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南水北調(diào)西線工程面板混凝土施工溫度控制探討

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2008-04-17  來源:中國混凝土網(wǎng)  作者:蔡仲銀,李惠安,陳友平,王 偉
核心提示:南水北調(diào)西線工程面板混凝土施工溫度控制探討

摘要:針對南水北調(diào)西線工程惡劣自然環(huán)境和獨特工程特性條件下面板堆石壩施工對混凝土面板提出的技術(shù)要求,通過熱工計算,推導(dǎo)混凝土施工過程中各階段的溫度控制指標(biāo)、措施和一些規(guī)律,對南水北調(diào)西線工程混凝土施工具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:南水北調(diào)西線工程;混凝土;嚴(yán)寒地區(qū);溫度控制

中圖分類號: TV68 ; TV523   文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B   文章編號:1672-1683 (2008) 02-0017-03

1  工程概況及氣候條件

1. 1  工程概況

  南水北調(diào)西線工程地處青藏高原東南部,是從長江上游干支流調(diào)水入黃河上游的跨流域宏偉工程,是解決我國西北地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的重大基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)國務(wù)院批復(fù)同意的南水北調(diào)東、中、西線三項工程總體規(guī)劃,西線工程分三期實施:第一期工程從雅礱江、大渡河5 條支流調(diào)水40 億m3 ,第二期工程從雅礱江干流調(diào)水50 億m3 ,第三期工程從金沙江干流調(diào)水80 億m3 。三期工程共調(diào)水170 億m3 。通過隧洞穿越長江、黃河的分水嶺,輸水入黃河上游,解決黃河中上游青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙、陜西、山西6 省區(qū)的缺水問題。工程區(qū)海拔3 400~4 700 m ,引水樞紐處河床海拔3 400~3 600m ,第一期工程控制流域面積2 萬m2 。

  2002 年12 月27 日國務(wù)院宣布南水北調(diào)工程開工,東、中線工程已全面開工,西線工程正抓緊前期工作,規(guī)劃第一期工程2010 年前后開工興建。

  第一期工程由“六壩、七洞、五渡槽、一倒虹吸”串聯(lián)而成。輸水線路串連達(dá)曲、泥曲、色曲、杜柯河、瑪柯河、克曲6 條支流,在此支流上修建6 座大壩,即:達(dá)曲的阿安,泥曲的仁達(dá),色曲的洛若,杜柯河的珠安達(dá),瑪柯河的霍那,克曲的克柯;壩高依次為131 m、123 m、30 m、114 m、100 m、52 m;其中有3座混凝土面板堆石壩。

1. 2  氣候條件

  工程區(qū)地處青藏高原,屬高原寒溫帶濕潤區(qū),低氣壓、缺氧、寒冷是其氣候的基本特點。工程區(qū)年平均氣溫0 ℃~614 ℃,極端低溫為- 34 ℃~ - 36. 3 ℃。全年平均降雪量超過100 mm ,全年實際降雪日數(shù)為79~102 d ,積雪日數(shù)為43~54d ,最大積雪厚度在20 cm 以下。地面氣壓在600~700 hPa之間,相當(dāng)于海平面氣壓的60 %~70 % ,空氣中的含氧量相當(dāng)于海平面的60 %~72 %。年平均風(fēng)速一般為1. 5 m/ s ,最大風(fēng)速超過24 m/ s。

  南水北調(diào)西線工程的自然環(huán)境條件決定了混凝土除了必須具備常規(guī)的物理力學(xué)指標(biāo)外,還必須滿足低溫早強,良好的耐久性及溫度控制指標(biāo)。

  對于混凝土面板堆石壩施工,這樣大面積的混凝土澆筑,防止貫穿裂縫和深層裂縫尤為重要。貫穿裂縫可切斷壩體的結(jié)構(gòu)斷面,可能破壞壩體結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性,其危害是嚴(yán)重的,可能引起迎水面板漏水。深層裂縫部分切斷了壩體結(jié)構(gòu)的斷面,也有一定的危害性。因此,防止裂縫發(fā)生,是混凝土面板堆石壩的混凝土結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)一項重要任務(wù)。

