某大型复线船闸闸室底板实测温度统计分析

张 伟, 庄 维

(1. 安徽水安建设集团股份有限公司,安徽 合肥 230000;2. 三峡大学,湖北 宜昌 443002)

“十四五”以来,我国修建了数座大型船闸,由于船闸属于大体积混凝土工程,收仓后混凝土由于水化反应会产生大量热量[1],对施工质量存在一定的影响,为此,对其施工期进行必要的温控十分重要。不少学者对大体积混凝土船闸底板温控进行了研究。陈杰[2]等采用有限元软件对蒙城枢纽建设工程船闸底板温度场进行了分析,指出当前温控措施是有效的;张润德[3]等对清远枢纽二线船闸的智能通水冷却进行了研究,给出了一套高效通水冷却的方案;包俊[4]等在犍为船闸施工监理过程中,总结了一套温控监理措施,提高了船闸施工质量。

淮河流域处于我国南北气候过渡带,冬季低温和夏季高温天数较长,环境气温变化相对剧烈,在淮河流域建设大体积混凝土工程时进行必要的温控措施显得尤为重要。本工程结合一款具有无线温度传输功能的温度传感器来实时监测浇筑仓混凝土的温度。基于采集到的温度数据,从统计分析的角度,对不同季节浇筑的底板最高温度和内外温差进行了整理,并分析了环境气温、冷却水温、收仓温度对混凝土最高温度的影响。分析结果可为淮河流域类似船闸工程的温控提供一定的参考。

1 工程概况

某复线船闸工程位于安徽省六安市霍邱县,工程建设标准为2 000 t级单线单级船闸,顺水流共分为12节闸室,均采用钢筋混凝土整体式结构,采用C25P6F100混凝土浇筑。由于闸室底板混凝土一次性浇筑方量较大,收仓后混凝土水泥水化热温升会使混凝土内部温度过高,容易引起混凝土产生温度裂缝,需要对底板做好温控防裂措施[4-7]。为此,该工程在各底板布置了2层 32的PVC冷却水管,采用通自循环冷却水带走混凝土内部热量的方式来减小混凝土内外温差,同时对混凝土表面分季节采取不同的保温措施进行保温,其中,在夏季收仓后,采用“1层塑料薄膜”+“1层土工布”进行表面保湿养护,而冬季外界环境气温较低,因此采用“1层塑料薄膜”+“1层土工布”+“1层棉被”的方式进行混凝土表面保温。

2 闸室底板温度监测与布置

2.1 闸室底板温度监测

由于该大型船闸温度计埋设数量多,人工测温工作量大,为了及时准确的获取混凝土内部和表层温度,在底板内部2层冷却水管中间和表层均布置了具有无线温度传输功能的温度传感器,该温度传感器克服了传统电阻式温度传感器需要人工读数费事费力的缺点,可以实时监测混凝土温度变化,同时具备异地查看温度测值的功能,可以更好的指导调节温控措施。该无线温度传感器工作原理如图1所示。

图1 无线温度传感器工作示意图

2.2 闸室底板温度传感器布置

本工程闸室底板厚3 m,根据温控设计方案,在底板内部距底板上表面1 m和2 m深度处布置了冷却水管,水管间距为1 m×1.2 m(竖向×横向)。为监测入仓后底板中心处混凝土最高温度和内外温差,分别在各底板中心垂向上的上表面0.1 m和1.5 m深度处预埋了2支无线温度传感器来获取温度实测值,其中0.1 m深度处的温度传感器监测混凝土表面温度,1.5 m深度处的温度传感器监测混凝土最高温度,两者温度差值即为混凝土内外温差。与此同时,在冷却水管进水口处布置1支无线温度传感器监测进水口温度。冷却水管布置及温度计埋设位置如图2所示。

