大坝温控防裂的措施.docx
《大坝温控防裂的措施.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大坝温控防裂的措施.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
大坝温控防裂的措施
大坝温控防裂的措施
四川农业大学水利水电工程本科毕业论文
大坝温控防裂的措施
作者陈彬彬
学籍批次1509
学习中心陕西延安奥鹏学习中心
层次专升本
专业水利水电工程
指导教师
-1-
内容摘要
本文着重介绍了砼坝温度控制的目的及砼坝产生温度裂缝的成因，阐述了温度控制所采取的以下几种措施：
1、降低砼混合物中粗骨料和拌和用水的温度；2、在砼浇筑层上布置蛇形冷却管，采用循环水进行砼人工冷却；3、降低砼混合物中水泥用量及掺外加剂，以降低砼混合物中的水化热，控制砼的温度上升；4、砼施工中采用薄层浇筑、对砼的表面洒水养护以及砼混合物中掺缓凝剂等。
采取这些温控措施降低砼在凝固过程中产生的温度，以达到防止发生温度裂缝的目的。
同时列举了在工程中成功利用温度控制措施以防止温度裂缝发生的实例。
关键词：
砼坝温度控制措施
-1-
一、案例正文……………………………………………………………………………………..1
（一）、砼坝温度控制的目的………………………………………………………………………1
（二）、温度控制措施…………………………………………………………………………….2
二、案例分析………………………………………………………………………………………4
（一）、砼拱坝工程概………………………………………………………………………….4
（二）、温控设计基本资料……………………………………………………………………..5
（三）、温度控制标准的确定…………………………………………………………………….5
（四）、温度控制措施及实施效果……………………………………………………………….6
（五）、工程效果…………………………………………………………………………………8
参考文献……………………………………………………………………………………………9
-1-
大坝温控防裂的措施
一、案例正文
大体积砼水工建筑物因尺寸大而产生体积变化。
这种体积变化因受到约束而造成坝内开裂，并将影响已完建大坝内的应力状态。
砼内最大的体积变化起因于温度变化。
在多数情况下由温变与温差而产生的开裂趋势，砼坝的开裂是人们所不希望的，因为开裂会破坏建筑物的整体性，从而有损其功能并招致砼的过早变质。
因此，通过适当的设计及施工措施可使砼坝的开裂趋势减小到容许的程度。
（一）、砼坝温度控制的目的
采用砼作为水工建筑物的筑坝材料，坝体的砼体积皆愈来愈大，因此必须在砼坝施工中采取温度控制措施。
在大体积砼坝采取温度控制措施是为了：
一是防止由于砼温升过高、内外温差过大及气温骤降产生各种温度裂缝；二是为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工工效，简化施工程序提供依据。
采用何种温控措施和做到什么程度，需根据对坝的研究、施工方法及其温度环境而定。
大体积砼坝的开裂是一种不希望发生的情况，因其影响坝的抗渗性、耐久性、内应力和外观。
当坝体内某部位的拉应力超过砼抗拉强度时，就会产生裂缝。
这种拉应力的产生可能是由于坝上作用荷载所致。
但更常见的是由于砼的体积变化受到约束。
大体积砼最大的体积变化来源于温度变化。
在大多数情况下，采用适当的设计和施工方法，可以使温度变化和温差造成的砼开裂减轻到能容许的程度。
采取各种温控措施，尽量减小砼体积变化，就能采用较大的浇筑块，从而能使施工更快、更经济。
后期冷却是温控措施之一，如果收缩缝要进行灌浆，这种措施也是不可缺少的。
在采取温控措施费用过高，或者不能充分控制温度的地方，为减小开裂趋势可在坝内设置接缝。
设缝可使砼的补尝体积变化发生在规定的地方，而后可对接缝进行灌浆以形成整体结构；设缝还可减小砼浇筑块的尺寸，使体积变化不产生导致开裂的拉应力。
