高海拔寒冷地区碾压混凝土大坝温控施工技术研究

何邦旭 沈国武 熊 涛

(1.中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081；
2.贵州黔源电力股份有限公司，贵州 贵阳 550002)

大古水电站位于西藏自治区山南地区桑日县境内，是以发电为主的Ⅱ等大(2)型拦河坝水电站工程。拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝体为全断面碾压混凝土，最大坝高117m，坝顶长385m，大坝混凝土浇筑总量144.2万m3，浇筑时间主要在4—10月。

工程处于高海拔寒冷、昼夜温差大、太阳辐射强区域，施工具有以下特点：

a.空气干燥、风力大、太阳辐射强。空气干燥、风力大导致水分快速蒸发，对碾压混凝土层间结合、表面保温保湿有很大的影响。

b.昼夜温差大。根据大古水电站坝址的气象站实测资料，2011年5月—2013年12月实测最高气温为30℃，最低气温为-13℃，每天的气温变幅一般在18℃左右，气温日变幅较大。该气温特征容易导致产生混凝土裂缝，冬季导致通水水温降低，增大水与混凝土温差。

c.冬季气温低。相较于内地，西藏有较长的时间处于低温季节，每年12月—翌年2月为冬歇期，该段时间的日平均气温低于0℃，如何在低温季节对大坝混凝土采取有效的保温保湿措施，是控制混凝土质量的关键。

d.天然雪山融水温度低。在工程区，常年从雪山汇聚的水流温度低，高温季节水温5～10℃，低温季节水温接近0℃，由于水温常年较低，通过使用雪山融水，减少机组制冷时间可有效减少工程投资。图1为天然雪山融水平均水温。

图1 天然雪山融水平均水温

西藏大古水电站大体积碾压混凝土温控措施主要包括混凝土浇筑温度控制、冷却通水降温控制和混凝土成品保温保湿。

3.1 混凝土浇筑温度控制

a.通过控制混凝土的特性、降低运输过程温度损失和控制施工过程中温度上升的相关措施，使浇筑混凝土温度在可控范围内。在混凝土生产过程中，严格控制其出机口温度，据2019年的数据统计，粗骨料或砂温度上升1.0℃，碾压混凝土温度上升0.30～0.52℃；
每加1.0kg冰，碾压混凝土温度下降0.17～0.20℃(见表1)；
当浇筑期内最低温度小于-5℃时，采用热水拌和(水温不超过60℃)方式生产混凝土。

表1 碾压混凝土原材料温度变化及加冰量对混凝土出机口温度的影响

b.拌和站至碾压混凝土仓面运输距离1.6km,混凝土运输选择合理的入仓方式，减少转运。本工程坝体2/3的碾压混凝土均采用自卸汽车直接入仓，确保了入仓强度的同时减少温度回升；
4月、10月混凝土出机口温度控制在6～12℃(主要措施是对骨料进行加热)，运输过程做好调度管控，尽量减少运输车辆在运输线的时间；
运输道路尽可能采用双车道，不具备双车道入仓条件的在合适位置设置错车道并安排专人调度指挥，以提高混凝土运输车辆的行车效率，缩短混凝土运输及等待卸料时间；
5—9月(高温季节)碾压混凝土施工，出机口温度控制不超过12℃，自卸汽车、满管溜槽等混凝土运输设备全部采取在外壁贴3cm厚橡塑海绵进行保温的措施，混凝土运输自卸车顶部加设保温活动式遮阳棚。通过以上措施，出机口温度至入仓温度的回升能够控制在2℃以内。

c.浇筑过程中，采用喷雾机、冲毛机对仓面进行喷雾，形成局部小气候，对已完成碾压且覆盖的区域同样要进行喷雾；
振捣完成的变态混凝土和碾压后的条带及时采用彩条布或薄膜覆盖保温保湿，在下一层混凝土铺筑前揭开；
大坝悬臂翻升钢模板背部镶嵌10cm厚聚苯乙烯板进行模板保温。通过以上措施，入仓温度至浇筑温度的回升能够控制在2℃以内。

3.2 冷却通水控制

a.温控站布置。温控站根据通水需求和计划方案进行布置，台阶面位置使用钢管架搭设温控站平台，斜面采用预埋I18工字钢斜撑，然后在工字钢上搭设温控站平台，同时预埋冷却通水主管至温控站，分控站规格为3m×6m×3m框架结构，外用铁皮包裹，分控站全身覆盖橡塑海绵保温，每个分控站由1～2个智能温控配电箱及多个流量测控箱组成，每个分控站控制2个或3个坝段的冷却通水，并对温度数据进行采集和自动上传。

