高寒地区混凝土越冬蓄水保温方案的研究与应用

刘 洋

(中国水利水电第十六工程局有限公司，福州 350000)

1 工程概况

奋斗水库是一座以城镇供水为主、结合防洪、兼顾灌溉和发电等综合利用功能的大型水利枢纽工程，枢纽建筑物主要由拦河坝、电站、坝式进水口及供水口组成。拦河坝为全断面碾压混凝土重力坝，坝顶高程385.90m，最大坝高45.9m，坝顶轴线全长406m，共分22个坝段。电站采用坝后式厂房，装机容量4(1.7×2+0.6×1)MW。主体工程混凝土施工期为2016年9月—2018年6月，跨越了两个冬季。

奋斗水库位于黑龙江省东部，N44°28'，地处高寒地区，冬季严寒漫长，最低气温出现在1月份，极端最低气温可达到-44.1℃，最大冻土深度为1.68m，最大冰厚为1.42m。

2 蓄水保温方案的提出

奋斗水库于2016年9月15日进行大坝首仓混凝土浇筑，至当年10月22日共完成11#-15#坝段混凝土浇筑1.3万m3，浇筑厚度为4m(其中底部为1m常态垫层混凝土，上部为3m碾压混凝土)，混凝土顶面高程EL344m，混凝土外露面积为3400m2。由于混凝土越冬面还处于坝基强约束区内，且冬季气温较低，为确保混凝土质量，必须采取保温措施[1]。

2.1 传统保温不利条件

奋斗水库大坝混凝土越冬保温如采取传统保温方案，将存在如下不利条件：

1)奋斗水库工程地处高寒地区，冬季严寒漫长，达到5个月(11月份—翌年3月份)，极端最低气温达到-44.1℃，最大冻土深度可达到1.68m。

2)2016年混凝土越冬面处于原地面基坑以下，且低于上游河床水位，为避免冬季基坑集水影响混凝土保温效果，确保混凝土质量，必须进行冬季基坑抽排水。冬季低温环境下抽排水不仅难度较大，而且还需考虑现场人员的值班、水泵及管路的保温及现场供电保障等方案。

3)由于基坑内上、下游边坡渗水较大，为避免因边坡渗水进入保温材料内而降低保温效果，必须考虑边坡渗水的拦截及引排等措施。

4)传统越冬保温方法如盖草垫子、铺沙子、覆盖棉被及覆盖橡塑海绵板等措施，虽能满足保温要求，但施工工序相对复杂、施工要求高、费工费时、工期长且造价高。

2.2 蓄水保温条件

蓄水保温方案实施的主要条件为：①现场具备天然“蓄水池”的地形；②越冬混凝土面低于上游河床水位(至少2m)，避免因蓄水外渗导致冬季补水的麻烦。根据奋斗水库现场实际情况，混凝土越冬保温采取蓄水保温方案具有以下有利条件：

1)大坝基坑全部开挖完成，基坑内为四周封闭深坑，深度达到12m，具备良好的蓄水条件。

2)2016年底，混凝土越冬面高程为EL344m，最低处原地面高程为EL352m，上游河床水位高程为EL349.2m，上游水位高程高于混凝土越冬面5.2m，低于基坑原地面2.8m。因此，冬季基坑蓄水后不用考虑蓄水外渗的影响，也不存在蓄水溢出基坑的风险。

根据以上分析，奋斗水库2016年越冬混凝土采取蓄水保温具备有利条件。奋斗水库2016年越冬蓄水前后面貌对比图见图1和图2。

基于传统保温的不利条件及蓄水保温的有利条件的综合分析，本工程2016年越冬混凝土提出了蓄水保温方案。

3 蓄水保温方案的原理

蓄水保温即采用河水将混凝土淹没一定深度，利用冰层及水作为一种保温材料将混凝土与外界低温隔离，以达到保护混凝土的目的。蓄水保温主要利用了水的以下2个特性：

1)水具有一定阻热性。众所周知，混凝土的导热系数为λc=2.3W/(m·K)，水的导热系数为λw=0.55W/(m·K)(水温为0℃时)，故水具有一定的阻热性。

2)水具有放热性。水在未结冰时，其温度在0℃以上，当温度降低至0℃以下时，水将结冰，同时放出336kJ/kg的潜热。

随着外界气温降低，水面上部会逐步结冰，如蓄水具有一定深度，冰层和混凝土之间必然会有一定深度的水，根据水的阻热性，冰层和下部的水相当于天然保温材料，可阻止外界低温传导至混凝土面，加上水在结冰时可放出336kJ/kg的潜热，混凝土表面也会散发一定热量，使水温始终保持在0℃以上，那么混凝土表面温度同样会保持在0℃以上而不被破坏。

因此，采取蓄水方案对混凝土进行越冬保温是可行的，且在蓄水保温期间能促进混凝土内水泥进一步水化，增长混凝土强度，对抵抗混凝土因温差而产生裂缝起到有利作用。

图1 奋斗水库2016年越冬蓄水前地形

图2 奋斗水库2016年越冬蓄水后面貌

4 蓄水保温方案的实施

4.1 蓄水水深的确定

蓄水水深(不含冰层)对混凝土内部温度影响较小，对混凝土表面温度影响较大，混凝土表面温度随水深减小而降低，因此蓄水水深应考虑工程所在地最大冰层厚度，再加上水层厚度来确定最终蓄水水深。

