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申请工程师专业技术资格评审材料专业技术报告模板Tekeze大坝混凝土施工期温控计算
Tekeze大坝混凝土施工期温控计算
1概述
1.1基本情况
Tekeze大坝为混凝土薄壁双曲拱坝。
坝顶高程▽1145.0m,最大坝高185.0m。
底部拱冠梁最大宽度27.94m,顶部拱冠梁最小宽度5.6m,厚高比为0.15。
坝体内不设纵缝,仅设20条横缝,将坝体从中向左、右两岸分为21个坝段,各坝段在顶拱弧长均为20.0m。
根据我方目前的拱坝混凝土浇筑计划,拱坝混凝土预定于2005年年底开盘。
整个坝体混凝土总量约为1,023,000m3,最大仓面积约755m2。
砂石骨料生产系统布置在坝址上游右岸1310m平台上,生产原料为石灰岩。
成品骨料通过竖井和皮带机输送至在右坝肩1145m高程上的拌和平台,再通过两座HL240-2Q3000L型搅拌楼生产出拱坝所需的混凝土。
生产过程中,采用骨料预冷、加冰拌和等措施控制混凝土出机口温度,然后由两台辐射式缆机(另有一台备用缆机)送至浇筑仓面。
根据现场试验室测得的资料,Tekeze工地最近两年的气温、湿度及Tekeze河水温,见表1。
表1Tekeze工地最近两年的气象水温资料
月份
环境温度(℃)
相对湿度(%)
水温(℃)
最高
最低
平均值
最高
最低
平均值
最高
最低
平均值
Jan
38.0
15.5
26.6
69.0
31.0
51.8
42.0
22.0
30.3
Feb
39.0
18.5
27.0
78.0
32.0
51.5
49.0
22.0
29.9
Mar
40.0
19.5
28.1
95.0
23.5
55.7
43.0
20.0
30.7
Apr
40.0
20.0
29.4
100.0
32.5
59.6
40.0
21.0
32.0
May
40.0
20.0
29.7
92.5
32.0
51.9
40.0
21.0
33.2
Jun
40.0
16.5
25.9
100.0
37.0
69.8
40.0
20.0
31.4
Jul
37.0
15.5
23.4
95.0
38.0
76.4
40.0
20.0
28.6
Aug
34.6
12.3
22.2
97.9
40.0
79.2
40.0
18.0
27.2
Sep
37.2
16.1
25.0
91.5
29.5
67.7
40.0
21.0
29.7
Oct
46.6
13.5
25.7
92.4
26.6
55.1
40.0
21.0
30.5
Nov
47.0
15.2
25.3
84.0
33.8
57.0
40.0
21.0
30.4
Dec
34.7
14.9
24.3
83.7
16.0
51.2
31.4
15.8
23.9
1.2温控要求
根据合同技术条款,Tekeze大坝混凝土的温控指标有:
4.3.5.4TemperatureControlofConcrete
Inwarmandmoderateweatherthetemperatureofthefreshconcrete,measuredattheplaceofdepositionshallbenotmorethan15ºCandnotlessthan5ºC.
Incoldweatherthetemperatureoftheconcrete,measuredatthemixerdischarge,shallbenotmorethan20ºCandnotlessthan10ºC.
4.3.5.13PostCoolingofConcrete
ThecapacityofthechillingplantshallbedeterminedbytheContractorandjustifiedinhistender,sothattheconcretecanbecooledto15ºCinanyperiodof120days.
Therateofcoolingshallbecontrolledatarateofnotmorethan0.7ºC(经协商,改为1.0℃)perday,anditshouldbepossibletocompletethecooling120daysafterconcreting.
