超长底板水闸混凝土结构温控监测成果分析

魏林坚，刘启波，聂耳清

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

摘 要：从防止混凝土结构温度裂缝考虑，目前国内外建成的绝大部分水闸，闸室底板混凝土结构分段长度均在规范允许的35 m范围之内。龙泉水闸底板最大跨度达到52 m，属于超常规水闸。由于跨度大、对结构变形限制要求高，工程须采用大跨度不分缝水闸底板，且底板为混凝土桩基对结构变形进行约束。因此增加了底板和底板上闸墩墙体结构的防裂难度。针对该问题，工程主要采用水管冷却技术的温控措施，进行温度监测和分析，并取得预期效果。

关键词：超长底板；水闸；混凝土；温控；监测；成果分析

从理论和施工方法上而言，水闸混凝土结构的施工期裂缝问题是可以防止和控制的，但是由于裂缝问题的复杂性和影响因素很多，长期以来工程实践中出现各种不同程度的裂缝，有些裂缝危害较小，如表面裂缝，但有可能扩展为深部裂缝甚至贯穿性裂缝，还有些裂缝本身就从内部发生，从表面发现时已经是贯穿性结构裂缝，具有较大的危害性[1]。

在混凝土材料已经确定的情况下，要防止裂缝的产生，关键是降低混凝土结构的内外温差，并减小基础温差，减小结构约束[2]。解决控制基础温差的目的是限制混凝土在降温收缩过程中，由于受到老混凝土的约束而产生的水平拉应力和相应的垂直深层裂缝或垂直贯穿裂缝。控制内外温差的目的主要是为了避免发生表面裂缝[3]。《水闸设计规范》4.2.13条中规定岩基上的分段长度不宜超过20 m，土基上的分段长度不宜超过35 m，当分段长度超过本条规定数值时，宜做技术论证。广东省龙泉底板最大跨度达到52 m，属于超常规水闸。通过对大跨度底板的结构有限元分析及仿真计算，提出闸室结构设计方案以及施工期的温控防裂措施。龙泉水闸采用的温控措施除了掺粉煤灰及高效减水剂、WG-CMA三膨胀源抗裂剂外，主要采用了通水冷却和表面保温方法，显著降低了水化热温升，有效降低了混凝土结构的内外温差和基础温差，取得了很好的温控防裂效果。

1 工程概况

龙泉水闸是广东省江新联围除险加固工程中拟新建的4个闭口闸之一，位于新会区三江镇与睦洲镇交界的龙泉河上。水闸设计防洪潮标准为100年一遇，相应洪(潮)水位为2.83 m(珠基，下同)，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。水闸总净宽40 m，最大过闸流量为92.45 m3/s；通航建筑物规模按300 t级设计，级别为Ⅴ级[5]。

水闸轴线总长为132.80 m，水闸前缘总宽度为48 m，单孔通航孔居中布置，单孔净宽为40 m。闸墩长为17 m、宽为4 m、高为11.73 m，闸底板厚2～4.8 m，底板总长为52 m，为整体式混凝土结构。闸墩上游侧布置楼梯，在底板上游侧设置检修廊道，廊道形式采用门洞式，廊道尺寸为1.5 m×2.5 m，廊道底高程为-7.4 m。廊道两侧布置冲淤泵房，泵房尺寸为4.7 m×2.8 m。廊道与楼梯连成通道，电缆及油管从廊道通过。由于检修廊道及冲淤泵房均在常水位以下，对混凝土的防裂要求更高。水闸地基为深厚层的淤泥及淤质粘土，采用钻孔灌注桩处理。水闸结构布置见图1。

2 温控防裂方案

2.1 基本资料

2.1.1 气温

根据当地气温资料统计，多年月平均气温见表1。

图1 水闸纵剖面结构示意(单位：高程m，尺寸mm)

2.1.2 热学与力学性能

1) 混凝土：根据施工配合比资料及经验公式计算得到闸体C 25混凝土的热力学性能参数见表2。

2) 地基：地基的主要力学参数见表3。

表1 当地月平均气温

月123456789101112年均气温/℃12141721222628282622181420

表2 混凝土热力学参数

强度等级导热系数λ/[kJ/(m·h·℃)]密度ρ/(kg/m3)比热c/[kJ/(kg·℃)]线胀系数α/(10-6/℃)最终绝热温升θ0/℃最终弹性模量E0/GPa泊松比μC2510.9723801.18.830320.167

表3 地基主要力学指标建议值

地层压缩系数av/MPa-1压缩模量ES/MPa泊松比μ弹性模量E/MPa淤泥及淤泥质粘土2.131.530.30.884含泥砂砾石、砂砾质0.483.00.220全风化花岗岩0.454.100.210～20

