李新源
(湖北大禹建设股份有限公司第二工程公司碾盘山水利水电枢纽泄水闸工程项目，湖北省武汉市武昌区民主路260号 430060)
1.1 项目概况
碾盘山水利水电枢纽工程位于汉江中下游，距丹江口坝址261km，距雅口航运枢纽58km，距钟祥市区10km，距兴隆水利水电枢纽117km，是汉江中下游规划开发梯级中的倒数第二级。该水利水电枢纽以航运、发电为主，并兼顾供水、灌溉功能，且为引江济汉工程运行创造良性条件[1]。
碾盘山水利水电枢纽轴线总长度1200m,建筑物自右至左依次布置船闸、连接混凝土重力坝(含鱼道)、电站厂房、泄水闸、左岸连接土石坝段。布置形式为一线式。
碾盘山水利水电枢纽工程泄水闸闸室建筑物级别为1级建筑物，主要建筑物和工程的合理使用年限均为100年，次要建筑物合理使用年限50年。泄水闸混凝土闸墩、底板环境类别分别为三类、二类。
泄水闸坝段布置在河床中部，其左侧为土坝，右侧为发电厂房，坝段总长457.2m，包括泄水闸及左岸翼墙。泄水闸共24孔，采用2孔一联，闸孔净宽13m，顺水流方向长45m，两联总宽35.6m，其中闸墩厚3.2m，底板厚3.2m，水闸最大高度29.68m。泄水闸垂直河流总长427.2m，两孔一联闸底板面积1602m2。
1.2 水文气象
长江中下游最大支流汉江，干流全长1577km，流域集水面积约15.9万km2，于武汉市龙王庙汇入长江。下距皇庄水文站8.13km，集水面积14.03万km2。汉江流域属东亚副热带季风气候，受西太平洋副热带高压影响夏季高温多雨，受欧亚大陆冷高压影响冬季寒冷，具有明显季节性气候特征[2]。
根据碾盘山坝址附近钟祥气象台1951～2016年观测资料统计，多年平均气温为16.3℃，月平均最高气温发生在7月，为27.9℃；
1月平均最低气温3.39℃，1961年6月22日发生极端最高气温为39.7℃，1977年1月30日发生极端最低气温为-15.3℃。
查阅1950年～2016年共67年水文统计资料，显示湖北碾盘山水利水电枢纽所在坝址多年平均降水量为950mm，其中，2012年降水量为历年最小值，537mm,1980年降水量为历年最大值，1471mm。5～8月春夏两季，坝址处降水较集中，其降水量占年降水的58.3%。
碾盘山水利水电枢纽流域四季洪水具有季节性特点，洪水时空与暴雨时空基本一致，暴雨主要产生洪水灾害。汉江流城多年平均降水量为700mm～1000mm，5～10月降水占全年的70～80%，7～9月占年降水量的40～60%，汉江流域暴雨多发生于7～9月，个别年份暴雨推迟于10月上旬；
4～6月份暴雨较少。日降水量大于100mm以上的大暴雨多发生于7～9月份[3]。
2.1 计算数据
碾盘山水利枢纽工程泄水闸闸室底板、闸墩及左岸空箱挡土墙，采用C30三级配常态混凝土，每立方米原材料用量为：水泥205kg、水105kg、砂523kg、卵石1487kg、外加剂6.9kg、粉煤灰51kg。参照《水利水电工程施工手册》计算[4]。
2.2 最大绝热温升
最大绝热温升计算公式为
Th=(mc+K·F)Q/c·ρ
(1)
式中，Th为混凝土最大绝热温升，℃；
mc为混凝土中水泥(包括外加剂)用量，kg/m3，取值211.9；
F为混凝土活性掺和料用量，kg/m3，取值51；
K为掺和料折减系数。粉煤灰取0.25～0.30，Ⅱ级粉煤灰取0.30；
Q为水泥28d水化热，kJ/kg，取值42.5，普通硅酸盐375kJ/kg；
c为混凝土比热，kJ/(kg·K)，取值0.963；
ρ为混凝土密度，计算得2378kg/m3。
Th计算结果为37.2℃，即泄水闸混凝土最大绝热温升为37.2℃。[5]
2.3 混凝土中心温度
混凝土中心温度计算公式为
TZ(t)=Tj+Th·ε(t)
(2)
式中,TZ(t)为t龄期混凝土中心温度，℃；