根据国内的施工规范,上述技术条款中的温控要求较为轻松。
为了保证浇筑混凝土的质量,需提出较为严格的标准。
参照《混凝土拱坝设计规范》SL282-2003和中国工程手册等资料,混凝土温度控制标准有:
(1)基础温差。
混凝土浇筑块在其基础约束范围内,混凝土最高温度与稳定温度之差。
Tekeze大坝的稳定温度为15℃。
根据SL282-2003中的表10.2.5,常态混凝土浇筑块的基础允许温差的规定值如下表2所示。
根据Tekeze拱坝河床基础开挖图及拱坝体型图,在1063高程上,左右岸基础浇筑块的最长边为20.95m;在1022高程上,左右岸基础浇筑块的最长边为30.05m。
参照表2中的规定,Tekeze拱坝的基础温差允许值及相应的混凝土最高温度值如表3所示。
综合上述分析,规定Tekeze拱坝在957~964高程范围内,混凝土最高温度控制在34.0℃,对于其它在基础约束区范围内的混凝土,其最高温度控制在37.0℃。
表2混凝土基础允许温差
离基岩面高度
H
浇筑块长边尺寸L
17m以下
17~21m
21~30m
30~40m
40m~通仓
0~0.2L
26~25℃
25~22℃
22~19℃
19~16℃
16~14℃
0.2~0.4L
28~27℃
27~25℃
25~22℃
22~19℃
19~17℃
表3Tekeze拱坝基础允许温差
基础块高程
基础块
长边尺寸
离基岩面高度
H
基础允许温差
基础混凝土
最高温度值
957~1022
36.6~30.05m
0~0.2L
19~16℃
34℃
0.2~0.4L
22~19℃
37℃
1022~1063
30.05~20.95m
0~0.2L
22~19℃
37℃
0.2~0.4L
25~22℃
37℃
1063~1145
20.95~20.0m
0~0.2L
24~22℃
37℃
0.2~0.4L
26~25℃
37℃
(2)坝体内外温差或坝体最高温度。
浇筑块的平均温度与其表面温度之差即为混凝土内外温差,该温差一般控制在20~25℃。
根据表1的资料,Tekeze拱坝坝址的环境气温平均值为22.2~29.7℃。
取最低平均气温为控制值,则坝体内的允许最高平均温度为42.2℃。
(3)上下层温差。
根据SL282-2003,上下层温差的允许值一般为15~20℃。
Tekeze拱坝混凝土的上下层允许温差可按18.0℃控制,但技术条款对上下层温差没有要求。
(4)表面保温标准。
当外界气温变化较快时,需采取表面保护或养护等措施。
根据表1的资料,Tekeze拱坝坝址的环境气温可达40℃以上,为防止由于环境辐射造成的混凝土温度回升,必须采取保温被或者表面流水养护等措施。
(5)水管冷却温差标准。
根据SL282-2003,坝体混凝土与冷却水温度之差不宜超过25℃,坝体降温速度不宜大于1.0℃/d。
Tekeze拱坝混凝土与冷却水允许温差为25.0℃,坝体冷却允许速度为1.0℃/d。
1.3计算目的
施工期混凝土温度计算,主要是根据实际施工条件核算各种温控措施条件下混凝土的温度,判断混凝土温度是否控制在设计允许最高温度范围内,为确定各种必要的温控措施提供依据,如降低混凝土浇筑温度、控制混凝土水化热温升、初期通水冷却、表面养护等。
通过混凝土温度计算,模拟混凝土浇筑后间歇期内浇筑块的温度变化过程,其间出现的最高温度一般为浇筑块的早期最高温度。
对于采用预冷混凝土浇筑的坝体,当混凝土最高温度仍可能超过设计允许最高温度时,宜进行初期通水冷却,以降低混凝土初期最高温度或防止出现第二个温度高峰值。
通过初期冷却计算,确定冷却水管的布置方案及初期冷却的水温和时段,以控制混凝土最高温度在允许范围内。
为了使坝体混凝土温度到达接缝灌浆温度,必须对混凝土进行二期通水冷却。
通过二期冷却计算,来模拟混凝土浇筑块在中后期的平均温度变化过程,根据接缝灌浆温度及通水冷却速度等技术要求来确定冷却的水温和时段。
Tekeze大坝混凝土施工期温控计算,是为了检验既定坝块分层方案的合理性,同时为混凝土的冷却水管布置提供参考意见。
2混凝土技术指标
根据设计图纸,Tekeze拱坝的大体积混凝土的标号为C24/150。
