摘要:針對(duì)南水北調(diào)西線工程惡劣自然環(huán)境和獨(dú)特工程特性條件下面板堆石壩施工對(duì)混凝土面板提出的技術(shù)要求,通過(guò)熱工計(jì)算,推導(dǎo)混凝土施工過(guò)程中各階段的溫度控制指標(biāo)、措施和一些規(guī)律,對(duì)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(hào): TV68 ; TV523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):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(zhǎng)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(guó)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(guó)務(wù)院批復(fù)同意的南水北調(diào)東、中、西線三項(xiàng)工程總體規(guī)劃,西線工程分三期實(shí)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(guò)隧洞穿越長(zhǎng)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(wèn)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(wàn)m2 。
2002 年12 月27 日國(guó)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(rùn)區(qū),低氣壓、缺氧、寒冷是其氣候的基本特點(diǎn)。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(guò)100 mm ,全年實(shí)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(guò)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(qiáng),良好的耐久性及溫度控制指標(biāo)。
對(duì)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(xiàng)重要任務(wù)。
通過(guò)面板堆石壩面板混凝土的熱工計(jì)算,確定不同工況條件下經(jīng)濟(jì)易行的施工工藝和養(yǎng)護(hù)方法,確?；炷猎谖骶€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(shí)間內(nèi)獲得所需的強(qiáng)度和耐久性;盡量減少混凝土對(duì)凍土的熱影響;混凝土在水化過(guò)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(guò)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(jì)算與分析
在低溫或負(fù)溫條件下養(yǎng)護(hù),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(jì)算條件及公式
計(jì)算不同條件下混凝土澆筑溫度,計(jì)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(yùn)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(jì)算公式。
混凝土澆筑溫度決定于拌和機(jī)的混凝土出機(jī)口溫度和運(yùn)輸、澆筑過(guò)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(jī)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(jī)溫度, ℃。
混凝土出拌和機(jī)后,它的出機(jī)口溫度經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、平倉(cāng)及振搗將發(fā)生變化。夏季施工時(shí),外界氣溫較高,所以混凝土澆筑溫度比其出機(jī)口溫度高。冬季施工時(shí),則其混凝土澆筑溫度低于出機(jī)口溫度。這種冷量或熱量的損失,隨運(yùn)輸工具種類、運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)短、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)及平倉(cāng)、振搗時(shí)間長(zhǎng)短而變化。根據(jù)西線工程具體條件,混凝土澆筑溫度計(jì)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(jī)溫度, ℃; Ta —混凝土運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境溫度, ℃;θ1 —混凝土裝、卸和轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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(yùn)。θ2 —混凝土運(yùn)輸過(guò)程中的溫度損失系數(shù),θ2 = A t , t 為混凝土運(yùn)輸于澆筑地點(diǎn)需要時(shí)間(min) , A 為系數(shù),其值與運(yùn)輸工具的形式、運(yùn)輸工具的容量和運(yùn)輸工具的保溫措施有關(guān),混凝土運(yùn)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(yùn)輸機(jī)械配套和保溫措施, A 值取0. 001 5 。θ3 —混凝土澆筑運(yùn)輸過(guò)程中的溫度損失系數(shù),θ3 =0. 003 t , t 為混凝土澆筑時(shí)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(jī)溫度和澆筑溫度的要素分析
