混凝土坝温控防裂要点的探讨.pdf
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1、水利水电技术第4 5卷2 0 1 4年第 1期 混凝土坝温控 防裂要点的探讨 刘 毅 ,张 国新 ( 中国水利水 电科学研究院 流域水循环模拟与调控 国家重点实验室,北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要:本文提 出了特 高拱坝和碾压混凝土重力坝的温控要点 :特高拱坝除按规范要 求严格控制基础 温差外 ,更要树立温度梯度控制 的理念 ,按照“ 小温差、慢冷却、全过程保护” 的要 求减 小上下层 温 差和内外温差;碾压混凝土重力坝在做好表面保护的前提下可适-3放宽对基础温差的控制要求。按照 信息采集与传输、信息管理、仿 真分析、预警预报 、 自动控制等五个环节建立混凝土坝防裂智能监控 系统,对混
2、凝土坝温控施工全过程进行监控 ,为温控 防裂施工的“ 可知、可控” 提供技术手段 ,是未 来施 工管理的一个发展 方向。 关键词 :混凝土坝 ;温控 防裂;梯度控制 ;智能监控 中 图分类号 :T V 6 4 2 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 0 7 7 一 O 8 Di s c u s s i o n o n k e y p o i nt s o f t e m pe r a t ur e c on t r o l a nd c r a c k p r e v e nt i o n o f c o nc r e t e da
3、 m LI U Yi , ZHANG Gu o x i n ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S i m u l a t i o n a n d R e g u l a t i o n o f Wa t e r C y c l e i n R i v e r B a s i n ,C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ,B e r i n g 1 0 0 0 3 8 ,C h i n
4、 a ) Ab s t r a c t :T h e k e y p o i n t s o f t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l o f c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n f o r s u p e r - h i g h a r c h d a m a n d r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e ( R C C )g r a v i t y d a m a r e p u t f o r w ard h e r e i n E x c e p
5、t t h e s t ri c t c o n t r o l o f t h e b a s i c t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e i n a c c o r d a n c e w i t h t h e r e l e v a n t t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s ,t h e e o n c r e t e c o n s t ruc t i o n o f s u p e r h i g h a r c h d a m i s f u r t h e r r e q
6、u i r e d t o r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e s b e t w e e n u p p e r a n d l o we r l a y e r s a n d b e t we e n i n s i d e a n d o u t s i d e o n t h e b a s i s o f t h e p rin c i p l e o f s ma l l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e, s l o w c o o l i n g
7、a n d wh o l e p r o c e s s p r o t e c t i o n Un d e r t h e p r e mi s e o f d o i n g t h e s u r f a c e p r o t e c t i o n we l l , t h e c o n t r o l r e q u i r e me n t o f t h e b a s i c t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e c a n b e p r o p e r l y r e l a x e d for t h e c o n s
8、t ruc t i o n o f RC C d a mI t i s a d e v e l o p me n t o r i e n t a t i o n o f t h e c o n s t ruc t i o n ma n a g e me n t i n t h e d a y s t o c o me t h a t a n i n t e ll i g e n t mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l s y s t e m i s n e c e s s a r y t o b e e s - t a b l i s h e d for
9、 t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n,t h a t c o n s i s t s o f t h e fi v e k e y l i n k s s u c h a s i n f o r ma t i o n c o l l e c t i o n a n d t r a n s mi s s i o n,i nfo r ma t i o n ma n a g e me n t , s i mu l a t i o n a n aly s i s , e arl y -
10、 w a r n i n g a n d f o r e c a s t i n g, a u t o ma t i c c o n t r o l , e t c , for a wh o l e p r o c e s s mo n i t o rin g o n t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l d u ri n g t h e c o n s t ru c t i o n o f b o t h t h e k i n d s o f t h e d a ms , a n d t h e n p r o v i d e a k n o w
