江尖水利樞紐節(jié)制閘底板取消后澆帶整體澆筑施工技術(shù)

朱炳喜，許旭東，許志敏，陸明志

(江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州225002)

1 工程概況

無(wú)錫城市防洪江尖水利樞紐工程由3孔節(jié)制閘和60m3/s的排澇泵站組成，其主要功能是防洪、排澇和改善無(wú)錫城市水環(huán)境，節(jié)制閘在平水時(shí)可通航。

節(jié)制閘由閘室、內(nèi)外河翼墻、內(nèi)外河消力池、海漫及防沖槽等組成。順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)128.0m，采用鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，閘門(mén)采用3孔凈寬25m的平面臥倒門(mén)。

節(jié)制閘底板基礎(chǔ)采用0.45m×0.45m×16m鋼筋混凝土方樁加固，上游側(cè)設(shè)置深10m、厚0.3m鋼筋混凝土防滲墻。底板共3塊，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)度為27.0m，垂直水流方向?qū)挾确謩e為36.0m、30.4m和36.0m，厚度2.5m，底板中部設(shè)頂寬4.0m、高2m的梯形門(mén)檻，內(nèi)設(shè)1.8m×2.0m的巡視廊道，門(mén)檻處底板加厚至4.5m。底板頂高程-2.00m，門(mén)檻頂高程▽0.00m。左岸邊墩和與泵站之間的縫墩為空箱式結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置樓梯與地面、泵站和廊道連通。每塊底板混凝土接近2800m3，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗?jié)B等級(jí)W6。

節(jié)制閘底板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，廊道拱頂有裂縫控制要求，為防止閘底板施工期產(chǎn)生溫度裂縫，原設(shè)計(jì)采用寬縫技術(shù)，即每塊底板順?biāo)鞣较蛟O(shè)2道寬度為1.5m的后澆帶，45d之后用C30微膨脹混凝土澆筑填實(shí)。后澆帶是解決大體積混凝土溫度裂縫傳統(tǒng)有效的方案［1］，但后澆帶存在以下問(wèn)題:后澆帶內(nèi)模板要單獨(dú)設(shè)置，施工材料與施工人員投入多，增加后澆帶內(nèi)模板安裝與拆除、混凝土鑿毛、清理等工序，增加施工經(jīng)費(fèi)，影響施工工期50d;設(shè)置后澆帶后將底板分成3塊，形成4道新老混凝土結(jié)合界面，如果后澆帶混凝土發(fā)生收縮，影響新老混凝土結(jié)合強(qiáng)度，后期可能形成界面裂縫，成為防水的薄弱點(diǎn)，可能削弱底板整體性、抗震性;影響底板上的門(mén)底檻埋件安裝;后澆帶填充封閉時(shí)間不宜過(guò)短，以能將總降溫及完成一半以上收縮變形的時(shí)間為宜，從混凝土的收縮量推算需3～6個(gè)月方能取得明顯效果，最短也不應(yīng)少于45d，因此采用后澆帶施工技術(shù)施工復(fù)雜、工期較長(zhǎng)［2］。

由于后澆帶給底板施工進(jìn)度和質(zhì)量控制帶來(lái)不利影響，因此開(kāi)展底板取消后澆帶混凝土溫度裂縫控制研究。

2 底板混凝土溫度應(yīng)力仿真計(jì)算

2.1 基本資料

底板取消后澆帶一次澆筑完成，計(jì)劃2005年4月中旬澆筑節(jié)制閘中跨底板，5月21日澆筑節(jié)制閘中跨閘墩，5月中旬施加泵站邊荷載(泵站流道層邊荷載，不考慮泵站底板邊荷載)，6月上旬施加節(jié)制閘邊跨邊荷載和泵站邊荷載(泵站空箱層荷載)。

混凝土澆筑平均氣溫，4月中旬為15℃，4月下旬為17.4℃，4月最低溫度為5℃;5月中旬為20.5℃，5月下旬、6月上旬為21.8℃。

混凝土中32.5級(jí)水泥用量335kg/m3，水泥3d水化熱為250kJ/kg，28d水化熱334 kJ/kg。

C25混凝土 15d、28d、1年抗壓強(qiáng)度分別取25.0MPa、28.0MPa 和 35.0MPa，拉壓強(qiáng)度比取 0.08。C25混凝土彈性模量取3×104MPa，考慮到封底混凝土和方樁的影響，地基對(duì)底板約束系數(shù)取0.1MPa/mm。

泵站邊荷載:施工至▽2.0m不計(jì)樁作用時(shí)基底應(yīng)力為123.5kPa，考慮樁作用時(shí)單樁頂垂直荷載為497.80kN;泵站完建時(shí)不計(jì)樁作用時(shí)基底應(yīng)力為167.81kPa，考慮樁作用時(shí)單樁頂垂直荷載為676.4kN。

