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摘要:混凝土在施工中因温度变化而产生温度裂缝，是一个普遍存在而又难以解决的问题，而有效控制施工溫度是保证混凝土结构质量的关键。本文结合水库大坝混凝土工程，对混凝土施工温度计算方法和计算结果进行了分析，最后制定了混凝土温度控制措施，以防止温度裂缝的出现，保证混凝土结构的质量与安全。
关键词:水库；混凝土；温度计算；温度控制；保温；养护
中图分类号： P343 文献标识码： A 文章编号：
混凝土是应用最为广泛的工程结构材料，在水库大坝的建设中更是不可缺少的建筑材料。但混凝土温度裂缝始终是应用中难以解决的质量通病。由于混凝土单次浇筑方量大，加上混凝土自身放热量大，散发大量的水化热，所以会产生较大的温度变化和体积变化，由此而产生温度应力，从而产生温度裂缝。影响混凝土裂缝最主要的是温度的影响，因此，在水库大坝混凝土施工中，关键是控制混凝土温度，采取科学的养护措施和降温措施是减少温度裂缝和提高混凝土浇筑质量的关键因素，也是保障水库大坝安全运行的重要措施。
1坝体温度场计算与分析
某水库大坝，高20.8m，顶宽2.5m，顶长80.19m，EL1520m以下设计为C25混凝土，EL1520以上设计为C20混凝土。坝体分为4个坝段，设有3条横缝，混凝土总量2.5万m3。
1.1稳定温度场计算
(1)边界条件
1)坝基面温度。坝基面的温度按上下游坝趾和坝踵水温，中间呈直线变化为坝体建基面温度。
2)下游尾水水温。取13.0℃。
(2)计算方法及成果
坝体稳定温度场应满足拉普拉斯方程
式中，t为混凝土温度，℃。
计算采用平面有限元(三角形)单元分析方法，在微机上实现。根据计算成果整理的典型坝段稳定分布图如图1所示。
图1典型坝段稳定温度场
用平均法进行拱坝坝体稳定温度的计算，经计算，典型坝段稳定温度见表1。
表1典型坝段稳定温度计算成果表
注:L为浇筑块长边长度。
1.2不稳定温度场计算
(1)计算方法
混凝土浇筑以后，由于水泥水化热的散发和受边界温度的影响，坝体各浇筑层的温度随着时间不断变化，因此，需要确定各时期坝块的温度分布。
不稳定温度场满足热传导方程
混凝土与空气接触按第3类边界条件考虑
式中:t为混凝土温度，℃；为时间，h；a为导温系数，m2/h；x，y，z为各向坐标；H为水化热绝热温升，℃；K为混凝土导热系数，kJ/(m2·h·℃)；B为混凝土表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；ta为空气温度，℃。
不稳定温度场采用平面有限元分析方法进行计算，计算剖面及边界示意图如图2所示。
根据热量平衡原理，将计算剖面从中央断面处取一半计算，并视中央断面为绝热边界。取混凝土外9m、深10m的地基参与计算，地基除基岩暴露面为3类边界外，其余各边为绝热边界。混凝土顶面及侧表面为3类边界(顶面若流水则为1类边界)，顶面无保护、侧面无保护或钢模，热交换系数B取64.0kJ/(m2·h·℃)。
图2计算剖面及边界示意图
(2)计算假定
1)浇筑层厚分别取1.5m、2.0m，间歇期7d，对不同浇筑时段进行计算；
2)坝内埋设冷却水管，通天然河水进行一期水管冷却，冷却水管水平间距按1.5m计算，垂直间距与浇筑分层厚度一致；
3)浇筑温度取自然入仓温度或18.0℃(出机口温度为16.0℃)；
