Tekeze水電工程大體積混凝土溫控防裂 實(shí)踐與探討

□薛建軍

埃塞俄比亞Tekeze水電站混凝土雙曲拱壩在配合比、拌和、運(yùn)輸、澆筑、冷卻、溫控、養(yǎng)護(hù)等方面采取了一系列技術(shù)措施，不但滿足了混凝土快速施工的要求，整個大壩自始至終也未出現(xiàn)一條溫度裂縫。本文中，作者對此提出了自己的分析與見解，可為今后類似混凝土拱壩快速施工及質(zhì)量控制提供參考。

一、概述

Tekeze水電工程位于埃塞俄比亞境內(nèi)，是該國最大的水電工程，電站設(shè)計裝機(jī)容量4×7.5萬千瓦。業(yè)主單位是埃塞俄比亞電力公司（EEPCO），設(shè)計兼工程師（監(jiān)理）單位是以美國Harza公司為牽頭方的聯(lián)營體，施工單位是由中國境內(nèi)兩大水電巨頭中國水電建設(shè)集團(tuán)和葛洲壩集團(tuán)組成的聯(lián)營體（CWGS JV）。

對于本工程來說，無論是從設(shè)計方面還是施工方面，其中最為典型的就是大壩工程。大壩設(shè)計為對數(shù)螺旋雙曲混凝土拱壩，最大壩高188m，最大壩寬27.9m（不含基礎(chǔ)擴(kuò)大部分），壩頂寬度5.6m，厚高比為0.148，屬薄拱壩范疇，共計約103萬m3。壩頂軸線長428 m，共分為21個壩段，除兩岸邊坡壩段外，每個壩段的壩頂軸線長均為20m。整個壩體不設(shè)縱縫，各壩段之間設(shè)一條從上至下的垂直橫縫（設(shè)計稱為“伸縮縫”）。除孔洞、牛腿和壩頂結(jié)構(gòu)外，其它部位均為素混凝土。大壩混凝土自2006年2月開始澆筑，至2009年3月澆筑完成。

盡管中水電和葛洲壩兩家單位作為國內(nèi)頂尖的施工單位，有著豐富的水電施工經(jīng)驗(yàn)，但還是很少見到設(shè)計如此單薄而且鋼筋用量又小的拱壩。如何按期保質(zhì)地完成拱壩的混凝土施工擺在了項(xiàng)目部面前。為此，項(xiàng)目部采取了各種有效的溫控措施，加快混凝土澆筑速度。最終整個大壩沒有發(fā)現(xiàn)一條裂縫，打破了混凝土壩“無壩不裂”的神話，同時也為中國承包商贏得了榮譽(yù)。

二、大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生原因

混凝土裂縫就深度而言有表面裂縫、淺裂縫、深裂縫、貫穿裂縫等，混凝土產(chǎn)生裂縫的因素也有許多，如材料、配合比、施工、設(shè)計、使用條件等等。在所有裂縫中，貫穿裂縫的破壞性最強(qiáng)，也是設(shè)計與施工方最應(yīng)采取措施來避免的。

混凝土在水泥水化熱的作用下溫度會逐漸升高，由于大體積混凝土內(nèi)部溫度不容易散發(fā)出來，必然會引起混凝土的內(nèi)部溫度與周邊環(huán)境溫度不同，由此而引起混凝土內(nèi)外溫差，從而使混凝土表面產(chǎn)生張力，在張力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面便產(chǎn)生了裂縫，這種裂縫即混凝土溫度裂縫。一般情況下，如不采取措施，溫度裂縫便會由外及內(nèi)逐步發(fā)展，嚴(yán)重時即成為貫穿裂縫。大體積混凝土施工時，應(yīng)采取一切必要措施來降低混凝土的內(nèi)外溫差，防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

三、防止溫度裂縫產(chǎn)生的主要技術(shù)措施

為防止混凝土產(chǎn)生裂縫，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，項(xiàng)目部在混凝土配合比、拌和、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)和冷卻等方面進(jìn)行了全方位的考慮和控制。主要措施如下：

（一）混凝土配合比及水泥用量的選用。根據(jù)設(shè)計和技術(shù)規(guī)范要求，大壩混凝土的抗壓強(qiáng)度等級為C9024/150，即混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊（圓柱體：直徑×高度 =Ф350mm×700mm， 將 粒 徑120mm以上的骨料篩除）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，90天齡期的抗壓強(qiáng)度為24MPa，混凝土骨料最大粒徑為150mm（即我們通常所說的“四級配混凝土”）?？傮w來說，混凝土強(qiáng)度要求還是比較高的。