2.1.3 温控指标

根据仿真计算，设置温控指标见表4。

表4 龙泉水闸温控标准

混凝土区域混凝土温度梯度/(℃/m)内部最高温度/℃底板5.055.0廊道层3.050.0闸墩5.055.0

浇筑温度一般不超过日均气温加5 ℃，内外温差控制为25 ℃。表面洒水养护时养护水的温度与混凝土内部温度相差应小于10.0 ℃。防裂目标：不出现内外温差造成的表面裂纹、不出现温降收缩而产生的深层开裂、不出现因气温骤降而引起的表面开裂、不出现干缩裂缝[4]。

2.2 材料选择及施工配合比

水泥采用中材天山P-O 42.5 R、珠海小黄杨石场碎石为5～31.5 mm、西江河砂、珠海电厂Ⅱ级粉煤灰、珠海晟峰SF-3 A高效减水剂、WG-CMA三膨胀源抗裂剂。

混凝土运输入仓采用搅拌车配合泵送形式，设计要求混凝土塌落度140+20 mm，初凝时间不小于12 h。用粉煤灰取代20%水泥，内掺总胶凝材料8%的WG-CMA三膨胀源抗裂剂，配合比见表5。

表5 水闸底板混凝土配合比

水灰比水胶比砂率/%坍落度/mm质量密度/(kg/m3)材料用量/(kg/m3)水泥煤灰CMA砂石水减水剂0.50.55391402380229952569811511754.54

2.3 混凝土温控措施

根据仿真计算并结合现场实际情况以及混凝土热学和力学性能，经研究，除采用掺粉煤灰及CMA抗裂剂外，主要采用通水冷却和表面保温的方法，从而降低混凝土结构的基础温差和内外温差[6]。

1) 通水冷却：采用内径40 mm PE冷却水管，底板中单根水管进出口之间的长度不超过300 m，廊道层和闸墩中单根水管进出口之间的长度不超过100 m。底板内高度方向的中心布置1层冷却水管，水平距离1.0 m；在廊道的下游侧和廊道的上部，水管布置密度为0.8 m×0.8 m (垂直距离×水平距离)，在廊道上游侧水管布置密度为0.8 m×0.6 m (垂直距离×水平距离)；闸墩的第1个到第3个浇筑层内水管布置密度为1.0 m×0.8 m (垂直距离×水平距离)。采用河水冷却，浇筑开始时就通水；所有水管每12 h将水流方向换向1次。底板中单根水管流量为1.0 m3/h，通水5 d.廊道层和闸墩中单根水管流量为3.0 m3/h，通水2 d。

2) 表面保温：底板侧面钢模板外贴4.0 cm厚聚乙稀苯板，拆模后立即用1层 4 cm厚EPE混凝土保温被覆盖各临空面。底板上表面浇筑完直接覆盖1层4 cm厚EPE混凝土保温被。底板上游面保温直至廊道层浇筑后10 d，其他临空面保温时间从底板浇筑完毕持续20 d。廊道层顶面用4.0 cm厚的EPE保温被保温60 d。廊道层侧面钢模板外贴4.0 cm厚聚乙稀苯板，拆模后立即用1层 4 cm厚EPE保温被覆盖，拆模选在白天高温时间段，保温总时长60 d。闸墩保温方式同廊道层，闸墩保温直至其上层混凝土浇筑后10 d。

3 温控实施效果

3.1 底板温度监测点设置及观测项目

根据温控要求，分别在底板桩号横0+028.40和横0+041.40混凝土中埋设8支温度计，对底板温度场分布和变化规律进行观测。主要观测项目为通水冷却情况下混凝土底板温度分布及变化状况。观测项目有混凝土内部温度、表面温度、通水流量、水管进出口水温等。温度计埋设见图2～3。

图2 底板横0+028.40温度计埋设示意

(单位：高程m，尺寸mm)

图3 底板横0+041.40温度计埋设示意

(单位：高程m，尺寸mm)

3.2 混凝土底板温度监测资料分析

3.2.1 混凝土浇筑温度

第一仓混凝土于2010年9月30日开始浇筑，浇筑混凝土方量为1 800 m3，历时23 h，浇筑温度为21.5 ℃；第二仓混凝土在2010年10月17日开始浇筑，浇筑混凝土方量为1 200 m3，历时16 h，浇筑温度为20.5 ℃；监测时间为2010年9月30日至11月10日。根据温度计埋设位置，选择具有代表性的T 2、T 6特征点进行分析。温度监测结果见表6，温度历时曲线与实测值详见图4。