大坝混凝土以仓为单位进行控温，系统对单个仓面范围内的骨料温度、入仓温度、浇筑温度、内部温度和仓外的气温、湿度等信息进行分析，然后通过冷却通水流量测控装置控制仓面内冷却水管通水流量大小，从而控制降温速率。另外，各结构部位使用的混凝土强度、级配、坍落度不同，混凝土的温升和温降曲线存在显著差异，因此各部位分开进行温控，冷却水管接入不同的流量测控装置，进行精确控温。

b.冷却主管布置。供水管路系统布置在电站右岸边坡，系统主要包含高位冷水站、冷却主水管和水包等，所有管路均为封闭循环回路，在左右岸3451.00m高程平台各建设了一个高位冷水站，高位冷水站连接管采用DN300钢管(厚6mm)，从高位冷水站引至坝体及消能防冲建筑物温控站，至温控站的分水管使用DN100钢管；
冷却用水水池及干、支管均采用3cm厚橡塑海绵保温材料包裹。

c.冷却用水选用。采用雪山融水作为坝体冷却用水，雪山融水高温季节水温5～10℃，低温季节水温1～5℃。大坝在越冬期间气温达到0℃以下时，雪山融水水温极限0℃，静止的水流会立即结冰，冷却水管停止通水。因大坝区域的雪山融水水温常年较低，年平均不高于7.1℃，所以未布置冷水机组，冷却通水使用的雪山融水温度与混凝土内部温度符合技术要求。

d.冷却水管选用。原设计，冷却水管支管均为φ3.2×2.0mmHDPE塑料管，为提高冷却水管通水率，保证大坝浇筑混凝土质量，碾压混凝土仓面冷却水管将壁厚为2.0mm的HDPE塑料管改为壁厚3.2mm的HDPE塑料管，导热系数相对降低，冷却水管存活率和通水率极大提高。常态混凝土仓面冷却水管铺设继续使用φ3.2×2.0mmHDPE塑料管，主管采用φ40×3.7mmHDPE塑料管。

e.冷却水管铺设。碾压混凝土仓冷却水管铺设时，冷却水管距离结构物和结构缝大于0.8m，通水单根水管长度不大于300m，当同一仓面需要布置多条蛇形支管时，各支管的长度基本相当，坝内水管按坝体通水计划就近引入横缝附近下游坝面预留槽内，预留槽内接头连接分控站智能通水控制设备和水包，智能控制冷却通水。同一仓面浇筑的结构混凝土不同时，对混凝土级配较高区域的冷却水管进行适当的加密，并单独通水控制，浇筑时，立即对混凝土进行通水冷却，降低混凝土级配较高区域温升，降低相连两块混凝土内部温差。常态仓冷却水管铺设在遵循冷却水管铺设技术规范的同时，为防止冷却水管在浇筑过程中受冲击损坏，同时有利于冷却水管铺设，常态混凝土仓面使用16号钢筋搭设成2m×2.5m×2m的钢筋架，冷却水管在开仓前提前铺设在钢筋架上，同时，钢筋架上可以搭设跳板，方便工作人员施工，有效防止施工过程中对冷却水管的破坏，吊罐下料或溜槽下料时控制下料高度，且下料时不直接冲击冷却水管，以免大骨料扎破水管。为保证及时冷却通水，在坝内预埋纵向冷却排水主管，纵向冷却排水主管采用导热系数小的φ40×4.0mmPP-R塑料管，从坝后预留键槽处集中引出，坝内冷却水管铺设完成后，可以及时在预留键槽部位接水，在水管铺设之后第一时间实现通水，而后利用智能温控系统对大坝混凝土进行智能通水，削弱碾压混凝土强度增长的温度峰值，以实现大坝温控防裂。

f.智能通水冷却。通过使用智能温控系统自动采集或半自动采集温控要素(出机口温度、太阳辐射、仓面温度、浇筑温度、内部温度、进出口水温、进出口水压和通水流量等)，再经过服务器进行信息的分析评价和温控施工预警报警，智能化自动控制通水流量冷却。采用智能温控系统自动调控，根据降温速率，控制通水流量，让冷却水管时时有水流动，同时，每6h换一次水流方向，降低混凝土内部温差，根据系统内部降温速率评价信息，降温速率整体控制较好，整体控制在0.2～0.5℃/d以内。根据内部温度计监测统计成果，总体合格率达90%以上。

一期冷却的主要目的是削减浇筑层初期温升，控制混凝土不超过容许最高温度，同时削减混凝土内外温差，减少温度应力，温升阶段尽可能用最大流量通水，平均流量控制在1.5～2.5m3/h，达到削峰效果后控制通水流量，降温速率不超过0.5℃/d，平均流量控制在0.8～1.5m3/h。高温季节浇筑的碾压混凝土入冬前进行必要的大面积中期降温，降温速率控制在0.3℃/d左右，平均流量控制在0.8～1.2m3/h。