某些结构物上除采用预冷措施和埋设冷却水管外，还使用了一套完整的温度处理办法。
这些办法就是减少水泥的用量，采用低热水泥和有效地使用粉煤灰代替一部分水泥。
1、砼坝体积变化
大体积砼结构由于其尺寸大而产生体积变化，是设计人员所熟知的。
砼早期温度变化产生的体积变形，可以控制在适当的限度之内，并能结合结构设计预以考虑。
最终稳定温度状态，取决于坝址条件，同时，对于随后周期的体积变化则几乎无法加以控制。
理想的情况是简单地设法消除任何温降。
要达到这个目的，就必须在低温下浇筑砼，使水泥水化热所产生的温升刚好能使砼温度达到其最终稳定温度。
但是，大多数防止温度裂缝的措施，只能接近这一情况。
接近的程度取决于坝址的条件、结构应力是否经济等。
主要体积变化，是由浇筑后不久发生的最高温度下降到最终稳定温度这段温降所引起的。
-2-
限制新浇砼的浇筑温度和尽量减少浇筑后的温升，能在一定程度上控制最高温度。
在砼拌和前，采取预冷措施降低一种或几种砼组成材料的温度，能在一定程度内降低浇筑温度。
限制新浇砼的温升，则可以采用预埋设冷却水管，薄层间歇浇筑，采用限制水化热的砼配合比设计等项措施。
这些措施能够有效地降低砼的最高温度，降低最高温度就会相应地减少随后发生的体积变化，以及随之产生的开裂趋势。
2、砼坝温度裂缝
大体积砼内产生温度裂缝，是由于砼发生温降，并且其体积变化受到约束，因而产生拉应力所致。
所产生的应力，与温降的数值和速率、发生温降时砼的龄期、砼的弹性和非弹性性质有关。
约束可能是外部的，如建筑物地基产生的约束；也可能是内部的，如砼内部对表面产生的约束。
在结构剖面上发生非线性温度变化，也会产生拉应力。
由于砼具有非弹性性质，故产生的应力和坝的温度发展过程有关。
每年秋天在基岩上浇筑大块体砼，而在冬季又停止浇筑，这样的大体积砼最易开裂。
在这种情况下；基岩约束大，温降也可能很大（由于砼浇筑温度和最高温度都相当高），而且由于表面暴露，使砼表面温度下降的很快。
在暴露的块体顶面边缘开始发生裂缝，并向块体内部发展，同时又沿侧面向下发到距基岩面1米左右的地方为止。
这些裂缝的大小变化很大，从深度仅十几毫米极其微小的裂缝，到宽度不等完全贯穿施工块体的不规则结构裂缝。
最宽的裂缝是在顶部边缘，一般宽度为0.4～0.8毫米。
在远离地基，并高出相邻块体8～15米的高浇筑块内，在每年较冷月份里也可能发生类似的贯穿裂缝。
在这种情况中，块体上部将以比较快的速度冷却，而位于相邻块体高程以下的部分，依据其龄期，可能还保持原来的温度，甚至温度还在升高。
因内部约束而产生的表面裂缝，很少有一定的形态规律。
最常见的裂缝，是沿着抗拉强度较低的水平施工缝发展。
这种裂缝一般发生在采用木模或绝热钢模板，而后来又在较低的外露温度下拆模时。
一旦拆去模板，混凝土表面发生温度突降，于是内外之间形成很大的温度差。
除了水平施工缝以外，其他最常见的表面裂缝，是发生在表面不规则处的垂直或接近垂直的裂缝，诸如孔洞、凹角或在浇筑中发生的施工中断处等。
这类裂缝的发展，大多不超过一个浇筑层。
但往往正是上述贯穿裂缝的开端。
（二）、温度控制措施
1、预冷
最积极而有效的温控方法之一，是降低砼的浇筑温度。
降低现场浇筑温度的方法很多，这些方法包括从限制一天中的较热时间或一年中的较热月份里砼的浇筑量，全面冷却砼混合物的各种材料，以达到低于设计的最高砼浇筑温度。
降低砼的浇筑温度的方法（一种或几种方法一起用），要根据冷却的要求和承包者的设备及其以往的经验而定。
对某些建筑物而言，粗骨料堆上洒水并搭盖凉棚，也许是唯一需要的预冷措施。
洒水的效果，在很大程度上取决于所用水的温度和承包者对料堆的运用情况。
同时，还可得到附带的蒸发冷却效果，但这仅限于相对湿度较低的地区。
对混凝土拌和厂和水管等进行隔热和（或）在表面涂反光油漆也有好处。
-3-
拌和用的水可以冷却到不同的程度，但最常用的水温是0～5oC之间。
在混合料中加冰或碎冰，是一个有效的冷却方法，因其优点是利用冰融化吸热取得冷却效果。