表6 温度计监测成果

测孔编号测孔桩号及预埋高程混凝土浇筑时间混凝土浇筑温度值/℃起测温度值/℃最高温度值/℃11月10日温度值/℃内部温差/℃10d变化速率/(℃/d)T1横0+041.40▽-8.002010-09-3021.3041.7049.1524.0525.102.51T2横0+041.40▽-7.802010-09-3020.3526.3048.9024.8524.052.41T3横0+041.40▽-7.802010-09-3021.7528.6051.8522.4529.402.94T4横0+041.40▽-5.702010-10-1720.7036.0547.6523.7523.902.39T5横0+028.40▽-5.602010-10-1719.2036.9038.8518.8520.002.00T6横0+028.40▽-5.602010-10-1720.5539.9050.5023.9026.602.66T7横0+028.40▽-7.102010-09-3022.6528.9546.4024.322.102.21T8横0+028.40▽-8.102010-09-3022.5531.0052.7025.8526.852.69

图4 特征点T 2、T 6的温度历时曲线

3.2.2 混凝土温差

由于本工程底板位于堤岸地面以下12 m，其基础稳定温度可取多年平均气温，即20 ℃。从表6可知：混凝土最高温度为底板中下层的T 8测点52.7 ℃，平均最高温度为48.25 ℃，基础温差为28.25 ℃。内部温差最大值为T 3测点，其值为29.40 ℃。

3.2.3 温度监测资料分析

由图4可知，温度计算值和实测值拟合较好，证明仿真计算是可行的。通过监测成果可知：温度计实测值随混凝土龄期产生一定的周期性变化，观测成果过程线光滑、连续，变化富有规律。早期温度随着底板混凝土水化热的释放较高，温度一般在2～3 d达到峰值，后期随混凝土龄期增长，温度逐渐缓慢下降，峰值一般在10 d内得到削弱，并趋于稳定。根据经验，靠混凝土极限拉伸变形可抵消大约25 ℃温降收缩，但若不采取其他温控措施很容易形成温降收缩造成开裂。实践证明，本工程采用的通水冷却及表面保温的温控措施取得了很好的温控防裂效果。

本工程于2010年施工至今，经历6个洪水期的考验，未发现底板及廊道有贯穿裂缝和渗水现象。

4 结语

本工程水闸底板为超长混凝土结构，水闸廊道层和闸墩还受到底板较强的约束，对于底板和廊道层混凝土，无论是早期内外温差还是后期的温降收缩，由温度导致的裂缝产生的几率比较高。在合理采用表面保温和内部降温的组合措施下，可将早期内部最高温度控制在较低程度，且将内外温差控制在合理范围内。这样可使表面和内部应力均小于混凝土的允许抗拉强度，有利于防止早期和后期裂缝的产生。实践证明，该新型结构的温控防裂方法已经得到成功实施，防裂效果达到预期目标。

参考文献：

[1] 龚召熊.水工混凝土温度控制与防裂[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 周氐，章定国，钮新强，等.水工混凝土结构设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[4] 边振华.桩筏基础底板大体积砼通水冷却效果分析[J].交通科技，2004(6)：27-29.

[5] 魏林坚，李俊亮，刘启波，等.江新联围除险加固应急项目龙泉水闸工程初步设计报告[R].广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2009.

[6] 强晟，钟锐，魏林坚，等.江新联围除险加固应急项目三江口水闸工程混凝土裂缝机理和施工防裂方法研究[R].南京：河海大学水利水电学院，2010.

(本文责任编辑 王瑞兰)

Monitoring Result Analysis on Temperature Control of Overlength Base Plate Concrete Stucture

WEI Linjian, LIU Qibo, NIE Erqing

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635, China)

Abstract：In order to prevent the thermal crack of concrete, the section length of most of sluice boards built in the world at present is within the allowable range of 35 m. Because the sluice board largest span reached 52 m, Longquan Sluice belongs to ultra-conventional sluice. Due to the huge span and deformation constraint requirement, the project should be used huge span no-crack sluice board, and the bottom of the sluice chamber used concrete pile to support and to prevent deformation constraints. As a result, it greatly increases the difficulty of prevent the thermal crack happened. Aimed at the problem, water pipe cooling technology is adapted to control the temperature in the project; at the same time, temperature monitoring and analysis are conducted to achieve the desired results.Keywords:over length base plate; sluice; concrete; temperature control; monitor; result analysis,

收稿日期：2016-12-26;

修回日期：2017-03-10

作者简介：魏林坚(1977)，男，本科，高级工程师，从事水利水电工程设计工作。

中图分类号：TV66；TV331

文献标识码：A

文章编号：1008-0112(2017)004-0017-04