4)基础块最大长度25.0m。
(3)计算结果与分析
采用上述计算假定进行不稳定温度场计算，结果见表3。
表3 不稳定温度场计算成果
计算结果表明，强约束区(0～0.2L，L为浇筑块长边长度)浇筑时段在5-9月，浇筑层厚1.5m，间歇5～7d，出机口温度不大于16℃，采取水管冷却(通天然河水)和表面流水措施；在10月-次年4月，浇筑层厚1.5m，间歇7d，自然入仓浇筑，采取表面流水措施。弱约束区(0.2～0.4L)浇筑时段在5-9月，浇筑层厚2.0m，间歇5～7d，自然入仓浇筑，采取水管冷却(通天然河水)和表面流水措施；在10月-次年4月，浇筑层厚2.0m，间歇5～7d，自然入仓，采取表面流水措施。
2坝体混凝土温度控制措施
2.1混凝土温度的控制因素
从上述混凝土温度场计算中得知基础温差△t=tp+tr-tf。式中:tp为混凝土浇筑温度；tr为混凝土的水化热温升；tf为坝块的稳定温度或准稳定温度。由于tf是由混凝土特性和长时间所处环境所确定的，属于不可控范畴，一旦混凝土配合比确定，则混凝土的水化热温升tr就可以确定，是一个相对稳定的数值。但在施工中，混凝土温度控制的主要指标为浇筑温度和坝块最高允许温度。
浇筑温度的控制主要由出机口温度决定，考虑到运输过程中混凝土的温升，将出机口温度定为低于浇筑温度2℃。
坝块最高温度由通水(河水和制冷水)冷却来进行控制，并通过通水来控制砼的温升，满足上、下层温差及内外温差的要求，并最终达到封拱温度要求。在施工中，根据实测温度值来决定通水(河水或制冷水)的时间和流量。
2.2绝热条件下混凝土水化热温升计算
式中:θ0为混凝土最终绝热温升，℃；Q0为水泥水化热总量，kJ/kg。28d，取280.1kJ/kg；W为水泥用量，kg/m3。C20用量为165kg，C25用量为182kg；Qc为混凝土的密度，kg/m3。取为2320kg/m3；Cc为混凝土比热，kJ/(kg·℃)。
C20绝热温升θ0=(165×280.1)/(2320×0.989)=20.14(℃)；
C25绝热温升θ0=(182×280.1)/(2320×0.989)=22.22(℃)。
其他时刻的绝热温升可按θ=θ0(1-℃-m)进行计算。式中: θ为时的绝热温升，℃；θ0为混凝土最终绝热温升，℃；m为水泥发热速率参数，1/d。m值与浇筑温度的关系表见表4。
表4 m值与浇筑温度的关系表
2.3水温控制措施
采用2℃制冷水，按75m3/h生产计算，冷水供应强度为9.75m3/h，选用10m3/h的制冷设备。砂温控制措施:湿法生产，设2个成品料仓，料仓设钢桁架屋顶遮阳措施。水泥降温措施:采用自来水喷淋及遮阳措施。石子降温措施:料仓设计成方形筒仓，用2℃冷水喷淋降温。将28℃石子降为14℃，需2℃水用量为21m3/h，配置1台25m3/h的冷却机组。
2.4混凝土表面保温
在低温季节或气温骤降期间需对混凝土表面进行保温。保温时间至少为1个低温季节。对于基础约束区，2～3d的日均温度下降超过6℃时，视为气温骤降；对于非基础约束区，2～3d的日均温度超过8℃时，视为气温骤降。保温的目的是避免因表面温度梯度过大而产生表面裂缝。在实际施工中，为便于掌握保温时间，可以按施工规范，当坝体内外温差有可能大于20℃时，即对混凝土表面进行保温。
2.5混凝土养护
混凝土在浇筑后如不加养护，表面的水分由于蒸发而急剧损失，会影响混凝土强度的发展，甚至会引起干缩裂缝。因此，在混凝土浇筑完毕后12～18h即开始养护，但在炎热、干燥的气候条件下应提前养护。