又根据《Tekeze大坝混凝土配合比试验计划》,C24混凝土的技术指标如下表4。
表4混凝土技术指标
强度等级
水泥含量
W(kg/m3)
水灰比
密度ρ(kg/m3)
导温系数
α(m2/d)
比热C(kJ/kg.℃)
表面放热系数
β(kJ/m2.h.℃)
导热系数λ(kJ/m.h.℃)
C24
250
(上限值)
0.5
2450
0.094
1.0
96.7
(风速:
5m/s)
9.6
混凝土绝热温升表示为:
其中,θt——t时刻混凝土的绝热温升(℃);
Q0——混凝土最终水化热(kJ/kg)。
根据技术条款4.3.4.2中的规定,水泥的最高水化热为275kJ/kg(28d)。
取Q0=275kJ/kg。
该值对混凝土温升影响显著,需通过严格试验界定。
m——系数。
根据4.3.4.2中的规定,水泥3d和28d的水化热分别为200kJ/kg、275kJ/kg;据此可以反算出m=0.433388。
该值显著影响混凝土水化热的上升速度,需通过严格试验界定。
根据上述绝热温升公式,C24混凝土的最终绝热温升值为28.06℃,其绝热温升曲线如图1所示。
图1C24混凝土绝热温升曲线
3初期冷却时混凝土温度计算
3.1计算条件
考虑初期通水冷却,在短间歇浇筑的情况下,采用如下公式计算混凝土浇筑层的平均温度Tm(℃)。
其中,Tp——混凝土的浇筑温度(℃);
Ts——混凝土的表面温度(℃)。
Ts=Ta+ΔT,Ta为环境温度,ΔT为差值。
Tr——混凝土水化热温升(℃)。
采用时差法叠加计算。
Tw——冷却水管进水口处水温(℃)。
E1——下层混凝土通过上层混凝土向顶面传热的平均温度残留比;
E2——上层混凝土向下层混凝土和顶面传热的残留比;
X——水管散热残留比。
根据上述计算公式可以看出,在初期冷却过程中,混凝土的平均温度与多方因素相关,包括混凝土浇筑温度及浇筑层高、水化热温升(受水泥的含量和品质控制)、外界环境温度、冷却水管的布置(包括冷却水温、水管间距、水管材料及直径)。
采用混凝土预冷措施,取Tp=15℃。
进行初期通水冷却时,采用Tekeze河水或制冷水供水。
计算中考虑三种情况:
(1)Tw=15℃;
(2)Tw=20℃;(3)考虑无冷却水管的方案,以便进行初期冷却效果的比较。
根据表1的资料,最高月均气温为29.7℃,取Ta=30.0℃。
根据技术条款4.3.5.13中的规定,采用外直径为c=2.5cm的薄壁钢管;或者采用外直径为32mm、内直径为28mm的H.D.P.E(高密度聚乙烯管)管,其导热系数为1.728kJ/m.h.℃,相应的等效金属水管内直径近似为1.52cm。
单根水管通水流量为qw=1.2m3/h,单根水管最大长度为L=300m。
根据初定的混凝土分层分块图,拟定几种浇筑块分层及冷却水管布置方案。
3.2计算成果
根据上述计算方法和条件,得出C24混凝土在各种浇筑层厚及水管布置方案下的最高水化热温升和最高混凝土平均温度。
采用薄壁钢管的计算成果如下表5,采用H.D.P.E管的计算成果如下表6。
从表中数据可以看出,布置冷却水管对降低混凝土最高温度具有一定的效果。
但是按照基础温差来控制,各种方案都不能满足34℃的基础块最高温度的要求,这是一个值得关注的问题。
按照坝体允许最高温度42.2℃以及坝体温度与冷却水温度之差25℃来控制,各种方案均能满足要求。
以其中第(12)方案、Tw1=15℃为例,初期冷却过程中混凝土的平均温度变化曲线如图2所示。
表5C24混凝土初期冷却计算成果(Ta=30.0℃,Tp=15℃,薄壁钢管)
浇筑层厚度
h(m)
水管布置方案
H×V(m×m)
C24最高水化热温升
在不同Tw1下的最高混凝土平均温度Tm
出现时间
(d)
最高温度Tr
(℃)
出现时间
(d)
最高温度/削峰值(℃)
Tw1=15℃
Tw1=20℃
1.25
(1)1.0×1.25
2
8.65
4
35.72/-2.31
36.17/-1.86
(2)1.5×1.25
3
9.00
4
36.46/-1.57
36.77/-1.26
无水管
3
9.78
4
38.03
2.5
(3)1.0×1.25
3
12.97
5
35.22/-4.87