但是，大量加水，在一些实际工程中可能不是很现实的。
例如，倘若粗骨料和沙子两者的含水量较大，则加进混合料中的拌和用水就很少，用冰代替部分拌和用水的数量不会很多。
如果将粗骨料冷却到4oC左右，有以下几种方法：
（1）、把骨料放在冷水罐里冷却一定的时间。
（2）、用压缩冷却空气通过正在输进料堆和在皮带机上以及经过拌合楼料仓的粗骨料，也可得到比较有效的冷却效果。
（3）、用冷水喷洒也能冷却骨料。
（4）、砂子可通过垂直管形冷却。
也可用冷空气气流直接对皮带机上输送的砂子进行冷
却。
将砂子浸泡在冷水中是不现实的，因为冷却后要除去砂子内的水份比较困难。
2、后期冷却
大体积砼进行后期冷却的主要目的是使得在施工期内将砼温度降低到所需的收缩缝灌浆温度。
后期冷却是控制裂缝的有效措施。
在埋入每一浇筑层顶部的蛇形冷却管中，用循环冷水进行大体积砼的人工冷却，将显著降低砼的高峰温度。
但是，在浇筑后最初几天中，由于水化热增加很快，以及砼的导热系数相当低，埋入的冷却管实际上并不能防止砼的温升。
采用埋管系统可使冷却具有灵活性。
在任何时间和任何部位，均能得到所要求的冷却程度，这样就能减少砼内部高温和表面低温形成的较大温度差。
在秋冬季形成的这种温度差，最容易导致开裂。
3、水泥的用量
大体积砼建筑物，要求单位水泥用量比一般尺寸的砼建筑物少，因为其强度要求较低.但因其体积大，故散发到表面的热量较少，会达到较大的高峰温度数值。
由于砼内产生的热量与每立方米水泥用量成正比,所以选择的混合物应在达到所要求的强度和耐久性的同时，水泥的用量要最小。
大体积砼坝的水泥用量,过去是每立方米200～300公斤,但现在加用其它胶凝材料后已接近100公斤左右。
为了改善硅酸盐水泥的某些性能，同时达到增加产量和降低成本的目的，在硅酸盐水泥熟料中掺加适量的各种混合材料与石膏共同磨细的水硬性胶凝材料，称为掺混合材水泥。
掺混合材水泥目前最常用的是粉煤灰水泥。
粉煤灰是火电厂的燃料粉煤燃烧后收集的飞灰。
粉煤灰和适量石膏磨细制成粉煤灰水泥。
在混凝土中掺入适量粉煤灰和磨细的石膏可以削减拌和物中胶凝材料的水化热所引起的最高温度。
之所以可能，是因为粉煤灰的水化热发展速度比硅酸盐水泥低得多，粉煤灰一部分可以用来代替部分硅酸盐水泥，一部分可以改善混凝土的和易性，节约费用，生产优质砼。
4、其它各种措施
（1）、薄层浇筑：
按适当厚度分层浇筑砼，并将浇筑下一层的时间适当推迟几天，以便
-4-
由每层表面自然散失热量。
（2）、洒水养护：
在每个浇筑层的顶面和侧面进行洒水养护，可降低砼表面附近的温度。
在砼表面适当用水养护，可以使其表面温度接近于养护水的温度，而不是空气温度。
在低湿度地区，蒸发冷却，可使表面温度比养护水的温度稍低一些。
（3）、缓凝剂：
砼混合物中掺缓凝剂，并与水管冷却结合使用，可得到降温效果。
缓凝剂可减缓水泥早期发热速度，因而在浇筑后的第二和第三天内，总温度的升高值，将比用同一混合物但未加缓凝剂时的温度低1oC～2oC。
这一实际效益随所用缓凝剂的类型和使用量的不同而变化。
缓凝剂用量百分数，一般大约为水泥重量的0.25～0.33%。
（4）、表面处理：
如果大体积砼结构的表层砼能在较低的温度下凝固，并在砼的早期龄期内保持这种温度，则可能最大限度地减少表面裂缝。
在这种条件下，表面拉力可以减小，或者当内部砼随后降温时，表面甚至会处于受压状态。
这种表层冷却可在接近并平行于表层砼内，埋设较密的冷却管，并通水循环来实施。
（5）、温降速度：
大体积砼的温度应力产生的开裂趋势，可通过控制温降的速度和发生温降的时间，使之减至最小的程度。
在不用人工冷却的厚剖面内，温降一般十分缓慢，因而不存在什么问题。
但是在用人工冷却的薄剖面内，温度就下降得非常快，这种温降可能就要加以控制。
这就是靠减少蛇形冷却水的用量，或者是提高冷却水的温度来控制。
冷却系统的运用和给每根蛇形冷却管供水的总管的布置，应该做到使每根蛇形冷却管能单独使用。
在必要的部位，也应采用中断冷却一段时期的办法。
