摘要:针对南水北调西线工程恶劣自然环境和独特工程特性条件下面板堆石坝施工对混凝土面板提出的技术要求,通过热工计算,推导混凝土施工过程中各阶段的温度控制指标、措施和一些规律,对南水北调西线工程混凝土施工具有指导意义。
关键词:南水北调西线工程;混凝土;严寒地区;温度控制
中图分类号: TV68 ; TV523 文献标识码:B 文章编号:1672-1683 (2008) 02-0017-03
1 工程概况及气候条件
1. 1 工程概况
南水北调西线工程地处青藏高原东南部,是从长江上游干支流调水入黄河上游的跨流域宏伟工程,是解决我国西北地区水资源严重短缺的重大基础设施。根据国务院批复同意的南水北调东、中、西线三项工程总体规划,西线工程分三期实施:第一期工程从雅砻江、大渡河5 条支流调水40 亿m3 ,第二期工程从雅砻江干流调水50 亿m3 ,第三期工程从金沙江干流调水80 亿m3 。三期工程共调水170 亿m3 。通过隧洞穿越长江、黄河的分水岭,输水入黄河上游,解决黄河中上游青海、甘肃、宁夏、内蒙、陕西、山西6 省区的缺水问题。工程区海拔3 400～4 700 m ,引水枢纽处河床海拔3 400～3 600m ,第一期工程控制流域面积2 万m2 。
2002 年12 月27 日国务院宣布南水北调工程开工,东、中线工程已全面开工,西线工程正抓紧前期工作,规划第一期工程2010 年前后开工兴建。
第一期工程由“六坝、七洞、五渡槽、一倒虹吸”串联而成。输水线路串连达曲、泥曲、色曲、杜柯河、玛柯河、克曲6 条支流,在此支流上修建6 座大坝,即:达曲的阿安,泥曲的仁达,色曲的洛若,杜柯河的珠安达,玛柯河的霍那,克曲的克柯;坝高依次为131 m、123 m、30 m、114 m、100 m、52 m;其中有3座混凝土面板堆石坝。
1. 2 气候条件
工程区地处青藏高原,属高原寒温带湿润区,低气压、缺氧、寒冷是其气候的基本特点。工程区年平均气温0 ℃～614 ℃,极端低温为- 34 ℃～ - 36. 3 ℃。全年平均降雪量超过100 mm ,全年实际降雪日数为79～102 d ,积雪日数为43～54d ,最大积雪厚度在20 cm 以下。地面气压在600～700 hPa之间,相当于海平面气压的60 %～70 % ,空气中的含氧量相当于海平面的60 %～72 %。年平均风速一般为1. 5 m/ s ,最大风速超过24 m/ s。
南水北调西线工程的自然环境条件决定了混凝土除了必须具备常规的物理力学指标外,还必须满足低温早强,良好的耐久性及温度控制指标。
对于混凝土面板堆石坝施工,这样大面积的混凝土浇筑,防止贯穿裂缝和深层裂缝尤为重要。贯穿裂缝可切断坝体的结构断面,可能破坏坝体结构的整体性和稳定性,其危害是严重的,可能引起迎水面板漏水。深层裂缝部分切断了坝体结构的断面,也有一定的危害性。因此,防止裂缝发生,是混凝土面板堆石坝的混凝土结构施工环节一项重要任务。
通过面板堆石坝面板混凝土的热工计算,确定不同工况条件下经济易行的施工工艺和养护方法,确保混凝土在西线特殊的低气温条件下能够持续硬化不受冻,在规定的时间内获得所需的强度和耐久性;尽量减少混凝土对冻土的热影响;混凝土在水化过程中由于西线工程区温差变化大的环境因素,尽量控制混凝土因内外温差过大,防止混凝土裂缝发生是完全可能的。
2 混凝土浇筑温度热工计算与分析
在低温或负温条件下养护,不直接与冻土接触的混凝土浇筑,其入模温度以5 ℃～10 ℃为宜。
2. 1 计算条件及公式
计算不同条件下混凝土浇筑温度,计算条件如下。(1) 满足西线工程混凝土耐久性技术条件的面板混凝土配合比见表1 。(2) 碎石露天堆放,温度与外界环境温度一致。(3) 水泥及外加剂存放暖棚内,温度与搅拌棚温度一致。(4) 运输环境温度与外界环境温度一致。