節(jié)制閘荷載:節(jié)制閘邊孔5.5m寬箱形閘墩自重13841.38kN，2.5m寬箱形閘墩自重10260kN。節(jié)制閘中孔1.2m寬閘墩自重9585kN。完建期不計(jì)樁作用時(shí)基底應(yīng)力92.5kPa，考慮樁作用時(shí)單樁頂垂直荷載為486.5kN。

回填土邊荷載:節(jié)制閘左岸邊墩墻后土方分別回填至▽3.5m、▽5.0m時(shí)，▽-2.0m處應(yīng)力分別為102 kPa、130kPa。

2.2 混凝土溫度應(yīng)力估算

2.2.1 葉琳昌混凝土溫度收縮應(yīng)力公式預(yù)測(cè)計(jì)算按照葉琳昌教授推薦的混凝土溫度應(yīng)力公式［3］計(jì)算混凝土抗裂安全系數(shù)，第3d～28d抗裂安全系數(shù)為1.03～1.18，如第15d混凝土總降溫差為52.18℃，溫度應(yīng)力為1.96MPa，抗裂安全系數(shù)為1.05。而1年期混凝土總降溫差為45.95℃，溫度應(yīng)力為1.93MPa，抗裂安全系數(shù)為1.45。

2.2.2 王鐵夢(mèng)混凝土溫度收縮應(yīng)力公式預(yù)測(cè)計(jì)算按照王鐵夢(mèng)教授推薦的混凝土溫度應(yīng)力公式［1］計(jì)算混凝土溫度應(yīng)力和抗裂安全系數(shù)，第3d～28d抗裂安全系數(shù)為 1.05～1.35，如第 28d溫度應(yīng)力為 1.66MPa，抗裂安全系數(shù)為1.35。

2.2.3 有限元法計(jì)算底板表面溫度應(yīng)力［4、5］根據(jù)葉琳昌和王鐵夢(mèng)推薦的溫度應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算的混凝土早期抗裂安全系數(shù)有小于1.15的，為提高混凝土抗裂安全系數(shù)，將水泥用量調(diào)整為300kg/m3。

以節(jié)制閘中孔底板為例，有限元法計(jì)算底板表面溫度應(yīng)力，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 江尖節(jié)制閘中孔底板表面溫度應(yīng)力有限元法計(jì)算結(jié)果

2.2.4 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)論與施工方案優(yōu)化

(1)結(jié)論 ①混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算均是假設(shè)混凝土處于良好的養(yǎng)護(hù)階段，如果施工條件發(fā)生變化，底板在早期仍有可能產(chǎn)生裂縫。②采用葉琳昌與王鐵夢(mèng)溫度應(yīng)力公式預(yù)測(cè)底板混凝土溫度應(yīng)力，混凝土抗裂安全系數(shù)均大于1，認(rèn)為可以取消后澆帶，但混凝土早期抗裂安全系數(shù)小于1.15，需進(jìn)一步采取措施提高混凝土早期抗裂安全系數(shù)。③有限元法計(jì)算結(jié)果廊道頂板有應(yīng)力集中現(xiàn)象，在邊跨完建時(shí)，底板中心斷面最大拉應(yīng)力達(dá)到3.20MPa，有可能大于C25混凝土抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。④按照擬訂的施工方案，即先澆筑泵站底板，再澆筑節(jié)制閘中孔底板，泵站荷載對(duì)節(jié)制閘中孔底板應(yīng)力增加0.07～0.49MPa，影響不顯著。因此，擬訂的施工方案是合理可行的。

(2)施工方案優(yōu)化 通過(guò)上述溫度應(yīng)力仿真計(jì)算，底板采取一次整體澆筑方案，對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化與完善:

①優(yōu)化配合比，降低水泥用量，控制混凝土入倉(cāng)溫度，提高質(zhì)量均勻性。②原后澆帶改為C30微膨脹混凝土加強(qiáng)帶，混凝土中摻入膨脹劑和聚丙烯纖維。同時(shí)，為提高廊道拱頂混凝土抗裂能力，混凝土中摻入聚丙烯抗裂纖維。③閘底板底層和面層鋼筋順?biāo)飨驗(yàn)棣?5@100mm，垂直水流向?yàn)棣?8@100mm，廊道拱頂再增加溫度筋，順?biāo)飨驗(yàn)棣?0@200mm，垂直水流向?yàn)棣?5@150mm。④底板表面系數(shù)大，混凝土抹面后即覆蓋塑料薄膜和土工布等保溫保濕養(yǎng)護(hù)，降低綜合溫差，并采取措施防止產(chǎn)生塑性收縮裂縫。⑤廊道拱頂控制澆筑速度防止產(chǎn)生沉降收縮裂縫，廊道兩端封閉防止穿堂風(fēng)使廊道內(nèi)混凝土表面水分過(guò)早蒸發(fā)引起混凝土收縮裂縫。⑥施工階段加強(qiáng)溫度觀測(cè)，控制混凝土中心與表面之間溫度差不大于25℃，如實(shí)測(cè)值超過(guò)限值，及時(shí)采取加厚保溫層、延長(zhǎng)保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間等措施。