Tj为混凝土浇筑温度，℃，本工程6月～8月气温最高，按经过温控措施后设计允许最大浇筑温度考虑，取26℃；
Th为混凝土最大绝热温升，℃，取37.2℃；
ε(t)为t龄期降温系数，闸室底板浇筑层厚为1.5m，取值0.49；
闸墩浇筑层厚为3.0m，取值0.68。
闸室底板混凝土浇筑温度计算结果为44.2℃。
闸墩混凝土浇筑温度计算结果为51.3℃。
计算结果显示,混凝土入模浇筑温度在26℃左右，施工过程中闸室底板混凝土内部最高温度44.2℃左右，大于底板设计允许最高温度35.0℃；
闸墩混凝土内部最高温度51.3℃，大于闸墩设计允许最高温度44.0℃，需采取仓内埋设冷却水管温控措施。
2.4 混凝土表面温度
混凝土表面以下50～100mm处温度计算公式为
TB(t)=Tq+4h"(H-h")[TZ(t)-Tq]/H2
(3)
式中，TB(t)为混凝土表面温度，℃；
Tq为施工期大气平均温度，℃，按多年平均16.3℃；
h"为混凝土虚厚度，m，h"=k·λ/β=2/3×2.33/1.41≈1.1；
H为混凝土计算厚度，m，H=h+2h"=1.5+2×1.1=3.7；
h为混凝土实际厚度，m。
则闸室底板混凝土表面温度计算结果为39.6℃。
混凝土中心温度和表面温度差为4.6℃，小于20℃，满足设计内外温差控制不超过20℃的要求。
大体积混凝土采用保温覆盖措施，下层铺设密封塑料薄膜、上层铺设双层保温麻袋并浇水养护。根据温度监测数据，采用增加覆盖物层数方法来动态降低内外温差超过20℃的趋势，保证内外温差满足设计要求[5]。
2.5 混凝土表层保温材料厚度
保温材料厚度采用公式为
δ=0.5h·λx·Kb(T2-Tq)/[λ(Tmax-T2)]
(4)
式中，δ为保温材料的厚度，m；
h为混凝土厚度，m；
λx为保温材料导热系数，W/(m·K)，采用麻袋，λx=0.09W/m·K；
Kb为传热系数修正值，考虑大风情况，保温材料上下各铺设一层不透风材料，取1.4；
T2为混凝土表面温度(表面下50～100mm处)(34.9℃)；
Tq为大气平均最高温度，℃，施工期为夏季，取Tq=30.5℃；
λ为混凝土的导热系数，W/(m·K)，取λ=2.33W/m·K；
Tmax为计算混凝土最高温度，Tmax=44.2℃。
计算为40mm。
泄水闸大体积混凝土浇筑和养护时，需对混凝土表面温度和内部中心温度进行监测，根据监测结果采取相应控制措施保证混凝土浇筑温度要求[6]。当混凝土内、外温度差值超过20℃时，应紧急增加覆盖一层土工布，控制内外温差，增加制冷水循环。在泄水闸混凝土内部温度峰值来临前期每2h测一次温度；
泄水闸混凝土内部温度峰值来临后，每4h测一次温度，后期6～8h测一次温度，并同时量测记录气温，所有测温点编号，表面温度和内部不同深度测量，测温数据记录，交技术负责人签字[7]。
施工期对混凝土温度控制过程进行监测，确保温度监测原始记录完整有效，泄水闸混凝土温度监测包括:原材料温度、混凝土出机口温度，入仓温度、浇筑温度、混凝土内部温度、外界气温、浇筑仓编号、冷却水管进出口水温、水压、流量等主要内容，混凝土内外温差不大于20℃为重点控制项，并根据监测结果采取措施动态调整。
3.1 原材料温度监测
水泥、掺合料、骨料，水和外加剂等原材料的温度应至少每4h测量一次。
3.2 混凝土温度监测
(1)出机口温度：出机口混凝土温度要求每4h测量一次数据，并记录混凝土温度值。
(2)入仓温度：混凝土入仓后平仓前，测量深5～10cm处的入仓温度，入仓温度每4h测量一次，并记录混凝土温度数据。
(3)浇筑温度：混凝土经平仓、振捣或碾压后、覆盖上层混凝土前，测量本层混凝土面以下5～10cm处的浇筑温度[8]。
(4)内部混凝土温度：泄水闸混凝土内部温度监测采用后埋式温度计监测的方法，即在刚振捣完成的仓面上开槽埋设，开槽深度约25cm，回填混凝土为原配合比混凝土并捣实，每2～3个浇筑层布置1个测温点。温度计埋设工作与混凝土施工之间进行配合与协调。温度计埋设后每隔4h观测1次，直至混凝土达到最高温度以后每天观测1次，直至单孔泄水闸浇筑完成后1个月，之后每月观测1～2次。
