永久船闸闸室砼夏季施工温控研究.docx
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永久船闸闸室砼夏季施工温控研究
三峡永久船闸闸室夏季砼施工温控研究
三峡永久船闸线路上起祠堂包，下迄坝河口，布置在左岸临江最高峰坛子岭左侧。
由上游引航道、主体段和下游引航道组成，上游引航道长2113m，主体段长1637m，下游引航道长2722m，闸室有效尺寸280m×34m×5m（长×宽×吃水深）。
两线船闸中心线相距94m，每线船闸均设5个闸室、6个闸首。
闸室段共长1313.7m，每级闸室段长263.5~265.5m。
闸室段结构形式主要为薄壁衬砌墙，墙体紧贴已开挖好的直立岩面，通过高强结构锚杆与岩体共同受力。
每级闸室衬砌墙分为20~21块，衬砌墙顺流向分块尺寸一般为12m。
墙体下部衬砌厚度一般为1.5m，上部2.1m。
闸室底板厚5.3~10.2m，顺流向设二条丛缝，缝距为30m，将底板与边墙分离，使闸室成为分离式结构形式。
底板各块顺流向长度一般为12m。
三峡永久船闸工程开挖施工滞后，要按期完成砼浇筑确保2003年通航，利用夏季高温季节大量浇筑砼意义重大。
永久船闸工程开挖于弹模高、刚度大的花岗岩山体内，处于基岩约束区的船闸砼结构受基岩强约束易于产生较大温度拉应力。
夏季进行砼施工，船闸砼工程温度裂缝防止的问题十分突出。
尤其船闸闸室砼底板和闸室砼衬砌边墙，砼结构厚度薄，块体尺寸大。
在高温季节进行砼施工，如果措施不当，可能产生大面积贯穿性裂缝，对闸室结构造成极大危害。
根据有关设计文件规定：
闸首和闸室底板砼宜安排在10月~次年4月施工；闸室衬砌墙宜安排在9月~次年5月施工；闸首边墙0.4L以下部位宜安排在9月~次年5月施工。
因而在研究三峡永久船闸砼结构温度和温度应力状况的基础之上，必须研究船闸砼工程夏季施工的技术措施，以确保夏季施工闸室砼结构抗裂安全性。
1基本资料
1.1砼材料有关资料
三峡永久船闸闸首及闸室砼标号及主要设计指标见表1-1
永久船闸砼主要技术指标表1-1
部位
砼标号
级配
限制最大水灰比
极限拉伸值（×10-4）
28d
90d
闸室边墙外部
R90#250
三
0.55
≮0.80
≮0.85
闸首边墙内部
R90#250
三
0.60
≮0.75
≮0.80
闸首底板
R90#250
三
0.55
≮0.80
≮0.85
闸室衬砌墙
R28#250
三
0.55
≮0.85
≮0.88
闸室底板
R28#250
三
0.55
≮0.85
≮0.88
根据长江科学院《长江三峡水利枢纽工程第二阶段砼配合比设计实验报告之四——砼性能实验报告》，永久船闸砼弹性模量实验结果列于表1-2。
永久船闸砼弹性模量表1-2
实验配比编号
砼标号
砼弹性模量（Gpa）
7d
28d
90d
4
R90#250
17.2
26.3
27.8
9
R90#250
20.5
25.4
30.1
13
R28#250
22.4
28.4
30.3
砼的弹模随砼龄期的延长而逐渐增大，在砼浇筑后的最初一个月内弹模增长讯速。
砼弹模随龄期增长，通常可用下列表达式描述：
E=E0（1-e-mτ）
式中：
E0为砼90d龄期的弹模；τ为砼龄期；m为砼弹性模量增长率。
根据长江科学院三峡工程砼弹性模量的实验结果，永久船闸砼弹性模量增长率可分别采用：
R90#200，m=0.14;R90#250,m=0.16；R28#250，m=0.19。
基岩的弹性模量取为4.5Gpa。
根据长江科学院三峡工程砼的有关实验成果，永久船闸砼主要热学性能指标列于表1-3。
永久船闸砼主要热学性能指标表1-3
砼标号
导温系数（m2/d）
质量密度（t/m3）