11、a b l e a n d c o n t r o l l a b l e t e c h n i c a l me a n s c o n c e rne d a s w e l1 Ke y wo r d s :c o n c r e t e d a m ;t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n;g r a d i e n t c o n t r o l ;i n t e ll i g e n t mo n i t o ri n g a n d c o n t r o l 1 引 言 混凝
12、土坝是我 国大坝建设 的主要坝 型。我 国已 建和在建的 1 4 1座 坝高 1 0 0 i n以上 大坝中 ,拱 坝为 2 7座 ,重力坝 4 6座 ,6座 2 5 0 in以上大坝 中有 5座 为混凝土拱坝 ,拉西 瓦 、构皮滩 、小 湾等拱坝 已经 完工并经受了正常蓄水位的考验 ,溪洛渡 、锦 屏一 级等特高拱坝的浇筑高度已经超过 2 5 0 n l ,这些高 拱 坝的建设 突破 了现有 的世 界记 录- 2 。进 入 2 1 Wa t e rRe s o u r c e s a n d Hy d r o p o we rEn g i n e e r in g 4 5 No 1 世纪 以
13、来 ,碾 压混 凝 土重 力 坝 以其安 全性 高 、施 收稿 日期 : 基金项 目: 作者简介 2 0 l 3 l 0一 l 9 国家 “ 9 7 3 ” 计划课题 ( 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 4、2 0 1 3 C B 0 3 6 4 0 6 ) ;国 家 “ 十二五” 科 技支撑计划课题 ( S Q 2 0 1 3 B A J Y 4 1 3 8 B 0 2 ) ;水 利部公益性行业科研专项项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 0 ) ;中国水科院 科研专项( 材集1 3 6 1 、材集 1 3 5 3 ) ;流域水循环模拟与调 控 国家重点实验室资助项 目( 材
14、 QN 1 3 0 5 ) 。 刘毅 ( 1 9 7 9 一 ) ,男 ,湖南人 ,教授级高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘毅, 等混凝土坝温控防裂要点的探讨 工速 度快 而备 受业 界 青 睐 ,金 安桥 、官地 、龙 开 口、鲁地拉 、功果桥等一大批碾压混凝土重力坝 开工建设 。 混凝土坝的裂缝是长期困扰人们的问题 ,裂缝的 存在不仅会降低大坝的耐久 I生,裂缝处理还会耽误工 期 ,严重的裂缝可能会影响大坝安全 。虽然从 2 0世 纪 3 0年代开始 ,已陆续发展了一整套温控防裂 的理 论体系,并发展了一系列混凝土防裂措施,包括改善 混凝土抗裂
15、性能、分缝分块 、水管冷却 、混凝土骨料 预冷、表面保温等,但国内外的实际情况仍然是“ 无 坝不裂” ,近期西南某拱坝甚至还出现了大规模 的温 度裂缝 _ 4 _ 。 裂缝出现 的原因是多方面 的,但归根结 底是混 凝土的拉应力超过了混凝土 的抗拉强度 。在我 国现 行 的设计规范 中,混凝 土坝防裂 的安全系数一般取 到 1 6 5以上 ,重 要 工 程一 般 都 是 1 8甚 至更 高 , 如此大 的安 全 系数 似 乎不 应该 出现裂 缝 ,而实 际 上 ,规范 中规定 的安全 系数 并 不是 真正 的安全 系 数 。首先 ,从混凝 土强度方面而言 ,设 计规范 中使 用的混凝土强度是一
16、定尺寸的湿筛混凝土试件强 度 ,实际全级配混凝土的强度一般远小于湿筛混凝 土抗拉强度 ,两 者之 间的 比例 一般在 0 60 7左 右 ;混凝土的强度 由于施工质量的原 因存在较大 的 离散性 ,而裂 缝 总 是在 最 薄 弱 的环 节 出现。据测 算 ,考虑上述 因素后混凝土坝实际 防裂安全 系数仅 在 1 0左右 J 。其次 ,从 温度应力方 面而言 ,温度 应力 与混凝土结构 、材料 、气象 、施工安排 等诸 多 因素相关 ,非常复杂 ,尽管在设计 阶段进行 了仿真 分析和较为详细的设计 ,但是设计条件 与实际条件 肯定会存在差异 ,在实 际工程 中可能 还存在部分超 规范的情况而在设
17、 计阶段未充分考虑 ,这些差异 因 素可能会导致一定的风险 。再 次 ,从施 工控制方面 而言 ,我国现行的施 工管理体制下 ,很多工程存在 管理不到位 的情况 ,温 控施 工超 出设 计要求 的情况 时有发生 ,当施工超 出设计要求时 ,由于施工期温 度监测存在 “ 不及时 、不全面” 等 问题 ,现场也缺乏 温控专业人员跟踪分析 ,当发现 问题 时,往往 已经 失去 了最佳处理时间。 本文结合我国近年来混凝土坝的温控防裂实践 , 在理论分析的基础上提出混凝土特高拱坝和碾压混凝 土重力坝的温控要点 ,全面阐述了混凝土坝防裂智能 监控 的理念 、关键技术和当前应用进展 ,对温控防裂 的未来发展
18、进行了展望。 2 特高拱坝温控要点 2 1 特高拱坝温度应力特点 特高拱坝一般指坝高超过 2 0 0 m的拱坝 ,这类拱 坝应力水平高 ,开裂后应力调整的余度较小 ,整体性 要求高 ,对温控防裂要求高。 由于需要进行封拱灌浆 ,拱坝 内部混凝土 的温 度过程一般可分 为三个 阶段 :早期 阶段 ,受混凝 土 水化热和通水冷却影 响,呈现 出先升温后降温 的过 程,此时的温度峰值一般称为最高温度;中期阶 段,一般采取通水冷却措施把混凝土温度降至封拱 温度 ,有的拱坝采取多期冷却 的方式 ,以减小一次 冷却的幅度;后期阶段,封拱灌浆后拱坝温度场受 外界 气 温 影 响 逐 渐 形 成 准 稳 定
19、温 度 场 。研 究 表 明_ 6 J ,拱坝的最大温度应力一般发生在温度 降至封 拱温度 的时刻 ,基础约束 区的温度应力基本上取决 于基 础温差 ,非约束 区的温度应力取决于温差 以及 上下层温度梯度 的控制过程 。 对于特高拱坝而言 ,其温度应力还具有 以下特 点 :一是由于特 高拱 坝底 厚的增加 ,导致 在灌 区 高度不变的情况下上下层约束增强,同等冷却高度条 件下温度应力更大;二是由于现在的常态混凝土大多 高掺粉煤灰 ,混凝土发热较慢 ,早期最高温度控制相 对较为容易 ,而后期发热量大导致二期冷却温降幅度 增大 ,无中期冷却时温度应力增加;三是特高拱坝施 工期长,受经济效益驱动施工
20、速度相对较快 ,通水冷 却降温速率快。 根据特高拱坝的温度应力特点 ,特高拱坝的温控 要点是 :基础约束区严格控制基础温差与最高温度 , 通水冷却过程中做好时间和空间的温度梯度控制,按 照早保护 、永久保护的理念确保保温措施施工到位 。 2 2 基础温差与最高温度 基础混凝土均匀温度场降温的温度应力一般可 由 下式进行估算 式中,o - 为基础约束 区的温度应力 ; 为混凝土松 驰系数;R为约束系数; 为混凝土线胀系数; 为 混凝土泊松 比; 为基础温差。 由式( 1 ) 可知 ,基础约束 区的温度应力与基础温 差成正 比,应严格按照规范和设计要求控制基础约束 区的基础温差和最高温度 。 近年
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