3.3 混凝土成品保温保湿

在混凝土成品保温保湿方面，将橡塑海绵和薄膜结合，采取压条式固定的工艺(见图2)，实现二者效果的集成，替换原始粘贴聚苯乙烯板或者喷涂聚氨酯工艺。

图2 新型保温保湿工艺(单位：m)

该工艺保温材料、保湿材料、压条、套筒、螺栓垫片均能够循环使用，经济、节能环保。

在已浇筑的混凝土表面，预埋通水花管，将薄膜和橡塑海绵结合，兼顾保温保湿的效果。

利用悬臂翻升模板的拉筋孔，拆模后在不破坏混凝土表面和伤及钢筋的同时，将模板拉筋与固定螺栓使用定制套筒连接牢固，再使用定制压条将保温保湿材料固定，过程中未采用焊接方式，安装拆除方便。

3.4 雪山融水冷却温度控制

西藏大古水电站采用天然雪山融水进行大坝冷却通水，在实施过程中对雪山融水水温进行检测，确定冷却用水进水口水温和通水需求水温，当进水口水温小于通水需求水温时，对进水口加热、调和水温处理；
混凝土浇筑完成即开始通水冷却，升温阶段采用最大流量通水，混凝土降温阶段采用正常流量通水；
在通水冷却的同时，监测混凝土内部温度变化，调节通水流量，控制降温速度，混凝土内部温度降至工艺要求。

天然雪山融水受青藏高原寒冷气候影响，融化的雪山水水温较低，根据坝址实测水温，雪山融水常年平均温度不高于7.1℃，受青藏高原寒冷气候的影响，在越冬期(12月—次年2月)一般不进行浇筑和坝体通水冷却。根据技术要求明确冷却水管进水口水温控制要求：基础约束区一期冷却水温不宜超过10℃；
自由区一期冷却水温不宜超过12℃。坝体雪山融水水温符合冷却通水水温要求。

雪山融水水温偏低，与混凝土内部温度会产生较大的温差，为解决其温差较大的问题，经过实验研究，在混凝土温升阶段尽可能使用最大流量通水，降低混凝土内部最高温度，减小内部最高温度与通水水温温差，降温阶段按降温速率要求通过智能温控系统调控通水，根据实测数据，常态混凝土和碾压混凝土的内部最高温度与进口水温温差值均符合技术要求。

寒冷季节(主要指12月—次年2月)原则上停止冷却通水施工，如果因为进度需要，混凝土继续施工，混凝土的冷却通水水温将进行调整。在寒冷季节，雪山融水的温度在夜间无限接近0℃，静止或者低流量的水流会立即结冰堵塞冷却水管，因此，提高冷却水水温并使水温符合冷却通水要求是必须解决的难题。经过反复实验实践，通过在雪山融水进水管增设加热装置+回水增压至进水管的方式提升冷却水水温，同时所有外露冷却主管和分水管包裹橡塑海绵保温，减少温度损失，水温提升效果明显，提升后的水温能够满足冷却提升要求(见图3、图4)。

图3 典型坝段保温效果曲线

图4 通水流程

3.5 效益分析

根据大坝排查情况，大坝无温度裂缝产生，保证了大坝的混凝土质量，节省了因为产生裂缝造成的经济损失；
改用创新工艺，总共节约成本费用783.81万元(见表2)。

表2 成本费用节约统计

根据大古水电站施工完成后最终成果统计，在经过各施工程序优化后，温控效果得到明显提升，优化措施更能满足高海拔寒冷地区大体积混凝土温控要求。

混凝土浇筑过程中，主要对入仓温度和浇筑温度进行控制，入仓温度和浇筑温度合格率分别为92.71%和96.16%，满足混凝土温控防裂要求。

通过冷却通水措施优化，混凝土冷却效果满足要求，混凝土内部最高温度合格率为89.57%，满足温控防裂技术要求。大坝蓄水时，大坝混凝土内部温度95.89%达到蓄水温度要求(见图5)。

图5 温控检测项目合格率柱状图

在大古水电站施工过程中，为提高温度控制质量势必根据环境特点优化温控施工方法。另外，温控设施集中布置和仓面浇筑布置必须因地制宜地与施工特点综合考虑，做好部署，提前准备，及时通水，严格控制，过程保温。通过采取大坝温控措施优化、施工过程严格控制温度、混凝土成品及时保温保湿措施等实现了大坝温控防裂目标，节约了施工成本，保证了施工进度，可为类似工程提供借鉴经验。

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