

尽量缩短混凝土在运输工具内的停留时间，以降低混凝土入仓温度。

（四）混凝土浇筑温度控制

1.拱坝混凝土浇筑温度约束区不能超过12℃ ，自由区要求不能超过15℃ ，且不能低于5℃ 。同时要求混凝土从出机口至上坯层混凝土覆盖前的温度回升值在高温季节不大于5℃ ，低温季节不大于3℃ 。

2.在大坝混凝土浇筑前期，加强混凝土从出机口到浇筑过程中的温度检测，以修正施工过程中的温升系数，优化混凝土施工及保温措施，确保混凝土从出机口到浇筑温度回升满足设计需求。

3.高温季节混凝土入仓后及时平仓振捣，缩短混凝土坯层覆盖时间。

4.合理安排浇筑时段，尽可能避免高温时段浇筑。充分利用低温季节和早晚及夜间气温低的时段开仓浇筑。高温季节浇筑时，开仓时间尽量安排在早晚和夜间，尽量避免在白天高温时段开仓；在施工进度满足要求的前提下，高温时段只做备仓工作。

5.仓面喷雾降温。当仓内气温高于22℃时，混凝土浇筑过程中开启喷雾机进行仓面喷雾，降低仓内环境温度。白天开仓时提前2h喷雾降温，以降低老混凝土面温度，同时减少预冷混凝土对旧混凝土面的冷击。喷雾机交叉布置在浇筑仓面的两侧。

6.仓面保温。高温季节浇筑混凝土过程中，在混凝土振捣后立即覆盖1～2层厚度为2cm的保温被（内含聚乙烯泡沫塑料板）保温隔热，降低仓面内混凝土温度，控制浇筑温度，直至上坯混凝土开始铺料时再逐步揭开。每年4月份和10月份在新浇筑混凝土层面立即覆盖两层2cm厚的保温被（内含聚乙烯泡沫塑料板），直至上层混凝土浇筑时再逐层揭开。

（五）混凝土通水冷却

根据拱坝混凝土温控防裂要求，大坝混凝土应全过程采取严格的温度控制，从混凝土生产至接缝灌浆完成控温为止，整个施工过程应按设计要求进行温度控制。采用向大坝混凝土通制冷水的方式降低混凝土内部温度，以减小内部最高温度、内外温差及不同高程范围的温度梯度。

大坝坝体按3.0m升层施工，施工遇廊道、牛腿、孔口及特殊结构等部位层进行适当调整；大坝横缝灌区高度以9m为主，局部以11.5m、12m分层，共分为18层灌区。大坝混凝土冷却采用三期九阶段连续冷却，连续冷却以灌区为单位同步冷却。

坝体内的冷却水管采用高导热性HDPE塑料管。主管规格为：内径32.6mm，壁厚3.7mm，外径40.00mm。支管规格为：内径28.0mm，壁厚2.0mm，外径32.0mm。大坝用HDPE塑料冷却水管为专用管材。拱坝混凝土冷却水管间距分两种：约束区为1.0m（水平）×1.5m（竖直），自由区为1.5m（水平）×1.5m（竖直）。

1.大坝混凝土通水冷却目标温度

一期冷却目标温度T1（℃ ）：高程840.0～880.5m约束区为21℃ ，非约束区为23℃ 。中期冷却目标温度T2（℃ ）：大坝高程713.0～840m约束区为20℃ ，

非约束区为22℃ 。高程713.0～800m约束区16℃ ，高程800.0～840m约束区17℃ ，高程840.0～880.5m约束区18℃ 。二期冷却目标温度Tc（℃ ）同封拱温度。

2.通水冷却控制要求

根据拱坝混凝土温控防裂特点，为预防混凝土裂缝产生，混凝土通水冷却降温过程分为一期冷却、中期冷却、二期冷却共三期九个阶段，以降低混凝土内部最高温度、内外温差及不同高程范围的温度梯度，满足混凝土小温差、早冷却、缓慢冷却的要求。

（1）一期通水

对于大坝所有浇筑的混凝土，进行一期通水冷却措施，以降低混凝土最高温度。一期通水采用进坝水温5～7℃的制冷水，当天然河水水温能够满足最高温度控制要求时可采用。通水时间约为20d，水管通水流量通制冷水时不小于18L/min，通河水时不小于20L/min，日降温速率应≤0.5℃/d。达到一期通水目标后应采用控制措施避免温度回升，并维持该温度至中期冷却开始。冷却水方向每24h调换一次，但当进出口水温温差超过8℃时，应12h换向一次。

（2）中期通水

通水水温为8℃～10℃ ，当天然河水水温能够满足要求时，可采用天然河水。通水时间约15～20d，水管通水流量不小于20L/min，降温速率不大于0.5℃/d，

以混凝土块体温度达到16℃～18℃为准。通水冷却应尽量保持连续缓慢降温，同一灌区混凝土应同步中冷。

（3）二期通水

坝体接缝灌浆及岸坡接触灌浆的部位，在灌浆前，必须进行二期通水冷却，将混凝土温度降至灌浆温度。二期通水根据接缝灌浆进度安排，水温要求低于5℃ 。通水时应保证连续通水，缓慢降温，同一灌区混凝土应同步冷却，控制坝体降温速度不大于0.5℃/d。水管通水流量不小于18L/min，以坝体达到灌浆温度为准。坝体通水冷却后的温度应达到设计规定的坝体接缝灌浆温度，并在接缝灌浆之前维持通水。