对于不用人工冷却的薄剖面，可以在暴露面用保温模板和保温层来控制冬季的温降。
这种措施不仅降低了热交换的速度，而且也降低近表面的温度差，从而可以有效地减少裂缝。
二、案例分析
（一）、砼拱坝工程概况
1、砼拱坝坝体设计
铜头电站拦河坝为三心圆截面砼双曲薄拱坝，拱坝建基第三系泥钙质砾岩上，属国内的前例。
坝基周围设置砼垫座，坝体内无孔洞。
大坝建基高程686.5m，正常蓄水位760m，坝顶高程761.5m，最大坝高75m，拱冠梁顶厚3.5m，底部厚13.5m，宽22.8m，坝体厚高比为0.217。
坝顶外圆弧长108.6m，坝底外圆弧长45.2m。
坝体以四条横缝分为五个坝段，最大仓面面积
为560m2，最小面积仅为70m2，大坝砼总量6.57万m3。
2、拱坝施工综述
坝址区河床两岸岩体出露，且呈介于“V”与“U”型之间河谷特性，施工条件极为艰难。
通过对工程砼施工强度和坝址区域地形地貌等因素的综合分析比较，选择在坝下游1.5km
处设置2×1.5m3砼拌和楼和2×0.8m3拌和站各一座，其中2×1.5m3砼拌和楼生产四级配拱坝砼，大坝左右岸坝肩高程761.5m和770m上分别布置一台门机，同时在基坑配置一台WD-400履带式吊车。
拱坝于92年11月开始坝肩开挖，93年10月坝肩开挖至河床水面高程，同年10月25日河床截流，94年4月坝基开挖结束。
坝体砼于94年6月开始浇筑，7～9月上旬进行坝基
-5-
及坝肩固结灌浆，95年6月20日大坝浇筑至坝顶高程761.5ｍ，月平均上升7.8ｍ，最大月上升12.0ｍ。
坝体高程694～733m，灌区封拱时间为95年4～5月，95年11月底下闸蓄水发电，发电初期控制最高限制水位738.4m（正常高水位760m）。
（二）、温控设计基本资料
1、气象水文资料
坝址区属温带气候，温热湿润，年内温差不大。
多年月平均相对湿度为83%，多年平均气
温15.8oC，极端最高气温35.5oC，极端最底气温-4.6oC。
寒潮是按月平均气温3天内连续下降5oC以上统计，年均气温骤降次数为3次，一般降温幅度为6～9oC。
出现的时段为11月至次年3月，寒潮是导致坝体表面裂缝的主要外因，重视砼表面保护尤为重要。
2、砼试验资料
（1）、砼原材料
砂石骨料：
采用灵关河赵家坝料场的天然砂石骨料。
水泥：
采用夹江水泥厂生产的425#中热硅酸盐水泥。
粉煤灰：
使用成都火力发电厂的粉煤灰。
氧化镁：
使用辽宁海城生产的氧化镁熟料，采用在水泥厂与水泥熟料一起棒磨的外掺方式，其均匀性是可靠的。
（2）、砼力学性能
受拱坝所处地质条件的制约，设计要求砼选用弹模低和抗拉高的砼，经大量的力学试验，优选最佳砼配合比见表1，其砼力学性能见表2。
表1
砼配合比表
序号
砼设计标号
水灰比
级配
用水量㎏
水泥用量
砂率%
掺和料
外加剂
㎏
1
R90200#
0.65
四
105
135
22
23%
0.158%
2
R90200#
0.65
四
105
135
22
20%
0.158%
表2
砼主要力学性能
设
抗压强度
弹性模数×
极限抗拉×
干缩180d
徐变
抗渗
陷度
计
Mpa
103Mpa
10-4
×10-6
度
28d
cm
标
10-6Mp
28d
90d
28d
90d
28d
90d
号
a
R902
18.5
25.6
24.6
28.2
0.82
0.9
470
31.3
S8
5～7
00#
（3）、外加剂
经试验选择，坝体砼的外加剂采用减水剂与引气剂，旨在减少水泥用量，改善砼和易性、提高抗拉、抗压强度及延缓水泥水化热发散速度。
减水剂选用开山屯木质黄酸钙，掺量为0.15%；引气剂选用RSF—B，掺量为0.008%。
（三）、温度控制标准的确定
-6-
1、上、下层温差标准
坝体砼浇筑要求短间歇均匀连续上升，上下层温差不明显。
对于长间歇老砼的上下温差应严格控制。
经计算：
（1）、短间歇均匀连续浇筑上升的坝体，上下层允许温差为20oC；
（2）、对于浇筑块顶面及侧面长期暴露的坝体，上下层允许温差17oC。
2、砼浇筑温度及允许最高温度