图2 冷却水管布置及温度计埋设示意图

3 船闸底板温度监测资料统计分析

3.1 混凝土最高温度及内外温差

基于无线温度传感器目前采集获得了闸室底板开仓后混凝土温度实时监测资料数据,本文首先对底板的最高温度及内外温差进行了统计。根据闸室底板浇筑时间,分春夏秋冬四个季节来分析闸室底板混凝土最高温度平均值及内外温差最大值平均值的变化。不同季节闸室底板混凝土最高温度平均值及内外温差最大值平均值的变化如图3所示。

图3 不同季节闸室底板混凝土最高温度平均值及内外温差最大值平均值

从图3可以看出:①闸室底板混凝土最高温度平均值随季节变化明显。夏季环境气温高,混凝土最高温度平均值最大,达69.12 ℃;春季环境气温略低于秋季环境气温,在春季浇筑的混凝土最高温度平均值同样略低于秋季浇筑的混凝土最高温度平均值;由于冬季施工环境气温最低,在该季节浇筑的混凝土最高温度平均值最低,为55.82 ℃。②由于混凝土表层温度受外界环境气温、表面保温措施等多种因素的影响,不同季节底板混凝土内外温差最大值的平均值存在一定的差异。在冬、秋、春季浇筑混凝土时,混凝土内部最高温度相对偏低,虽然其表面采用“1层塑料薄膜”+“1层土工布”+“1层棉被”的方式进行混凝土表面保温,但由于施工机械停放的原因,导致覆盖的土工布被较早揭开,因此混凝土表面温度相对较低,内外温差最大值的平均值相对较大;夏秋季环境气温较高,导致混凝土内部温度高[8],尤其是夜晚,环境气温降低后,此时内外温差加大。

3.2 不同因素对混凝土最高温度影响分析

混凝土最高温度不仅受水泥水化反应放热的影响,同时也受环境气温、冷却水温和收仓温度的影响。为了分析这3种因素对混凝土最高温度的影响,统计了不同季节底板浇筑仓混凝土到达最高温度之前的环境气温均值、冷却水水温均值和混凝土收仓温度均值,分析在不同季节3种影响因素对浇筑仓混凝土最高温度的影响。特征值如图4所示。

图4 不同季节不同影响因素均值及混凝土最高温度均值

从图4可以看出:①混凝土收仓温度、环境气温、冷却水温均呈现春秋季节相当、夏季最高、冬季最低的现象,与之对应的混凝土最高温度也随季节变换呈现周期性变化。②由于拌合楼离仓面较近(<500 m)且一般是夜间浇筑混凝土,但无论高温季节还是低温季节,混凝土均是自然入仓,收仓温度受环境气温影响较大,特别是当年夏季遭受极端天气,夏季环境气温均值高达31.04 ℃,导致混凝土在温升阶段初始温度夏季高、其余季节稍低,冬夏两季收仓温度差值最大,为9.33 ℃。③由于现场从淮河引河水不便,本工程采用3 m3塑料水桶形成自循环冷却通水装置,虽然定期置换水体,但夏季受太阳辐射热及混凝土内部温度较高的影响,导致冷却水温均值达38.54 ℃,而混凝土内部主要通过与冷却水进行热交换来带走热量,冷却水温偏高时,冷却水带走的热量明显偏少。

4 结束语

(1)船闸底板混凝土最高温度随季节呈现周期性变化,冬季最低,为55.82 ℃,春秋季节相近,相差1.71 ℃,夏季最高,为69.12 ℃;内外温差受外界环境气温和表面保温措施等多种因素影响,总体偏大。

(2)不同季节环境气温存在明显差异导致混凝土收仓温度不同,冷却水水温过高导致混凝土与冷却水热交换的热量较少,三者叠加后在高温季节使得混凝土最高温度明显偏高。

(3)由于混凝土最高温度偏高,在施工过程中可以分阶段对混凝土温度进行控制。首先在水泥品种选择上,可以选择低水化热水泥拌合混凝土,这样可以使3 d、7 d水化热较通用水泥减少15%～20%左右;然后是在拌合混凝土前,对骨料预冷,降低入仓前混凝土的温度;最后是收仓后及时洒水养护、严格控制冷却水温。从多角度全过程进行温度控制,来有效降低混凝土最高温度。