36.24/-3.85
(4)1.5×1.25
4
13.86
5
36.62/-3.47
37.34/-2.75
(5)1.0×2.5
4
14.34
5
37.37/-2.72
37.92/-2.17
(6)1.5×2.5
4
14.83
6
38.21/-1.88
38.61/-1.48
无水管
5
15.73
7
40.09
1.5
(7)1.0×1.5
3
10.20
4
36.20/-2.51
36.69/-2.02
(8)1.5×1.5
3
10.61
4
36.94/-1.77
37.28/-1.43
无水管
3
11.38
5
38.71
3
(9)1.0×1.5
4
14.39
5
35.74/-4.73
36.72/-3.75
(10)1.5×1.5
4
15.27
5
37.04/-3.43
37.71/-2.76
(11)1.0×3.0
4
15.71
6
37.79/-2.68
38.36/-2.11
(12)1.5×3.0
5
16.17
6
38.64/-1.83
39.02/-1.45
(13)2.0×3.0
5
16.46
6
39.07/-1.40
39.35/-1.12
(14)2.5×3.0
5
16.62
6
39.33/-1.14
39.56(7)/-0.91
无水管
5
17.24
7
40.47
表6C24混凝土初期冷却计算成果(Ta=30.0℃,Tp=15℃,H.D.P.E管)
浇筑层厚度
h(m)
水管布置方案
H×V(m×m)
C24最高水化热温升
在不同Tw1下的最高混凝土平均温度
出现时间
(d)
最高温度
(℃)
出现时间
(d)
最高温度/削峰值(℃)
Tw1=15℃
Tw1=20℃
1.25
(1)1.0×1.25
2
8.73
4
35.93/-2.10
36.34/-1.69
(2)1.5×1.25
3
9.08
4
36.6/-1.43
36.88/-1.15
无水管
3
9.78
4
38.03
2.5
(3)1.0×1.25
4
13.18
5
35.62/-4.47
36.56/-3.53
(4)1.5×1.25
4
14.04
5
36.9/-3.19
37.56/-2.53
(5)1.0×2.5
4
14.68
5
37.59/2.50
38.08/-2.01
(6)1.5×2.5
5
14.68
6
38.38/-1.71
38.74/-1.35
无水管
5
15.73
7
40.09
1.5
(7)1.0×1.5
3
10.32
4
36.41/-2.30
36.86/-1.85
(8)1.5×1.5
3
10.69
4
37.09/-1.62
37.39/-1.32
无水管
3
11.38
5
38.71
3
(9)1.0×1.5
4
14.65
5
36.11/-4.31
37.00/-3.47
(10)1.5×1.5
4
15.43
5
37.29/-3.18
37.95/-2.52
(11)1.0×3.0
4
15.83
6
38.02/-2.45
38.54/-1.93
(12)1.5×3.0
5
16.27
6
38.79/-1.68
39.13/-1.34
(13)2.0×3.0
5
16.53
6
39.18/-1.29
39.44/-1.03
(14)2.5×3.0
5
16.68
7
39.42/-1.05
39.64/-0.83
无水管
5
17.24
7
40.47
图2初期冷却混凝土平均温度变化曲线
为了进行下面的二期冷却混凝土温度计算,在初期冷却过程中,混凝土15天温度及混凝土温度达到32℃的时间,列入下表7中。
表7初期冷却有关数据(C24,Ta=30.0℃,Tp=15℃)
浇筑层厚度h(m)
水管布置方案
H×V(m×m)
采用薄壁钢管
采用H.D.P.E
15天混凝土温度(℃)
混凝土温度升至32℃的时间(天)
15天混凝土温度(℃)
混凝土温度升至32℃的时间(天)
Tw1=15℃
Tw1=20℃
Tw1=15℃
Tw1=20℃
Tw1=15℃
Tw1=20℃
Tw1=15℃
Tw1=20℃
1.25
(1)1.0×1.25
30.97
31.22