3 底板施工

3.1 原材料

水泥為普通32.5級(jí)水泥;黃砂為長(zhǎng)江中砂;石子為5mm～31.5mm碎石;外加劑為高性能緩凝泵送劑;粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰。

3.2 混凝土配合比

混凝土配合比見(jiàn)表2，加強(qiáng)帶混凝土14d膨脹率為3.6×10-4。

表2 底板混凝土配合比表

3.3 混凝土澆筑

底板混凝土澆筑期間外界最高氣溫20.0℃左右，要求商品混凝土公司骨料預(yù)先儲(chǔ)存在砂石棚內(nèi)，用地下水拌制混凝土，泵送罐車(chē)設(shè)置防曬措施，控制混凝土入倉(cāng)溫度不大于20℃。

底板最大澆筑倉(cāng)面面積為972m2，采用水平分層澆筑方法，從廊道部位向上下游推進(jìn)，澆到▽-2.0m時(shí)，再澆廊道拱頂混凝土，每層厚度25cm、混凝土243m3，距底板頂面50cm采用斜層澆筑，插入式振搗器振搗，再用平板振動(dòng)器復(fù)振，混凝土表面三搓兩抹成活。廊道拱頂門(mén)檻因高出底板面，在澆筑至▽-2.0m時(shí)，靜停1～2h再向上分層澆筑，并放慢澆筑速度，初凝前給予二次振搗，防止混凝土沉降收縮。

混凝土澆筑過(guò)程中膨脹加強(qiáng)帶與底板其他部位同步澆筑，澆筑順序?yàn)橄葷仓颗鲗拥腃30膨脹加強(qiáng)帶混凝土，再澆筑C25混凝土。加強(qiáng)帶兩側(cè)分別架設(shè)鋼絲網(wǎng)，加強(qiáng)帶混凝土面高出兩側(cè)的C25混凝土面，以保證C25混凝土不流入加強(qiáng)帶內(nèi)。

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后覆蓋一層塑料薄膜和一層土工布、二層草包，每天定期灑水3次以上，蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)，底板側(cè)面掛土工布澆水養(yǎng)護(hù)，混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間14d以上。廊道兩端用模板封閉。

3.5 溫度監(jiān)測(cè)

在每塊底板上設(shè)置10個(gè)溫度監(jiān)控點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)沿垂直方向布置4只CU50熱電偶，觀測(cè)不同位置的溫度變化。

混凝土澆筑完成后，第1～6d每4h觀測(cè)1次，第7～14d每天觀測(cè)2次，14d以后每天觀測(cè)1次，歷時(shí)一個(gè)月。從溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果看，混凝土澆筑后第3～4d出現(xiàn)溫升高峰值，混凝土內(nèi)部最高溫升為56.8℃。觀測(cè)期內(nèi)2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)曾出現(xiàn)內(nèi)外溫差20～24℃，采取增加保溫覆蓋措施后，內(nèi)外溫差不再增加，滿足規(guī)范不超過(guò)25℃的要求。其他監(jiān)控點(diǎn)溫差均不大于20℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

江尖水利樞紐節(jié)制閘底板根據(jù)溫控計(jì)算結(jié)果調(diào)整澆筑方案，將原后澆帶改為膨脹加強(qiáng)帶，通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比、廊道拱頂增設(shè)抗裂溫度鋼筋、加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)、做好溫度監(jiān)測(cè)等措施，取得了良好效果?；炷烈淮螡仓瓿桑装逦串a(chǎn)生溫度裂縫，確保了結(jié)構(gòu)安全，也縮短了施工工期。

［1］ 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

［2］ 薛剛，雷順祥等.中京藝苑工程大體積混凝土取消后澆帶裂縫控制技術(shù)的研究與應(yīng)用［M］.混凝土裂縫控制技術(shù)論文集，北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社。

［3］ 葉琳昌，沈義.大體積混凝土施工［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社。

［4］ 童烈祥.江尖水利樞紐底板混凝土溫度裂縫控制技術(shù)［D］.揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué)工程碩士學(xué)位論文，2009.

［5］ 無(wú)錫城市防洪工程江尖水利樞紐底板溫度應(yīng)力計(jì)算報(bào)告［R］.南京:河海大學(xué)，2009.