根据奋斗水库工程所在地区的水文资料可知，冬季极端最低气温为-44.1℃，最大冰厚为1.42m，为保证蓄水保温效果，有效削减外界低温的影响，提高混凝土表面温度，蓄水层在冬季冰层厚度按1.5m、水层厚度按2.5m考虑，确定最终蓄水水深为4m，即水位高程为EL348m，低于河床水位1.2m。

4.2 蓄水水温的确定

根据奋斗水库所在地区气象资料，混凝土越冬开始保温时间一般在10月中、下旬，蓄水保温可直接采用河水，此时河水水温一般会低于混凝土表面温度，如温差过大，与混凝土冷却过程中产生的应力叠加后，可能产生较大的拉应力而产生温度裂缝，因此必须对蓄水水温与混凝土温差进行限制。根据现场实际的浇筑温度、绝热温升及散热条件计算，2016年10月底允许蓄水水温与混凝土温差△T=6.04℃。

奋斗水库于10月29日开始进行蓄水保温充水，当时实测水温为2.9℃，混凝土表面温度7.3℃，混凝土内部温度16.4℃，满足允许温差要求。本工程采用2台350m3/h水泵进行充水，8h后水位达到混凝土面以上0.5m，61h后水位达到混凝土面以上4m，保温的水位深度达到设计要求。

4.3 温度计埋设

为测得越冬期间混凝土内部、表面及蓄水水温的温度情况，检验蓄水保温效果，本工程在2016年混凝土施工期间在坝体内部及蓄水层不同深度布置了多支温度计，温度计采用电阻式温度计。温度计具体布置位置详见表1。

表1 越冬混凝土温度传感器埋设分布情况表

注：混凝土顶面高程EL344m，水面高程EL348m。

5 蓄水保温效果分析

2016年11月—2017年3月期间对混凝土内部及蓄水水温进行了监测，监测结果详见图3。

图3 2016年大坝混凝土越冬蓄水保温温度监测分布图

2016年越冬期间冰层厚度为0.9-1.2m，根据温度监测情况可知：

1)混凝土内部温度随蓄水保温时长呈下降曲线，至2017年3月中旬结束保温时坝体内部温度稳定在8-9℃，基本不受外界气温的影响；

2)混凝土表面温度在整个越冬期间较为稳定，最低时为2.3℃，最高时为4.5℃，大部分时间稳定在3.5-4.5℃之间，且基本不受外界气温的影响；

3)混凝土上部2.8m处位于冰层底部附近，受外界气温变化波动较大。

综上所述，奋斗水库2016年越冬蓄水保温效果良好，混凝土表面温度稳定在3.5-4.5℃，高于规定的0℃标准，并在2017年开春复工后的混凝土检查中未发现裂缝。

6 注意事项

蓄水保温需遵循以下6点注意事项：

1)采用蓄水保温方案时，现场应具备蓄水地形，混凝土越冬面应低于河床水位，否则会出现蓄水外流，造成蓄水水深不够而影响保温效果。

2)蓄水前注意河水水温与混凝土表面温差，避免因温差过大对混凝土质量产生不利影响。

3)蓄水水层深度(不含冰层)建议≥1m，水深过高将增加抽排水费用，水深太低会影响保温效果。

4)在混凝土停浇后至蓄水前应采用临时保温，避免因混凝土长时间暴露在低温下对混凝土质量产生不利影响。蓄水前根据蓄水总量来配置水泵，应尽快将混凝土淹没。

5)蓄水前做好预埋件保护，避免翌年破冰时损坏预埋件。

6)翌年排水时间应根据现场气温来确定，可根据实际气温来安排分阶段排水，以节省工期。

7 结 语

根据本工程实践，高寒地区混凝土越冬保温采用蓄水保温方案具有以下优点：

1)施工简单，工序少。采用蓄水保温只需配置水泵及安装管路进行充水及排水施工，工作量小，工序少，施工简单方便。

2)施工工期短。采用蓄水保温可有效节约工期，根据蓄水总量及水泵配置数量，完全可以掌握并控制工期长短。

3)保温效果好。根据本工程2016年越冬蓄水保温方案实践，混凝土表面温度基本稳定在3.5-4.5℃之间，效果良好，并对抵抗混凝土因温差而产生裂缝起到有利作用。

4)施工成本低。本工程2016年采用蓄水保温方案的费用仅为21万元，如采取覆盖橡塑海绵板保温方案，其费用高达45万元，节约工程投资24万元，其经济效益明显。

因此，混凝土采取越冬蓄水保温不仅保温效果良好，而且较传统保温方案具有工期短、成本低、工序少及施工简单等优势。

[1]夏世法，李秀琳，鲁一晖.高寒地区碾压混凝土坝岸坡坝段保温方案研究[J].中国水利水电科学研究院学报，2008(06)：93-99.