10
11
31.08
31.32
11
12
(2)1.5×1.25
31.39
31.58
12
13
31.48
31.67
13
13
无水管
32.81
20
32.81
20
2.5
(3)1.0×1.25
29.8
30.87
10
12
30.22
31.25
11
13
(4)1.5×1.25
31.41
32.25
13
16
31.78
32.57
14
17
(5)1.0×2.5
32.45
33.15
16
19
32.78
33.43
17
20
(6)1.5×2.5
33.73
34.24
21
25
33.99
34.46
22
25
无水管
37.00
52
37.00
52
1.5
(7)1.0×1.5
31.21
31.47
12
13
31.27
31.6
12
13
(8)1.5×1.5
31.72
31.99
14
15
31.85
32.11
14
15
无水管
33.66
25
33.66
25
3.0
(9)1.0×1.5
30.17
31.43
10
14
30.67
31.86
12
15
(10)1.5×1.5
32.09
33.07
16
18
32.53
33.44
16
20
(11)1.0×3.0
33.32
34.1
19
22
33.69
34.42
20
23
(12)1.5×3.0
34.76
35.32
25
28
35.04
35.55
26
29
(13)2.0×3.0
35.56
35.99
29
33
35.78
36.17
31
34
(14)2.5×3.0
36.07
36.42
33
37
36.25
36.57
34
38
无水管
38.18
70
38.18
70
4二期冷却时混凝土温度计算
4.1计算条件
采用如下公式计算二期通水冷却时的混凝土平均温度Tm(℃)。
其中,T0——混凝土的初始温度(℃);
Tw——冷却水管进水口处水温(℃);
X——水管散热残留比。
根据计算公式可以看出,在二期冷却过程中,由于混凝土水化热已经发生完成,没有热源使得混凝土温度继续上升,所以在温度低于混凝土初始温度的冷却水的散热作用下,混凝土的平均温度呈单调下降趋势,同时与混凝土的配合比无关,仅与冷却水温和冷却水管的布置相关。
至于混凝土的初始温度T0,将采用32℃,即在混凝土温度达到32℃时开始二期冷却。
根据浇筑方案,混凝土浇筑块在5~7d后即进行上一层新混凝土的浇筑覆盖,老混凝土不再受环境温度的影响。
另外,根据C24混凝土的绝热温升曲线,15d后混凝土的绝热温升接近最高温升值,可以认为15d后混凝土不再产生水化热温升。
综合考虑上述两种实际情况,老混凝土的平均温度可以在15d后采用二期冷却计算公式进行计算。
根据表7中的数据,大约在15天或15天后混凝土的温度达到32℃。
因此,我们可以采用32℃作为二期冷却的混凝土初始温度,而在初期冷却中混凝土温度达到32℃的时间即为初期冷却的时间。
二期通水采用制冷厂冷却水供应,Tw2=10℃。
与初期冷却相应的,采用同样的水管布置方案。
4.2计算成果
根据上述公式和计算条件,我们可以得到在二期冷却中混凝土温度达到最终稳定温度(15℃)所需的时间,即二期冷却的时间,如表8中所示,其中也列出了最快的混凝土温度降低速率,以便审核这个速率是否在规定范围之内。
可以看出,在二期冷却开始时,混凝土温度降低很快,只有少数几种方案的温降速率在规定的1.0℃/d以内。
究其原因,是因为采用了温度比混凝土初始温度低许多而且温度恒定的冷却水,才导致了混凝土的温度降低过快。
将表7和表8中的时间综合考虑,可得出混凝土到达最终冷却要求所需的总时间,如表9所示。
可以看出,大多数方案的冷却总时间在规定的120天之内。
以其中第(12)方案、采用H.D.P.E为例,二期冷却过程中混凝土的平均温度变化曲线如图3所示。
表8二期冷却有关数据(C24,Ta=30.0℃,Tp=15℃)
浇筑层厚度
h(m)
水管布置方案
H×V(m×m)
采用薄壁钢管
采用H.D.P.E
最
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