导热系数[kJ/（md℃）]
线膨胀系数（10-6/℃）
比热[kJ/（kg℃）]
最终绝热温升（℃）
常数n
（d）
R90#200
0.0760
2.48
181.5
8.2
0.963
22.5
2.032
R90#250
0.0762
2.48
185.6
8.5
0.982
25.4
2.087
R28#250
0.0762
2.48
185.6
8.5
0.982
31.4
2.087
砼绝热温升可用双曲线公式表示为
θ=θ0τ/（n+τ）
式中：
θ0为砼最终绝热温升；τ为砼龄期；n为实验常数表示水化热散发一半的天数。
根据长江科学院三峡工程砼徐变实验资料，经非线性回归分析，获得永久船闸砼徐变参数列于表1-4
永久船闸砼徐变参数表1-4
实验配比编号
砼标号
砼徐变参数
A（10-6/Mpa）
B（10-6/Mpa）
S（1/d）
4
R90#200
12.15
136.06
0.18
9
R90#250
7.97
164.83
0.22
13
R28#250
8.59
146.36
0.18
对砼徐变实验资料的分析结果表明，三峡工程砼徐变性能具有如下特性：
一是长龄期砼加载的徐变性较之短龄期加载情形显著地减小，表现为A、B值相差悬殊；二是持荷时间并不太长徐变即趋于稳定值，表现为S值较大；三是与其他工程砼徐变资料相比，三峡工程砼徐变明显偏小，表现为A值偏小。
1.2气温、水温、地温
根据坝址三斗坪气象站1959年4月~1968年4月的实测资料，坝址区多年年平均气温为17.3℃，多年各月（旬）平均气温见表1-5。
三斗坪多年各月（旬）平均气温单位：
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
上旬
6.1
6.5
10.3
14.9
20.1
25.0
27.6
28.7
25.3
19.7
14.2
8.2
中旬
6.1
7.5
13.1
16.6
21.7
26.3
29.6
27.8
23.0
18.2
13.0
7.1
下旬
5.8
8.3
13.0
19.2
23.1
26.5
29.0
27.5
21.8
16.7
9.8
5.8
月均
6.0
7.4
12.1
16.9
21.7
26.0
28.7
28.0
23.4
18.1
12.3
7.0
依据多年实测气温资料，采用正玄函数模拟坝址区气温的年周期性变化
Ta=A+Bsinω（t-τ）
式中：
Ta为气温；A为年平均气温；B为气温年变幅；t为时间；τ为相位差；ω为圆频率，
ω=2π/365。
根据宜昌水文站1958年~1987年实测水温资料，多年年平均水温为17.9℃，多年各月（旬）平均水温见表1-6。
坝址区长江多年各月（旬）平均水温单位：
℃表1-6
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
上旬
9.7
9.2
11.5
16.0
20.3
22.9
24.3
25.9
24.4
20.6
17.6
12.9
中旬
9.1
9.7
12.8
17.3
21.2
23.5
24.8
25.7
22.9
19.7
16.2
11.6
下旬
9.1
10.4
14.4
18.9
22.0
23.7
25.4
25.2
21.6
18.7
14.4
10.7
月平均
9.3
9.8
13.0
17.4
21.2
23.4
24.8
25.6
23.0
19.6
16.0
11.7
在进行砼结构温度场分析时通常假设地温等于气温，基岩范围一般选取不大，基岩内初温假设为均匀分布，并等于当月平均气温。
大量气象部门实际观察资料表明，地温的分布显示出如下基本特征：
地表附近的温度接近月平均气温，地基深处为多年平均气温。