3.3 通水冷却监测
(1)每仓混凝土中选择1根-3根冷却水管进行进出口水温、流量、压力的测量，并记录各期通水开始时间、结束时间。水温、流量、压力宜每6～12h测量一次。
(2)初期通水冷却结束时，宜采用水管闷水测温方法监测混凝土温度，闷水时间采用5～7d，并记录闷水开始日期、结束日期及测温结果。
3.4 浇筑仓气温及保温层温度监测
(1)混凝土施工过程中，测量仓内中心点附近距离混凝土表面高度1.5m处的气温，并同时测量仓外气温。
(2)混凝土表面保温期间，在混凝土最高温度出现前每8h观测1次，最高温度出现至28d每24h观测1次，28d至保温材料拆除前每周观测1次。气温骤降期间，应增加温度测量次数。
4.1 高温时段温控
坝址区年平均气温高，高温持续时间长，其中4月-10月月平均气温达到22.4℃，月平均最高气温发生在7月，为27.9℃，极端最高气温为39.7℃，对应时段的混凝土控温难度大。通水冷却分三期进行，同一时段通水高差大，相应地施工、运行、管理复杂，难度大。
措施：全面统筹安排各项工程施工，配备足够的混凝土施工设备及资源，合理安排混凝土施工进度及浇筑时段，尽量做到闸墩混凝土短间歇均匀上升，同时避开高温时段开浇温控要求严的部位。高温时段浇筑混凝土，采取混凝土运输机具外加保温板及防晒棚，避免混凝土自卸车与布料机在太阳下暴晒，加快混凝土入仓及覆盖速度，加强仓面喷雾降温，及时覆盖仓面保温被等，以最大限度地降低混凝土浇筑温度。混凝土内部埋设温度计，动态监控混凝土内部温度过程，确保温控数据真实可靠，并及时调整温控措施与通水工况，确保两期通水冷却过程符合要求。采用移动式冷水站供制冷却水，配置足量冷水站制冷容量，冷水站采用开式循环，与闸室就近布置，加强冷水站及冷却供水管网的管理，减小混凝土施工与混凝土冷却之间的干扰，保证冷水站安全、可靠、及时地向混凝土体提供保质、保量的制冷水。
4.2 混凝土防裂温控
泄水闸混凝土施工多工序交叉，结构繁杂，对混凝土温控防裂工作影响大。
措施：建立健全施工管理体系和温度控制管理体系，成立混凝土温控小组，负责混凝土温控措施的实施及特殊情况处理。实行混凝土温度控制及主要温控指标预警预控制度，严格仓面工艺设计和施工管理。[9]
对有特殊温控要求的部位，宽槽或其它结构部位，除合理安排施工时段外，还需采取一些有针对性的特殊温控措施，加密冷却水管间距、采取个性化通水、加强仓面喷雾、表面流水养护，确保混凝土温度满足设计要求。
4.3 混凝土内外温控
主体结构混凝土水化热大，温升快，内部温度高，冬季施工时，环境温度较低，同时坝址河床平坦开阔，气温骤降频繁，混凝土内外温差控制难度大。
措施：每年10月下旬至11月上旬，对应当年4月～10月浇筑的混凝土进行中期和后期通水冷却。冬季来临前，将孔洞、宽槽等易形成透风通道的缝口进行封闭。冬季新浇混凝土加强表面保温防护，收仓后水平面及时覆盖2cm厚聚氨脂保温被，保温时间不小于5天；
上下游面、侧面覆盖4cm厚聚苯乙烯保温卷材，防止新浇混凝土内外温差超标。
4.4 混凝土防裂温控
二期混凝土长间歇层面受外界影响时间长，受力条件差，混凝土内易产生裂缝。
措施：对受力条件差的部位，加强混凝土表面保温、保湿、通水冷却等常规温控措施，并对边坡采取处理措施。边坡上设置边坡系统锚杆、钢筋网加强型喷射混凝土支护和排水设施。边坡系统锚杆，直径φ25mm，长6.0m，间距2.5m×2.5m；
坡顶系统锚杆，直径φ28mm，长9.0m，间距2.5m×2.5m。坡面采用12cm厚的钢筋网加强型喷射混凝土进行保护，排水孔应按次序排列，每个排水孔长6.0m，直径φ56mm，间距3.0m×3.0m。边坡上设置排水沟、截水沟、排水孔。