  通過面板堆石壩面板混凝土的熱工計算,確定不同工況條件下經(jīng)濟易行的施工工藝和養(yǎng)護方法,確保混凝土在西線特殊的低氣溫條件下能夠持續(xù)硬化不受凍,在規(guī)定的時間內(nèi)獲得所需的強度和耐久性;盡量減少混凝土對凍土的熱影響;混凝土在水化過程中由于西線工程區(qū)溫差變化大的環(huán)境因素,盡量控制混凝土因內(nèi)外溫差過大,防止混凝土裂縫發(fā)生是完全可能的。

2  混凝土澆筑溫度熱工計算與分析

  在低溫或負(fù)溫條件下養(yǎng)護,不直接與凍土接觸的混凝土澆筑,其入模溫度以5 ℃~10 ℃為宜。

2. 1  計算條件及公式

  計算不同條件下混凝土澆筑溫度,計算條件如下。(1) 滿足西線工程混凝土耐久性技術(shù)條件的面板混凝土配合比見表1 。(2) 碎石露天堆放,溫度與外界環(huán)境溫度一致。(3) 水泥及外加劑存放暖棚內(nèi),溫度與攪拌棚溫度一致。(4) 運輸環(huán)境溫度與外界環(huán)境溫度一致。

  據(jù)文獻(xiàn)[1 ]推薦的混凝土熱工計算公式。

  混凝土澆筑溫度決定于拌和機的混凝土出機口溫度和運輸、澆筑過程中溫度的回升或降低。根據(jù)混凝土拌和前各原材料的總熱量相等,可得到混凝土出機溫度:

Te = [ (Cs + Cwqs )ωs Ts + (Cg + Cwqg )ωg Tg + Ccωc Tc + Cw(ωw - qsωs - qsωg) Tw / (Csωs + Cgωg + Ccωc + Cwωw ) ] (1)

  式中: Cs、Cg、Cc、Cw —砂、石、水泥及水的比熱,分別取930 、837 、779 和4 187 ,J / kg ·℃; qs、qg —砂及石的含水率,分別取5 %和2 %;ωs、ωg、ωc、ωw —每方混凝土中砂、石、水泥(包括外加劑) 及水的用量,分別取654 、1 256 、370 和128 , kg; Ts 、Tg 、Tc 、Tw —砂、石、水泥(包括外加劑) 及水的溫度, ℃; Te —混凝土拌和物的出機溫度, ℃。

  混凝土出拌和機后,它的出機口溫度經(jīng)過運輸、平倉及振搗將發(fā)生變化。夏季施工時,外界氣溫較高,所以混凝土澆筑溫度比其出機口溫度高。冬季施工時,則其混凝土澆筑溫度低于出機口溫度。這種冷量或熱量的損失,隨運輸工具種類、運輸時間長短、轉(zhuǎn)運次數(shù)及平倉、振搗時間長短而變化。根據(jù)西線工程具體條件,混凝土澆筑溫度計算公式:

Tp = Te + ( Ta - Te) (θ1 +θ2 +θ3 ) (2)