据文献[1 ]推荐的混凝土热工计算公式。
混凝土浇筑温度决定于拌和机的混凝土出机口温度和运输、浇筑过程中温度的回升或降低。根据混凝土拌和前各原材料的总热量相等,可得到混凝土出机温度:
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、水泥及水的比热,分别取930 、837 、779 和4 187 ,J / kg ·℃; qs、qg —砂及石的含水率,分别取5 %和2 %;ωs、ωg、ωc、ωw —每方混凝土中砂、石、水泥(包括外加剂) 及水的用量,分别取654 、1 256 、370 和128 , kg; Ts 、Tg 、Tc 、Tw —砂、石、水泥(包括外加剂) 及水的温度, ℃; Te —混凝土拌和物的出机温度, ℃。
混凝土出拌和机后,它的出机口温度经过运输、平仓及振捣将发生变化。夏季施工时,外界气温较高,所以混凝土浇筑温度比其出机口温度高。冬季施工时,则其混凝土浇筑温度低于出机口温度。这种冷量或热量的损失,随运输工具种类、运输时间长短、转运次数及平仓、振捣时间长短而变化。根据西线工程具体条件,混凝土浇筑温度计算公式:
Tp = Te + ( Ta - Te) (θ1 +θ2 +θ3 ) (2)
式中: Tp —混凝土浇筑温度, ℃; Te —混凝土拌和物的出机温度, ℃; Ta —混凝土运输过程中的环境温度, ℃;θ1 —混凝土装、卸和转运的温度损失系数,每次的损失系数值各为0. 032 ,如装、卸和转运共3 次, 则θ1 = 3 ×0. 032 ; 如只有装、卸共2次,则θ1 = 2 ×0. 032 ;余类推。按照西线工程的总体布置和施工方案,不考虑转运。θ2 —混凝土运输过程中的温度损失系数,θ2 = A t , t 为混凝土运输于浇筑地点需要时间(min) , A 为系数,其值与运输工具的形式、运输工具的容量和运输工具的保温措施有关,混凝土运输工具与系数A 的关系见表2 ,根据西线工程的混凝土运输机械配套和保温措施, A 值取0. 001 5 。θ3 —混凝土浇筑运输过程中的温度损失系数,θ3 =0. 003 t , t 为混凝土浇筑时间(min) ,根据西线工程的总体布置和施工方案, t 值取7 min。
2. 2 影响出机温度和浇筑温度的要素分析
(1) 拌和水温度变化1 ℃时,混凝土的出机温度相应增减0. 118 ℃。(2) 砂子的温度变化1 ℃时,混凝土的出机温度相应增减0. 3 ℃。(3) 水泥及外加剂的温度变化1 ℃,混凝土的出机温度相应增减0. 116 ℃。(4) 混凝土浇筑温度与混凝土出机口温度、环境温度、转运次数、运输时间和浇筑时间均有关系。在出机口温度和环境温度一定的情况下,减少转运次数或不转运、缩短运输时间和浇筑时间,对提高浇筑温度是很有利的。
诚然,水泥不得直接加热,使用前宜运入暖棚内存放,所以,在西线调水工程施工的各项措施中,应优先采取提高搅拌棚、库房温度措施。通过以上计算分析,由于水的比热为砂石的5 倍,并且水的加热简单,温度易于控制,因此在不宜再提高搅拌棚、库房温度的情况下,依次采取加热水、砂、石子的措施。
2. 3 满足浇筑温度的工况
满足浇筑温度的工况见表3 ,从中可以得出如下结论。
(1) 当西线环境气温为- 15 ℃时,如暖棚温度为10 ℃以下(包括10 ℃) ,则不但要加热水,还要加热砂子;暖棚温度为15 ℃,当运输时间在45 min 以上时需要加热砂子;当运输时间在45 min 以下时只需要加热水,砂子只需提前运入暖棚预热一下,而不需要加热。