坝块的最高温度为砼浇筑温度加水化热温升扣除散热影响所能达到的最大值。
本工程坝
体允许的最高温度经分析与计算，其成果见表3。
表3
坝体各月允许最高温度及砼浇筑温度
单位：
oC
月份
1
2
3
4
5
6
9
10
11
12
项目
设计最高温
22
24
29
31
34
36
35
31
29
25
度
砼浇筑温度
22
24
12
12～20
22
24
22
坝体砼浇筑温度在11月至次年3月按多年年平均气温考虑，其他月份按低于多年平均气温2～3oC考虑。
3、保温标准
坝址区寒潮发生多集中在11月和3、4月期间，降温幅度约为6～9oC，此时气温骤降所形成的温度应力与年气温降温所形成的温度应力叠加。
经计算分析，砼坝体出现表面裂缝，应采取保护措施。
（四）、温度控制措施及实施效果
1、施工时段分析及对策
拱坝坝基砼原计划于3～4月的低温季节浇筑，由于坝基地质原因，致使坝基开挖量及其处理量增大，因而计划大坝从94年6月份开始浇筑，6月底达到高程691m，7～9月上旬进行坝基固结及帷幕灌浆，9月中旬重新开始浇筑，预计次年6月份坝体浇筑完毕。
由上述计划可知，大坝基础砼在夏季施工，温度控制问题十分突出，而坝体砼基本上处于低温季节，经分析研究，决定在坝基范围内采用外掺MgO微膨胀砼技术，补偿砼变形收缩，达到制约基础砼受基岩约束产生裂缝的目的。
实际施工过程中，坝基砼在6月份浇筑，坝体主要在低温季节浇筑，通过跳块浇筑，在满足温控要求条件下，实现坝体短间歇均匀连续上升，坝体月均上升达7.8m，最大月均上升达10.8m。
其施工速度在砼筑坝中尚属罕见。
2、降低水化热温升
（1）、选用了夹江425#中热硅酸盐水泥，次水泥自身发热量较小，从而使水泥水化热作为砼水化热温升的热源，得到了有效控制，降低了砼水化热温升。
（2）、在砼中掺20～30%的粉煤灰，采取超量掺法，即一部分粉煤灰代替水泥，减少水泥
-7-
用量，降低砼水化热温升；一部分则替代砂，改善砼的和易性。
经试验测定，每立方米砼中加粉煤灰10公斤，可获得降低水化热0.7oC的明显效果。
（3）、为了进一步减少水泥用量，经试验比较，采用复合式外加剂，即掺木钙、减水剂和RSF—B、引气剂，可节约水泥10%，并有助于减少干缩和提高抗裂能力等。
（4）、鉴于坝体内无孔洞，决定尽量采用四级配砼，也可减少水泥用量，降低温升。
（5）、经分析计算，坝体还需布置预埋冷却水管，具体布置为在坝体高程694～754m间
埋设1英寸蛇形管，▽754m以上天然冷却。
冷却水管采用纵向布置，梅花形排列，层距2m，间距1.5m。
一期冷却采用通河水方式，通水时间从砼浇筑后5～6天开始，持续30～50天，可有效地消减水化热温升，消减坝块最高温度，实测最高温度见表4。
表4
坝体各月允许最高温度及实测情况表
单位：
oC
月
份
1
2
3
4
5
6
9
10
11
12
项目
设计最高温
22
24
29
31
34
36
35
31
29
25
度
砼浇筑温度
20.5
22.3
27.8
30.2
32.9
34.8
33.6
29.8
27.3
23.2
从表中所知，坝体砼的实测最高温度均未超过允许的范围，从而说明采取的温度控制是合理的、有效的。
3、降低砼浇筑温度
（1）、降低砼出机口温度：
砼骨料取自地笼，要求堆料高度不低于8m，上拌合楼的骨料皮带机上拱设凉棚，降低骨料温度，控制及降低砼出机口温度。
（2）、坝址地区在11月到次年3月，气温较低，采用全天浇筑施工。
其他时段，采用早、晚及夜间浇筑，降低砼浇筑温度，同时加快浇筑覆盖速度，缩短已浇筑表面暴露时间，防止温度回升，有效控制砼的浇筑温度。
实测砼浇筑温度情况见表5。
（3）、受砼入仓机械及气温等诸多因素制约，结合温度控制要求，坝块砼浇筑采取薄层，短间歇连续上升的施工方案。
层厚为1.5～2m。
若仓面面积大于200m2时，采取薄层台阶法浇筑；若其面积小于200m2时，采取平浇筑法，层厚不超过3.0m，层间间歇时间为4～6
表5
砼浇筑温度实测情况表
升级会员 