  式中: Tp —混凝土澆筑溫度, ℃; Te —混凝土拌和物的出機溫度, ℃; Ta —混凝土運輸過程中的環(huán)境溫度, ℃;θ1 —混凝土裝、卸和轉(zhuǎn)運的溫度損失系數(shù),每次的損失系數(shù)值各為0. 032 ,如裝、卸和轉(zhuǎn)運共3 次, 則θ1 = 3 ×0. 032 ; 如只有裝、卸共2次,則θ1 = 2 ×0. 032 ;余類推。按照西線工程的總體布置和施工方案,不考慮轉(zhuǎn)運。θ2 —混凝土運輸過程中的溫度損失系數(shù),θ2 = A t , t 為混凝土運輸于澆筑地點需要時間(min) , A 為系數(shù),其值與運輸工具的形式、運輸工具的容量和運輸工具的保溫措施有關(guān),混凝土運輸工具與系數(shù)A 的關(guān)系見表2 ,根據(jù)西線工程的混凝土運輸機械配套和保溫措施, A 值取0. 001 5 。θ3 —混凝土澆筑運輸過程中的溫度損失系數(shù),θ3 =0. 003 t , t 為混凝土澆筑時間(min) ,根據(jù)西線工程的總體布置和施工方案, t 值取7 min。

2. 2  影響出機溫度和澆筑溫度的要素分析

  (1) 拌和水溫度變化1 ℃時,混凝土的出機溫度相應(yīng)增減0. 118 ℃。(2) 砂子的溫度變化1 ℃時,混凝土的出機溫度相應(yīng)增減0. 3 ℃。(3) 水泥及外加劑的溫度變化1 ℃,混凝土的出機溫度相應(yīng)增減0. 116 ℃。(4) 混凝土澆筑溫度與混凝土出機口溫度、環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)運次數(shù)、運輸時間和澆筑時間均有關(guān)系。在出機口溫度和環(huán)境溫度一定的情況下,減少轉(zhuǎn)運次數(shù)或不轉(zhuǎn)運、縮短運輸時間和澆筑時間,對提高澆筑溫度是很有利的。

  誠然,水泥不得直接加熱,使用前宜運入暖棚內(nèi)存放,所以,在西線調(diào)水工程施工的各項措施中,應(yīng)優(yōu)先采取提高攪拌棚、庫房溫度措施。通過以上計算分析,由于水的比熱為砂石的5 倍,并且水的加熱簡單,溫度易于控制,因此在不宜再提高攪拌棚、庫房溫度的情況下,依次采取加熱水、砂、石子的措施。

2. 3  滿足澆筑溫度的工況

  滿足澆筑溫度的工況見表3 ,從中可以得出如下結(jié)論。

  (1) 當(dāng)西線環(huán)境氣溫為- 15 ℃時,如暖棚溫度為10 ℃以下(包括10 ℃) ,則不但要加熱水,還要加熱砂子;暖棚溫度為15 ℃,當(dāng)運輸時間在45 min 以上時需要加熱砂子;當(dāng)運輸時間在45 min 以下時只需要加熱水,砂子只需提前運入暖棚預(yù)熱一下,而不需要加熱。

  (2) 當(dāng)環(huán)境氣溫為- 10 ℃時,如暖棚溫度為5 ℃,則不但要加熱水,還要加熱砂子;暖棚溫度為10 ℃以上時,只需要加熱水,而砂子只需要提前運入暖棚預(yù)熱一下,而不需要加熱。

  (3) 當(dāng)環(huán)境氣溫為- 5 ℃時,如暖棚溫度為0 ℃時,不但需要加熱水,還需要提前將砂子運入暖棚,達(dá)到和暖棚相同的溫度,當(dāng)運輸時間在60 min 以上時還需要加熱砂子;暖棚溫度為5 ℃,當(dāng)運輸時間在15 min 以內(nèi)時,只需要加熱水;當(dāng)運輸時間在15 min 以上時,不但需要加熱水,還需要提前將砂子運入暖棚預(yù)熱到0 ℃;暖棚溫度為10 ℃,只要運輸時間不超過45 min 只需要加熱水, 運輸時間超過45 min 時,不但需要加熱水,還需要提前將砂子運入暖棚預(yù)熱到0 ℃;暖棚溫度為15 ℃、運輸時間在60 min 以下時,只需要加熱水,運輸時間超過60 min 時,不但需要加熱水,還需要提前將砂子運入暖棚預(yù)熱到0 ℃。