三峡永久船闸砼结构的温度及温度应力，模拟计算所选取的基岩范围较大，地温因素的合理计入能更好地保证分析成果的可靠性。
采取如下方式考虑地温的影响：
以施工前一年10月为时间起点（10月份气温与年平均气温接近），地基基岩初温设为均布的年平均气温，以基岩区域及其自然散热边界条件逐时段进行温度历程计算，并模拟气温的正常季节变化，直到开始砼浇筑的日期，自然可以获得一个砼开始施工的初始时刻的地温分布。
经计算分析检验，这样得到的基岩地温场能够比较好地反映实际的地温分布规律。
将此地温场作为初始地温场，然后从砼浇筑的初始时刻开始进行砼结构的施工过程模拟计算，地温的影响便能得到较好的体现。
1.3太阳辐射
砼表面吸收太阳辐射转化为热量将使砼温度升高，其影响相当于将周围空气气温升高△℃。
单位时间内单位面积上，太阳辐射来的热量为S。
S=S0[1-（1-k）n]
式中：
S0为晴天的太阳辐射能，三斗坪地区地处北纬31°，根据有关资料可查得年平均太阳月辐射最弱太阳辐射能S0=662.50kJ/（m2.h）；k为取决于纬度的系数，根据坝址的纬度，k=0.32；n为云量系数，根据有关气象资料坝址区n=0.5。
由于辐射热被砼吸收的部分为R，则R=αsS
式中：
αs为吸收系数，与表面粗糙度有关，砼的αs可取为0.65。
由于太阳辐射的影响，气温的辐射增量可按下式计算：
△=R/β
式中，β为砼表面放热系数，参照有关资料可取β=67.57kJ/（m2.h.℃）。
经计算，坝址区年平均气温的辐射增量为6.869℃，年气温变幅的辐射增量为2.236℃。
2砼底板温度及温度应力研究
闸室砼底板厚5.5m，砼标号R28#250，底板宽30m，沿水流方向每隔12m设一条横缝。
根据招标文件以及三峡工程砼质量标准等有关技术文件的要求，闸室砼底板浇筑层厚1.5m，沿厚度方向分4层浇筑。
层间间歇7d，砼浇筑温度14℃。
用有限单元法模拟闸室砼底板的实际施工过程，分析底板砼的温度和温度应力。
单元型式采用三角形单元。
单元总数470，节点总数268。
有限元计算网格图另见，选取10m深基岩共同计算。
2.1砼底板动态温度场及温度应力场研究
以气温最高的7月份施工情况为例，详细分析闸室砼底板动态温度场和温度应力场的特性和规律。
除遮阳及预冷砼之外，暂不考虑其他降温措施。
也便于下面各项降温措施实施效果的分析成果，易于与之作清晰的对比分析。
2.1.1砼底板动态温度场
各浇筑层施工期砼最高温度及其出现时间列于表2-1。
底板砼最高温度（遮阳+预冷砼）表2-1
部位
第一层
第二层
第三层
第四层
第一峰值温度（℃）
35.967
40.344
40.540
38.317
出现时间
（浇筑后第xd）
4
5
5
4
第二峰值温度（℃）
35.970
41.053
41.481
出现时间
（浇筑后第xd）
16
17
14
砼入仓后，由于水化热作用及高气温的热量倒灌，砼温度从14℃急剧上升。
到第4~5d，出现第一温度峰值。
随后，由于仓面散热，砼内部温度有所降低。
至第7d覆盖上层砼后，由于残存水化热作用砼温度重新开始回升，至14~17d出现第二温度峰值。
之后，砼内部温度缓慢下降。
由温度分析计算可以看到，1~3浇筑层在施工期具有两个峰值。
而且，第二峰值是砼施工期的最高温度。
间歇期以后的砼残存水化热在上层砼覆盖后使砼温度继续上升，是砼施工期第二温度峰值产生的主要原因。
闸室砼底板施工期最高温度达到41.481℃。
出现在第三浇筑层浇筑后第14d。
闸室砼底板施工完成后，随着气温的逐渐下降，底板砼温度亦随之逐渐降低。
气温基本按正旋规律
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