一般情況下，對于大體積混凝土，為降低混凝土水化熱，都要盡可能的減少水泥用量，以節(jié)約成本和減少水化熱，但其前提條件是必須滿足混凝土強(qiáng)度等其它重要指標(biāo)。

項(xiàng)目部試驗(yàn)室經(jīng)計算和反復(fù)試配后，基于上述考慮，向工程師提交了單位混凝土水泥（火山灰水泥，火山灰摻量25%）用量為255kg的混凝土配合比，工程師則基于混凝土水化熱和成本考慮（根據(jù)合同，水泥需單獨(dú)計量與支付），認(rèn)為水泥用量過高。經(jīng)長時間磋商，權(quán)衡利弊，最終決定將單位混凝土的水泥用量定為240kg。

根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，現(xiàn)場可用的混凝土骨料只有石灰?guī)r一種。為確?；炷翉?qiáng)度，項(xiàng)目部在與水泥生產(chǎn)商簽訂合同時，專門要求水泥的28天強(qiáng)度不得低于38MPa。

從近三年實(shí)際澆筑情況來看，這個水泥用量還是比較合理的，既保證了混凝土強(qiáng)度，大壩也未出現(xiàn)裂縫。

（二）降低混凝土出機(jī)口溫度。由于施工現(xiàn)場氣溫較高，經(jīng)計算，我們將混凝土入倉溫度定為15℃，這樣既能滿足混凝土的溫控防裂要求，也能滿足合同與技術(shù)規(guī)范要求。在混凝土拌和上，項(xiàng)目部從以下幾個方面進(jìn)行了控制：

1.降低氣溫對各種原材料的影響。各種骨料均通過骨料豎井和廊道進(jìn)行運(yùn)輸。由于豎井容量較大，骨料從成品料堆到拌和樓一般要經(jīng)過數(shù)天，這樣就大大減少了太陽輻射對骨料的影響。

2.各種骨料在拌和樓料倉內(nèi)先進(jìn)行通風(fēng)預(yù)冷（投料前）。

3.采用制冷水拌和，并加冰屑。

此外，水泥入罐溫度按不高于60℃來控制。

通過以上措施，基本上做到了混凝土的出機(jī)口溫度控制在12℃左右。

（三）快速入倉，降低混凝土的入倉溫度與澆筑溫度?；炷了竭\(yùn)輸采用機(jī)關(guān)車?yán)瓊?cè)卸罐，每臺機(jī)關(guān)車配兩個6m3的側(cè)卸罐，對于一般倉號，需要兩臺機(jī)關(guān)車參與水平運(yùn)輸，較大的倉號則使用三臺纜機(jī)同時作業(yè)?；炷吝\(yùn)至卸料平臺后，倒入6m3立罐內(nèi)，然后通過纜機(jī)吊運(yùn)入倉。無論側(cè)卸罐還是立罐，外側(cè)都貼上了一層橡塑海棉，以減小混凝土運(yùn)輸過程中的溫度損失。

混凝土澆筑以平鋪法澆筑為主，倉內(nèi)采用平倉機(jī)進(jìn)行攤鋪。除局部人工輔助振搗外，大部分混凝土采用振搗臂進(jìn)行振搗。

由于混凝土從拌和至運(yùn)輸再到澆筑，整個流程全部為機(jī)械化施工，因此澆筑效率較高。據(jù)統(tǒng)計，在三臺纜機(jī)同時參與澆筑的情況下，平均每小時混凝土澆筑的最高記錄曾達(dá)到157 m3。

同時，為減小白天氣溫高、太陽輻射大而造成的混凝土溫升，在混凝土澆筑過程中，還安排人員在已澆混凝土上方進(jìn)行噴霧。對于個別上層混凝土不能及時覆蓋的部位，用保溫被臨時覆蓋。

上述措施的應(yīng)用，最大限度地保證了混凝土快速入倉要求，進(jìn)而保證了混凝土的澆筑溫度。據(jù)實(shí)測，混凝土的入倉溫度一般都低于技術(shù)規(guī)范規(guī)定的不高于15℃的要求，澆筑溫度一般不高于17℃，基本上達(dá)到了預(yù)期的目的。

（四）養(yǎng)護(hù)。混凝土側(cè)面采用流水養(yǎng)護(hù)，頂面采用保溫被覆蓋加流水養(yǎng)護(hù)。在一段時間內(nèi)，混凝土頂面由于未嚴(yán)格執(zhí)行保溫被覆蓋規(guī)定，曾一度出現(xiàn)過一些淺層裂縫。在加強(qiáng)控制后，效果明顯得到了好轉(zhuǎn)。