(1)永久暴露面养护
大坝永久暴露面为坝体的上、下游面，采用ª32mm聚乙烯塑料管(P℃管)，每隔20～30cm钻ª1mm左右的小孔，挂在模板上或外露拉条筋上，通水量15L/min左右。混凝土拆模后即开始流水养护，水管随模板上升而上升，白天实行不间断流水养护，夜间可实行间断流水养护，即流水养护1h，保持湿润1h，当夜间气温超过25℃时实行不间断流水养护。
(2)左右侧面养护
左右侧使用的键槽模板不宜挂水管，而进行小流量水喷洒或人工洒水养护，特别是低块浇筑时，既要养护好侧面又不能将水流到仓内，养护时间不少于90d。
(3)水平面养护
当混凝土在初凝后，能抵抗自然流水破坏，表面即可进行洒水养护，洒水时在水龙头上加莲蓬头，仓面的养护时间直至上仓浇筑为止。
(4)雨天养护
下雨持续时间超过30min，停止各坝块表面及侧面养护工作；下雨持续超过1h，停止下、下游面及外露孔口侧面的流水养护；雨停后1h恢复正常的养护工作。
2.6温度测量
在混凝土施工过程中，至少每4h测量一次混凝土原材料的温度、出机口混凝土温度以及坝体冷却水的温度和气温，并做好记录。混凝土浇筑温度的测量，每100m2仓面面积应不少于1个测点，每一浇筑层应不少于3个测点，测点应均匀分布在浇筑层面上。在浇筑块内部按每150m2埋设1支温度计或热电偶进行温度观测。
3结束语
总之，防止、控制混凝土由于温升产生裂缝是混凝土结构施工中最常见，也是较难解决的问题之一。在本文中，通过对混凝土施工温度的计算和分析，采取一系列的温度控制措施，到目前为止，该大坝未出现危害性裂缝。因此，本水库大坝混凝土对温度控制是较为成功的，其经验值得类似工程参考借鉴。
参考文献
[1] 郭德强.水库大坝混凝土浇筑温度的控制[J].技术与市场,2011年第06期
[2] 张玉霞.水库大坝混凝土浇筑温度控制措施及其监测工作探讨[J].水利建设与管理,2012年第09期
关键词:水库；混凝土；温度计算；温度控制；保温；养护
中图分类号： P343 文献标识码： A 文章编号：
混凝土是应用最为广泛的工程结构材料，在水库大坝的建设中更是不可缺少的建筑材料。但混凝土温度裂缝始终是应用中难以解决的质量通病。由于混凝土单次浇筑方量大，加上混凝土自身放热量大，散发大量的水化热，所以会产生较大的温度变化和体积变化，由此而产生温度应力，从而产生温度裂缝。影响混凝土裂缝最主要的是温度的影响，因此，在水库大坝混凝土施工中，关键是控制混凝土温度，采取科学的养护措施和降温措施是减少温度裂缝和提高混凝土浇筑质量的关键因素，也是保障水库大坝安全运行的重要措施。
1坝体温度场计算与分析
某水库大坝，高20.8m，顶宽2.5m，顶长80.19m，EL1520m以下设计为C25混凝土，EL1520以上设计为C20混凝土。坝体分为4个坝段，设有3条横缝，混凝土总量2.5万m3。
1.1稳定温度场计算
(1)边界条件
1)坝基面温度。坝基面的温度按上下游坝趾和坝踵水温，中间呈直线变化为坝体建基面温度。
2)下游尾水水温。取13.0℃。
(2)计算方法及成果
坝体稳定温度场应满足拉普拉斯方程
式中，t为混凝土温度，℃。
计算采用平面有限元(三角形)单元分析方法，在微机上实现。根据计算成果整理的典型坝段稳定分布图如图1所示。
图1典型坝段稳定温度场
用平均法进行拱坝坝体稳定温度的计算，经计算，典型坝段稳定温度见表1。