  (4) 環(huán)境氣溫為0 ℃時,只需要加熱水。

2. 4  不同工況混凝土施工方案建議

  西線環(huán)境氣溫在- 10 ℃~ - 15 ℃時,以暖棚溫度為15 ℃左右為宜,如混凝土運輸時間較長(45 min 以上) ,則提前將砂子加熱;如混凝土運輸時間較短(45 min 以下) ,則提前將砂子運入暖棚稍稍預(yù)熱一下即可;環(huán)境氣溫在- 5 ℃~ - 10 ℃之間,暖棚溫度以10 ℃為宜;環(huán)境氣溫在- 5 ℃~0 ℃,則暖棚溫度以5 ℃左右為宜,但混凝土運輸時間應(yīng)適當(dāng)控制;當(dāng)環(huán)境氣溫在0 ℃及以上時,不需要搭建暖棚,只需要對拌和水進行適當(dāng)加熱;當(dāng)環(huán)境氣溫在5 ℃及以上時,不需要任何加熱措施,混凝土的入模溫度也能達(dá)到5 ℃以上。

3  混凝土冬季施工注意事項

  南水北調(diào)西線工程低、負(fù)溫條件下混凝土施工,應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行混凝土冬季施工的有關(guān)規(guī)定,加強過程控制,這對保證混凝土質(zhì)量有著至關(guān)重要、不容忽視的作用。

  (1) 骨料中不得含有冰雪和凍塊,骨料中夾的冰雪團塊會消耗大量熱能,降低混凝土的初始溫度,甚至影響混凝土質(zhì)量。

  (2) 水的加熱溫度不宜超過80 ℃,骨料的加熱溫度不宜超過40 ℃,水泥和外加劑不得加熱,應(yīng)提前運入暖棚中預(yù)熱。當(dāng)水的加熱溫度超過60 ℃時,應(yīng)改變投料順序,即先投入骨料和熱水,拌勻后再投入水泥和外加劑。

  (3) 骨料的加熱不宜用直火加熱的方式,宜采用蒸汽加熱。直火加熱骨料干熱且受熱不均勻,造成骨料吸水率增大,影響混凝土和易性;骨料局部灼熱而遭破壞,影響混凝土強度;混凝土內(nèi)部骨料周圍水泥失水產(chǎn)生毛細(xì)裂紋,影響混凝土耐久性。

  (4) 應(yīng)加強施工過程中原材料、混凝土拌和物及成型混凝土的測溫工作,并做好記錄。原材料、混凝土拌和物測溫每工班至少兩次,成型混凝土在混凝土達(dá)到臨界強度前應(yīng)每隔2 h測一次,以后每隔4 h 測一次,直至養(yǎng)護結(jié)束。

  (5) 成型混凝土應(yīng)帶模養(yǎng)護,在模板外覆蓋棉被和塑料薄膜,混凝土達(dá)到臨界強度后再拆模。拆模后在混凝土表面覆蓋一層塑料薄膜,然后覆蓋一層棉被,在棉被外再覆蓋一層塑料薄膜。

  (6) 保溫材料受潮后保溫性能大大降低,因此保溫材料必須保持干燥,不得和冰雪混雜堆放。

  (7) 混凝土澆筑期間,應(yīng)隨時注意觀察了解氣溫變化情況,并根據(jù)測溫記錄,進行熱工計算,可采用成熟度理論推算混凝土的強度,及時調(diào)整施工方案。

4  結(jié)語

  南水北調(diào)西線工程的自然環(huán)境是比較惡劣的,如何選取既能保證混凝土質(zhì)量,又經(jīng)濟易行的施工方法是施工面臨的一個現(xiàn)實問題。

參考文獻(xiàn):

  [ 1 ]  梁 潤. 施工技術(shù)[M] . 北京:水利電力出版社,1985.

  [ 2 ]  郁慕賢. 青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁混凝土施工溫度控制[J ] . 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報,2003 ,7.

 
 
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