（五）冷卻。冷卻水管全部采用HDPE管。HDPE管外徑32mm，壁厚2mm，蛇形布置在已澆的混凝土倉面上。除個別倉號因接縫灌漿需要在混凝土澆筑過程中加鋪一層冷卻水管外，一般層間距都是3m（即混凝土升層厚度），排間距1m。為加強(qiáng)冷卻效果，每套冷卻水管長度都不得大于300m，且直接與供水管路相連，而不是幾套冷卻水管串連在一起。在冷卻水管的進(jìn)出口布置上，為便于冷卻和以后回填灌漿，每個灌區(qū)、每個壩段的冷卻水管的進(jìn)出口都相對集中在壩體同一個廊道內(nèi)或同一高程的臨時壩后橋部位。

初期冷卻分兩期進(jìn)行。一期采用河水冷卻，一般情況下一個月后混凝土溫度可達(dá)到32℃左右，然后再改以10～12℃的制冷水進(jìn)行二期冷卻。冷卻過程中，嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)范規(guī)定的每12小時進(jìn)出水倒向的規(guī)定，流水流量按每分鐘20升進(jìn)行控制。

為保證冷卻水管暢通，除開倉前對冷卻水管通水檢查外，還在整個混凝土澆筑過程中一直保持冷卻水管通水，其原因是冷卻水管最易在混凝土第一層澆筑期間破裂，如果在振搗時發(fā)現(xiàn)有水涌出，就說明水管已破裂，并能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)破裂點(diǎn)，從而進(jìn)行修復(fù)。大壩混凝土自開工至今，冷卻水管不通的套數(shù)很少。據(jù)統(tǒng)計，整個大壩混凝土澆筑期間，冷卻水管不通率只占總量的3%左右。

四、周邊環(huán)境溫度的影響

混凝土溫度裂縫說到底是由于混凝土的內(nèi)外溫差引起的。之所以采取上述一系列溫控措施，其最終目的也是盡量減少混凝土的內(nèi)外溫差。在盡量減少混凝土內(nèi)部溫度后，如果能評估出周圍環(huán)境的溫度，我們就可以確定出混凝土的溫差到底有多大，從而可評估出混凝土裂縫產(chǎn)生的可能性，并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

周邊環(huán)境溫度是一把雙刃劍，如果環(huán)境溫度高，勢必會造成混凝土出機(jī)口溫度控制難度加大，成本增加，但相應(yīng)也減小了混凝土的內(nèi)外溫差，從而減小溫度裂縫產(chǎn)生的可能性，也可以適當(dāng)提高接縫灌漿時混凝土的溫度。

根據(jù)項(xiàng)目自2002年6月開工以來所測的水溫和氣溫資料來看，實(shí)測溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于招標(biāo)文件中說明的溫度。根據(jù)本工程技術(shù)規(guī)范要求，接縫灌漿時混凝土溫度應(yīng)不高于15℃。為此，項(xiàng)目部在征求國內(nèi)有關(guān)專家的意見后，依據(jù)實(shí)測資料向工程師提出了將接縫灌漿時混凝土溫度由15℃提高到25℃的建議。工程師在研究后，最終決定將此溫度定為不高于22～23℃。從已預(yù)埋在混凝土中的溫度計來看，溫度也一直維持在23～24℃左右。

五、結(jié)束語

截止目前，工程已基本完工，大壩蓄水已兩年，還未發(fā)現(xiàn)縫面滲水情況。我們認(rèn)為，大壩之所以未產(chǎn)生溫度裂縫，一方面得益于現(xiàn)場控制得好，另一方面說明整個決策是正確的。通過本工程的實(shí)踐，我們認(rèn)為以下幾點(diǎn)應(yīng)特別值得注意：

（一）混凝土配合比。適當(dāng)?shù)呐浜媳?，除?yīng)考慮混凝土水化熱引起的不利因素外，還應(yīng)考慮混凝土強(qiáng)度高對防裂的有利因素。

（二）周邊環(huán)境溫度。由于我們有充分的實(shí)測資料來說明周邊環(huán)境的氣溫和水溫，才使得工程師相信在混凝土出機(jī)口溫度能夠得到保證的情況下，混凝土內(nèi)外溫差并不會太大，工程師也因此才決定提高混凝土的單位水泥用量，保證了混凝土強(qiáng)度；提高接縫灌漿時混凝土溫度，不但大大縮短了混凝土的冷卻時間，節(jié)約了工期，而且也節(jié)約了冷卻水用量，節(jié)約了大量的施工成本。本工程之所以敢采取如此高的水泥用量，就是基于充分、全面地考慮了周圍環(huán)境的因素，這也是本工程之所以成功的關(guān)鍵所在。

（三）大壩混凝土3m升層在周邊環(huán)境溫度較高的情況下，在采取一定的溫控措施后也是可行的。

（四）工藝控制的好，精心管理、精心施工對混凝土防裂是大有裨益的。