（六）智能通水温度控制系统

1.系统架构及功能

智能通水温控系统是在大坝施工期布设的制冷水站及仓外管网、仓内管网、仓内测温温度计的基础上，增加了智能化的成套监测和控制设备及软件平台。整个系统包括热交换装置、热交换辅助装置、控制装置和大坝数据采集装置。为了实现远程监控，上述系统还可以包括远端控制装置、现场控制装置、热交换辅助装置、热交换装置、大体积混凝土数据采集装置和远端控制装置连接，连接方式为标准连接。

2.数据采集

混凝土出机口温度、入仓浇筑温度测试记录，在每个拌和楼、混凝土浇筑仓面派专人携带混凝土温度测试记录仪负责混凝土出机口和入仓浇筑温度测量，并发送数据。太阳辐射由太阳辐射仪测量太阳总辐射，包括传感器和数据传输设备，可联网将数据发送到平台。仓面和上下游温度梯度由埋设在典型坝段需要测量梯度的多个点式温度计连接温度梯度仪测量，温度梯度仪为前述拱坝多点温度采集装置，通过联网将数据发送到平台。

联网方式根据距离和施工便捷性做出不同选择，如距离较近（<50m），通过有线通信电缆连接到控制柜，如距离较远，直接通过无线方式连接到系统平台。

温控要素的检测内容既作为温控工作需要记录的内容，又是整个智能温控系统的有机组成部分和重要边界条件，参与实时智能控制和仿真的运算。

3.水站和管网

（1）管网布置

本工程选用3台LS-170m3/h冷水机用于大坝混凝土温控，每台冷水机组设备功率为568kW，每台冷水机组用电设备主要包括2台RC2-830BF螺杆压缩机（2*230kW）、1台KS-400m3/h全钢逆流式冷却塔（16kW）、1台55kW冷冻水循环泵、1台37kW冷却水循环泵。冷水站按照上下高差40m控制的原则分别布置在坝后桥及坝后边坡平台上。冷水站和廊道内冷却水管之间采用?300及?219的供水管路连接，形成循环闭合系统。

（2）通水设备

智能通水设备由通水柜、控制柜、一体流温控制、数字温度计和多点温度移动采集装置等部分组成，可个性化拆卸组装使用。通水柜包括通水温度采集、通水流量采集、通水流量控制、一体流温控制等装置，能满足多回路流量和温度一体组合控制，并集中与廊道内主供水管路水包接入。

（七）智能温控分析

1.最高温度

最高温度为93.6%。因本工程所用中热水泥具有早期水化速度快，水化放热量大等特点，个别仓最高温度小幅超标。

2.内外温差

设计要求控制混凝土内外温差≤16℃ ，各仓均满足要求。

3.上下层温差

设计要求控制混凝土上下层温差≤15℃ ，各仓均满足要求。

4.间歇期控制

设计要求层间歇时间一般控制在5～10d，实际浇筑中8#-004、9#-002两仓浇筑间歇期分别达16.8d、15.0d，超出间歇期控制标准。

5.浇筑温度

设计要求浇筑温度需低于12℃ ，实际平均出机口温度为6.7℃ ，符合率为100%；平均入仓温度为9.0℃ ，平均浇筑温度为9.9℃ ，符合率为100%。

6.通水冷却

各仓平均通水流量为22.0L/min，最大通水流量为141.5L/min；升温期间混凝土温度平均每天上升1.5℃ ，

温度日增长幅度最大为7.2℃（9#-02仓），平均通水流量为42.6L/min；混凝土降温期间日降温速率平均为0.25℃ ，平均通水流量为9.7L/min，降温速率符合率达94.8%。

7.气温

近期坝区气平均气温为-5.6℃ ，监测期间平均昼夜温差为11.2℃ ，最大昼夜温差为31.4℃ 。

（八）越冬保温

坝体上下游面喷涂10cm的聚氨酯进行永久保温。越冬仓面临时保温主要采用：0.6mm塑料薄膜+8cm厚聚乙烯保温被+三防帆布+0.6mm塑料薄膜+8cm厚聚乙烯保温被+2cm厚聚乙烯保温被+三防帆布；横缝主要采用0.6mm塑料薄膜+8cm厚XPS板+三防帆布+2*2cm厚聚乙烯保温被+三防帆布。

2021年11月20日至2022年2月25日，保温被内平均温度为7.4℃ ，平均气温为﹣5.6℃ 。保温被内温度日变幅平均小于2℃ ，显著低于气温日变幅。监测结果表明，越冬期间保温效果优良。从2022年2月25日开始揭除保温被进行裂缝普查情况看，未发现一条裂缝，说明所采取的永久及临时保温方案满足设计要求。

六、结语

从2021年大坝已浇筑仓整体温控情况：出机口温度、入仓温度、浇筑温度均100%满足设计要求，最高温度符合率为93.6%，间歇期控制满足率91.4%，降温速率控制符合率达94.8%，全过程平均仓内温差为2.4℃ 。2021-2022越冬期间，最低温度为-24℃ ，平

均气温为-5.6℃ ，平均昼夜温差为11.2℃ ，保温被内平均温度为7.4℃ ，日变幅平均小于2℃ ，监测结果表明，越冬期间保温效果优良。在坝体混凝土浇筑过程及越冬期过后坝体混凝土均未发生裂缝，坝体混凝土温度控制及越冬期保温均达到预期目的，说明采用严格的温度控制措施，尤其是采用智能温控技术对坝内混凝土从温度、流量、降温速率等方面进行全程精准化控制，严格按照设计方案组织实施冬季越冬保温措施，是严寒地区拱坝大体积混凝土温度控制的关键措施，值得推广和借鉴。

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