表1典型坝段稳定温度计算成果表
注:L为浇筑块长边长度。
1.2不稳定温度场计算
(1)计算方法
混凝土浇筑以后，由于水泥水化热的散发和受边界温度的影响，坝体各浇筑层的温度随着时间不断变化，因此，需要确定各时期坝块的温度分布。
不稳定温度场满足热传导方程
混凝土与空气接触按第3类边界条件考虑
式中:t为混凝土温度，℃；为时间，h；a为导温系数，m2/h；x，y，z为各向坐标；H为水化热绝热温升，℃；K为混凝土导热系数，kJ/(m2·h·℃)；B为混凝土表面放热系数，kJ/(m2·h·℃)；ta为空气温度，℃。
不稳定温度场采用平面有限元分析方法进行计算，计算剖面及边界示意图如图2所示。
根据热量平衡原理，将计算剖面从中央断面处取一半计算，并视中央断面为绝热边界。取混凝土外9m、深10m的地基参与计算，地基除基岩暴露面为3类边界外，其余各边为绝热边界。混凝土顶面及侧表面为3类边界(顶面若流水则为1类边界)，顶面无保护、侧面无保护或钢模，热交换系数B取64.0kJ/(m2·h·℃)。
图2计算剖面及边界示意图
(2)计算假定
1)浇筑层厚分别取1.5m、2.0m，间歇期7d，对不同浇筑时段进行计算；
2)坝内埋设冷却水管，通天然河水进行一期水管冷却，冷却水管水平间距按1.5m计算，垂直间距与浇筑分层厚度一致；
3)浇筑温度取自然入仓温度或18.0℃(出机口温度为16.0℃)；
4)基础块最大长度25.0m。
(3)计算结果与分析
采用上述计算假定进行不稳定温度场计算，结果见表3。
表3 不稳定温度场计算成果
计算结果表明，强约束区(0～0.2L，L为浇筑块长边长度)浇筑时段在5-9月，浇筑层厚1.5m，间歇5～7d，出机口温度不大于16℃，采取水管冷却(通天然河水)和表面流水措施；在10月-次年4月，浇筑层厚1.5m，间歇7d，自然入仓浇筑，采取表面流水措施。弱约束区(0.2～0.4L)浇筑时段在5-9月，浇筑层厚2.0m，间歇5～7d，自然入仓浇筑，采取水管冷却(通天然河水)和表面流水措施；在10月-次年4月，浇筑层厚2.0m，间歇5～7d，自然入仓，采取表面流水措施。
2坝体混凝土温度控制措施
2.1混凝土温度的控制因素
从上述混凝土温度场计算中得知基础温差△t=tp+tr-tf。式中:tp为混凝土浇筑温度；tr为混凝土的水化热温升；tf为坝块的稳定温度或准稳定温度。由于tf是由混凝土特性和长时间所处环境所确定的，属于不可控范畴，一旦混凝土配合比确定，则混凝土的水化热温升tr就可以确定，是一个相对稳定的数值。但在施工中，混凝土温度控制的主要指标为浇筑温度和坝块最高允许温度。
浇筑温度的控制主要由出机口温度决定，考虑到运输过程中混凝土的温升，将出机口温度定为低于浇筑温度2℃。
坝块最高温度由通水(河水和制冷水)冷却来进行控制，并通过通水来控制砼的温升，满足上、下层温差及内外温差的要求，并最终达到封拱温度要求。在施工中，根据实测温度值来决定通水(河水或制冷水)的时间和流量。
2.2绝热条件下混凝土水化热温升计算
式中:θ0为混凝土最终绝热温升，℃；Q0为水泥水化热总量，kJ/kg。28d，取280.1kJ/kg；W为水泥用量，kg/m3。C20用量为165kg，C25用量为182kg；Qc为混凝土的密度，kg/m3。取为2320kg/m3；Cc为混凝土比热，kJ/(kg·℃)。
C20绝热温升θ0=(165×280.1)/(2320×0.989)=20.14(℃)；
