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1、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
2、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 -目录一、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
3、，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
4、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
5、。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
6、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
7、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
8、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 0.40.8 毫米。在远离地基，并高出相邻块体 815 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
9、，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
10、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 05oC 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
11、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
12、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 200300 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
13、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
14、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 1oC2oC。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 0.250.33%。（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
15、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
16、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
17、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 21.5m3 砼拌和楼和 20.8m3 拌和站各一座，其中 21.5m3 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，9
18、4 年 4 月坝基开挖结束。坝体砼于 94 年 6 月开始浇筑，79 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 761.5，月平均上升 7.8，最大月上升 12.0。坝体高程 694733m，灌区封拱时间为 95 年 45 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
19、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 69oC。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
20、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1R90200#0.65四1051352223%0.158%2R90200#0.65四1051352220%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Mpa103Mpa10-410-6度28dcm标10-6Mp28d90d28d90d28d90d号aR90218.525.624.628.20.820.947031.3S85700#（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
21、0.15%；引气剂选用 RSFB，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1234569101112项目设计最高温222429
22、31343635312925度砼浇筑温度2224121220222422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 23oC 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 69oC，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 34 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，79
23、 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
24、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 2030%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 0.7 oC 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 RSFB、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
25、程 694754m 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 56 天开始，持续 3050 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1234569101112项目设计最高温22242931343635312925度砼浇筑温度20.522.327.830.232.934.833.629.827.323.2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
26、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 1.52m。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
27、厚不超过 3.0m，层间间歇时间为 46表 5砼浇筑温度实测情况表单位：oC月份6789101112123456项目允 许 浇 筑2224243212122022温度- 8 -实 测 浇 筑19.20.17.13.10.7.07.110.12.18.19.温度879812691天，薄层施工还可以充分利用坝顶及侧面散热，加之在坝体层面采用河水流水养护，以降低砼浇筑块的最高温度。4、 坝体表面保护措施寒潮及气温骤降是造成坝体砼表面裂缝的主要因素之一。坝址地区的寒潮及气温骤降在 11 月至次年 3 月时段内时常发生，为控制坝体砼表面裂缝的发生，应采取表面保护措施。本工程坝体为薄拱坝，控制坝体砼表面裂
28、缝更显重要。经综合分析比较，采用内贴气垫薄模保温；侧面及顶面采用草袋保温，并加以水湿，有效地防止表面裂缝的发生。通过采用上述有效的温度控制措施，使坝体砼的浇筑温度及最高温度都得到了有效的控制，满足了设计要求，经全面仔细的检查，未发现一条裂缝，创造了无裂缝大坝的奇迹。（五）、 工程效果1、选择合理的施工时段是温度控制的基本前提。坝体基础砼采用外掺 MgO 微膨胀砼是科学的、成功的，解决了坝基砼在夏季施工的难题。坝体砼从 10 月开始浇筑，至次年 6 月浇筑完毕，砼主要在低温季节浇筑，从而有效地控制了砼最高温度。2、坝址区气候温和、湿度大、水温低、基岩弹模低等给温控提供了有利条件。采用气垫薄模加强
29、表面保护是合理的、有效的温控措施之一。内贴法施工是较成功的。3、通过优化砼分缝分层分块，选择采用薄层短间歇均匀上升法施工是合理的和现实的。并使坝体月匀上升达到 7.8m，最大上升为 10.8m 的超常规速度，创造砼筑坝速度的新高。4、优选最优施工配合比，提高砼的极限拉伸值，增强砼自身的抗裂能力，采用双掺技术，即掺粉煤灰及外加剂，大大地降低了水泥用量，对坝体温控防裂起到重要的作用。通过坝体初期蓄水前后观测，未发现裂缝，说明本工程所采取的一系列温控防裂措施既简单又合理。- 9 -参考文献1美国恳务局著.拱坝设计翻译组译.潘家铮校.拱坝设计.水利电力出版社，1984 年 6 月，第 188 页、第 190 页至第 194 页。2祁庆和主编.水工建筑物.中国水利水电出版社，1986 年 1 月。3邰连河主编，道路建筑材料，人民交通出版社，1998 年 9 月。