(1) 拌和水溫度變化1 ℃時(shí),混凝土的出機(jī)溫度相應(yīng)增減0. 118 ℃。(2) 砂子的溫度變化1 ℃時(shí),混凝土的出機(jī)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(jī)溫度相應(yīng)增減0. 116 ℃。(4) 混凝土澆筑溫度與混凝土出機(jī)口溫度、環(huán)境溫度、轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)、運(yùn)輸時(shí)間和澆筑時(shí)間均有關(guān)系。在出機(jī)口溫度和環(huán)境溫度一定的情況下,減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)或不轉(zhuǎn)運(yùn)、縮短運(yùn)輸時(shí)間和澆筑時(shí)間,對(duì)提高澆筑溫度是很有利的。
誠(chéng)然,水泥不得直接加熱,使用前宜運(yùn)入暖棚內(nèi)存放,所以,在西線調(diào)水工程施工的各項(xiàng)措施中,應(yīng)優(yōu)先采取提高攪拌棚、庫(kù)房溫度措施。通過(guò)以上計(jì)算分析,由于水的比熱為砂石的5 倍,并且水的加熱簡(jiǎn)單,溫度易于控制,因此在不宜再提高攪拌棚、庫(kù)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(shí),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(yùn)輸時(shí)間在45 min 以上時(shí)需要加熱砂子;當(dāng)運(yùn)輸時(shí)間在45 min 以下時(shí)只需要加熱水,砂子只需提前運(yùn)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(shí),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(shí),只需要加熱水,而砂子只需要提前運(yùn)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(shí),如暖棚溫度為0 ℃時(shí),不但需要加熱水,還需要提前將砂子運(yùn)入暖棚,達(dá)到和暖棚相同的溫度,當(dāng)運(yùn)輸時(shí)間在60 min 以上時(shí)還需要加熱砂子;暖棚溫度為5 ℃,當(dāng)運(yùn)輸時(shí)間在15 min 以內(nèi)時(shí),只需要加熱水;當(dāng)運(yùn)輸時(shí)間在15 min 以上時(shí),不但需要加熱水,還需要提前將砂子運(yùn)入暖棚預(yù)熱到0 ℃;暖棚溫度為10 ℃,只要運(yùn)輸時(shí)間不超過(guò)45 min 只需要加熱水, 運(yùn)輸時(shí)間超過(guò)45 min 時(shí),不但需要加熱水,還需要提前將砂子運(yùn)入暖棚預(yù)熱到0 ℃;暖棚溫度為15 ℃、運(yùn)輸時(shí)間在60 min 以下時(shí),只需要加熱水,運(yùn)輸時(shí)間超過(guò)60 min 時(shí),不但需要加熱水,還需要提前將砂子運(yùn)入暖棚預(yù)熱到0 ℃。
(4) 環(huán)境氣溫為0 ℃時(shí),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(shí),以暖棚溫度為15 ℃左右為宜,如混凝土運(yùn)輸時(shí)間較長(zhǎng)(45 min 以上) ,則提前將砂子加熱;如混凝土運(yùn)輸時(shí)間較短(45 min 以下) ,則提前將砂子運(yùn)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(yùn)輸時(shí)間應(yīng)適當(dāng)控制;當(dāng)環(huán)境氣溫在0 ℃及以上時(shí),不需要搭建暖棚,只需要對(duì)拌和水進(jìn)行適當(dāng)加熱;當(dāng)環(huán)境氣溫在5 ℃及以上時(shí),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(xiàng)
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(qiáng)過(guò)程控制,這對(duì)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(tuán)塊會(huì)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(guò)80 ℃,骨料的加熱溫度不宜超過(guò)40 ℃,水泥和外加劑不得加熱,應(yīng)提前運(yùn)入暖棚中預(yù)熱。當(dāng)水的加熱溫度超過(guò)60 ℃時(shí),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(qiáng)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(qiáng)施工過(guò)程中原材料、混凝土拌和物及成型混凝土的測(cè)溫工作,并做好記錄。原材料、混凝土拌和物測(cè)溫每工班至少兩次,成型混凝土在混凝土達(dá)到臨界強(qiáng)度前應(yīng)每隔2 h測(cè)一次,以后每隔4 h 測(cè)一次,直至養(yǎng)護(hù)結(jié)束。
(5) 成型混凝土應(yīng)帶模養(yǎng)護(hù),在模板外覆蓋棉被和塑料薄膜,混凝土達(dá)到臨界強(qiáng)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(shí)注意觀察了解氣溫變化情況,并根據(jù)測(cè)溫記錄,進(jìn)行熱工計(jì)算,可采用成熟度理論推算混凝土的強(qiáng)度,及時(shí)調(diào)整施工方案。
4 結(jié)語(yǔ)
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(jì)易行的施工方法是施工面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
參考文獻(xiàn):
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[ 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(bào),2003 ,7.