(2) 当环境气温为- 10 ℃时,如暖棚温度为5 ℃,则不但要加热水,还要加热砂子;暖棚温度为10 ℃以上时,只需要加热水,而砂子只需要提前运入暖棚预热一下,而不需要加热。
(3) 当环境气温为- 5 ℃时,如暖棚温度为0 ℃时,不但需要加热水,还需要提前将砂子运入暖棚,达到和暖棚相同的温度,当运输时间在60 min 以上时还需要加热砂子;暖棚温度为5 ℃,当运输时间在15 min 以内时,只需要加热水;当运输时间在15 min 以上时,不但需要加热水,还需要提前将砂子运入暖棚预热到0 ℃;暖棚温度为10 ℃,只要运输时间不超过45 min 只需要加热水, 运输时间超过45 min 时,不但需要加热水,还需要提前将砂子运入暖棚预热到0 ℃;暖棚温度为15 ℃、运输时间在60 min 以下时,只需要加热水,运输时间超过60 min 时,不但需要加热水,还需要提前将砂子运入暖棚预热到0 ℃。
(4) 环境气温为0 ℃时,只需要加热水。
2. 4 不同工况混凝土施工方案建议
西线环境气温在- 10 ℃～ - 15 ℃时,以暖棚温度为15 ℃左右为宜,如混凝土运输时间较长(45 min 以上) ,则提前将砂子加热;如混凝土运输时间较短(45 min 以下) ,则提前将砂子运入暖棚稍稍预热一下即可;环境气温在- 5 ℃～ - 10 ℃之间,暖棚温度以10 ℃为宜;环境气温在- 5 ℃～0 ℃,则暖棚温度以5 ℃左右为宜,但混凝土运输时间应适当控制;当环境气温在0 ℃及以上时,不需要搭建暖棚,只需要对拌和水进行适当加热;当环境气温在5 ℃及以上时,不需要任何加热措施,混凝土的入模温度也能达到5 ℃以上。
3 混凝土冬季施工注意事项
南水北调西线工程低、负温条件下混凝土施工,应严格执行混凝土冬季施工的有关规定,加强过程控制,这对保证混凝土质量有着至关重要、不容忽视的作用。
(1) 骨料中不得含有冰雪和冻块,骨料中夹的冰雪团块会消耗大量热能,降低混凝土的初始温度,甚至影响混凝土质量。
(2) 水的加热温度不宜超过80 ℃,骨料的加热温度不宜超过40 ℃,水泥和外加剂不得加热,应提前运入暖棚中预热。当水的加热温度超过60 ℃时,应改变投料顺序,即先投入骨料和热水,拌匀后再投入水泥和外加剂。
(3) 骨料的加热不宜用直火加热的方式,宜采用蒸汽加热。直火加热骨料干热且受热不均匀,造成骨料吸水率增大,影响混凝土和易性;骨料局部灼热而遭破坏,影响混凝土强度;混凝土内部骨料周围水泥失水产生毛细裂纹,影响混凝土耐久性。
(4) 应加强施工过程中原材料、混凝土拌和物及成型混凝土的测温工作,并做好记录。原材料、混凝土拌和物测温每工班至少两次,成型混凝土在混凝土达到临界强度前应每隔2 h测一次,以后每隔4 h 测一次,直至养护结束。
(5) 成型混凝土应带模养护,在模板外覆盖棉被和塑料薄膜,混凝土达到临界强度后再拆模。拆模后在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜,然后覆盖一层棉被,在棉被外再覆盖一层塑料薄膜。
(6) 保温材料受潮后保温性能大大降低,因此保温材料必须保持干燥,不得和冰雪混杂堆放。
(7) 混凝土浇筑期间,应随时注意观察了解气温变化情况,并根据测温记录,进行热工计算,可采用成熟度理论推算混凝土的强度,及时调整施工方案。
4 结语
南水北调西线工程的自然环境是比较恶劣的,如何选取既能保证混凝土质量,又经济易行的施工方法是施工面临的一个现实问题。
参考文献:
[ 1 ] 梁 润. 施工技术[M] . 北京:水利电力出版社,1985.
[ 2 ] 郁慕贤. 青藏铁路多年冻土区桥梁混凝土施工温度控制[J ] . 石家庄铁道学院学报,2003 ,7.