C25绝热温升θ0=(182×280.1)/(2320×0.989)=22.22(℃)。
其他时刻的绝热温升可按θ=θ0(1-℃-m)进行计算。式中: θ为时的绝热温升，℃；θ0为混凝土最终绝热温升，℃；m为水泥发热速率参数，1/d。m值与浇筑温度的关系表见表4。
表4 m值与浇筑温度的关系表
2.3水温控制措施
采用2℃制冷水，按75m3/h生产计算，冷水供应强度为9.75m3/h，选用10m3/h的制冷设备。砂温控制措施:湿法生产，设2个成品料仓，料仓设钢桁架屋顶遮阳措施。水泥降温措施:采用自来水喷淋及遮阳措施。石子降温措施:料仓设计成方形筒仓，用2℃冷水喷淋降温。将28℃石子降为14℃，需2℃水用量为21m3/h，配置1台25m3/h的冷却机组。
2.4混凝土表面保温
在低温季节或气温骤降期间需对混凝土表面进行保温。保温时间至少为1个低温季节。对于基础约束区，2～3d的日均温度下降超过6℃时，视为气温骤降；对于非基础约束区，2～3d的日均温度超过8℃时，视为气温骤降。保温的目的是避免因表面温度梯度过大而产生表面裂缝。在实际施工中，为便于掌握保温时间，可以按施工规范，当坝体内外温差有可能大于20℃时，即对混凝土表面进行保温。
2.5混凝土养护
混凝土在浇筑后如不加养护，表面的水分由于蒸发而急剧损失，会影响混凝土强度的发展，甚至会引起干缩裂缝。因此，在混凝土浇筑完毕后12～18h即开始养护，但在炎热、干燥的气候条件下应提前养护。
(1)永久暴露面养护
大坝永久暴露面为坝体的上、下游面，采用ª32mm聚乙烯塑料管(P℃管)，每隔20～30cm钻ª1mm左右的小孔，挂在模板上或外露拉条筋上，通水量15L/min左右。混凝土拆模后即开始流水养护，水管随模板上升而上升，白天实行不间断流水养护，夜间可实行间断流水养护，即流水养护1h，保持湿润1h，当夜间气温超过25℃时实行不间断流水养护。
(2)左右侧面养护
左右侧使用的键槽模板不宜挂水管，而进行小流量水喷洒或人工洒水养护，特别是低块浇筑时，既要养护好侧面又不能将水流到仓内，养护时间不少于90d。
(3)水平面养护
当混凝土在初凝后，能抵抗自然流水破坏，表面即可进行洒水养护，洒水时在水龙头上加莲蓬头，仓面的养护时间直至上仓浇筑为止。
(4)雨天养护
下雨持续时间超过30min，停止各坝块表面及侧面养护工作；下雨持续超过1h，停止下、下游面及外露孔口侧面的流水养护；雨停后1h恢复正常的养护工作。
2.6温度测量
在混凝土施工过程中，至少每4h测量一次混凝土原材料的温度、出机口混凝土温度以及坝体冷却水的温度和气温，并做好记录。混凝土浇筑温度的测量，每100m2仓面面积应不少于1个测点，每一浇筑层应不少于3个测点，测点应均匀分布在浇筑层面上。在浇筑块内部按每150m2埋设1支温度计或热电偶进行温度观测。
3结束语
总之，防止、控制混凝土由于温升产生裂缝是混凝土结构施工中最常见，也是较难解决的问题之一。在本文中，通过对混凝土施工温度的计算和分析，采取一系列的温度控制措施，到目前为止，该大坝未出现危害性裂缝。因此，本水库大坝混凝土对温度控制是较为成功的，其经验值得类似工程参考借鉴。
参考文献
[1] 郭德强.水库大坝混凝土浇筑温度的控制[J].技术与市场,2011年第06期
[2] 张玉霞.水库大坝混凝土浇筑温度控制措施及其监测工作探讨[J].水利建设与管理,2012年第09期