南水北調(diào)東線萬(wàn)年閘泵站混凝土溫控防裂措施解讀

蔣育頠 李慧鵬 劉宇

【摘要】大型泵站底板及流道層混凝土溫控及防裂是大型泵站施工中較為普遍和突出的技術(shù)難題。在南水北調(diào)萬(wàn)年閘泵站施工中，項(xiàng)目組結(jié)合國(guó)內(nèi)類似泵站及中型水電站廠房施工經(jīng)驗(yàn)，在采用了先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行預(yù)模擬和試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，從工程實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)泵送混凝土施工的常規(guī)溫控防裂措施加以改進(jìn)。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了良好的效果，為施工地較為偏僻的水利工程大型泵站采用常規(guī)泵送混凝土技術(shù)進(jìn)行施工做出了一定的探索。

【關(guān)鍵詞】大型泵站；泵送混凝土，溫控防裂

1、選題背景

大型泵站建設(shè)50多年來(lái)，依托江水北調(diào)、引灤入津、引黃濟(jì)青、南水北調(diào)等調(diào)水工程，國(guó)家興建了超過(guò)500座大型泵站。在水工混凝土薄壁結(jié)構(gòu)工程中，泵站因其進(jìn)出水流道及水泵井空間形體各異，結(jié)構(gòu)斷面變化較大，是結(jié)構(gòu)形式最為復(fù)雜、施工難度最大和最易出現(xiàn)裂縫的水工建筑物。特別是長(zhǎng)江以北地區(qū)，多數(shù)泵站在施工過(guò)程中會(huì)或多或少地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，長(zhǎng)期困擾工程的建設(shè)與運(yùn)行。近二十年來(lái)，隨著泵送混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用，大型泵站施工期混凝土開裂現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，以至泵送混凝土施工技術(shù)在大型泵站建設(shè)中的應(yīng)用受到專家質(zhì)疑?，F(xiàn)就采用泵送混凝土施工技術(shù)建設(shè)，經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐證實(shí)的南水北調(diào)萬(wàn)年閘泵站混凝土溫控防裂措施進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和解讀。

2、工程概況

萬(wàn)年閘泵站樞紐位于山東省韓莊運(yùn)河中段，是南水北調(diào)東線工程的第八級(jí)抽水梯級(jí)泵站。項(xiàng)目利用京杭運(yùn)河原有萬(wàn)年閘節(jié)制閘擋水，通過(guò)擴(kuò)挖韓莊運(yùn)河主槽輸水，在運(yùn)河北岸新建引水渠、提水泵站、出水渠等建筑物，將萬(wàn)年閘下游臺(tái)兒莊泵站（常態(tài)混凝土施工）來(lái)水提引到運(yùn)河節(jié)制閘上游，與韓莊泵站（泵送混凝土施工）下游水位銜接。工程規(guī)模為大（Ⅰ）型，工程等級(jí)為Ⅰ級(jí)。泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.49m，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模125m3/s，多年平均運(yùn)行小時(shí)為4227h，共安裝5臺(tái)立式軸流泵，單機(jī)流量為31.5 m3/s，總裝機(jī)容量1.4萬(wàn)kw。工程總投資2.45億元，計(jì)劃工期30個(gè)月。

3、設(shè)計(jì)與施工規(guī)劃

站址區(qū)地層依次為第四系①、③、④層黏土，②層黏土夾姜石，⑤層砂質(zhì)壤土，⑥層中粗砂夾土，以下為第三系粘土巖。泵站底板位于⑥層中粗砂夾土層上。站址區(qū)地下水位較高，泵站底板受有約15m承壓水頭?；嬖O(shè)10cm厚C10素混凝土墊層。底板共分左右兩聯(lián)， 1～3號(hào)機(jī)組段為右聯(lián)， 4～5號(hào)機(jī)組段連接檢修間底板為左聯(lián)，聯(lián)間設(shè)伸縮縫；流道層分聯(lián)與底板相同。主要設(shè)計(jì)參數(shù)見下表：

為保證結(jié)構(gòu)整體性，在流道層中部進(jìn)水流道段與下游空箱段間設(shè)4.5m寬混凝土后澆帶，在進(jìn)水池空箱式擋土墻中部設(shè)0.8m寬后澆帶，待進(jìn)水流道和下游空箱混凝土收縮完成、氣溫降至年最低溫度時(shí)，用提高防滲抗裂劑摻量的微膨脹混凝土回填。防滲抗裂劑摻量為水泥重量的10%～16%，膨脹率為0.04%。為提高材料抗裂性能，將保護(hù)層厚度降至35mm。并在混凝土中摻防滲抗裂劑。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書，可補(bǔ)償混凝土自身約4～60C的收縮變形。為保證施工合理性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求、泵站體型及施工需要，橫向按設(shè)計(jì)要求對(duì)混凝土進(jìn)行分區(qū)，縱向按體型變化進(jìn)行分層，具體縱斷面形式及混凝土分層如圖1所示。

4、配合比設(shè)計(jì)

4.1 原材料

膠凝材料的選擇主要考慮了廠商實(shí)力及產(chǎn)品品質(zhì)，水泥選用棗莊榴園水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用濟(jì)寧鄒城電廠生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰（球形灰）；砂選用臨沂產(chǎn)沂河河砂，為山東境內(nèi)最優(yōu)質(zhì)的河砂之一， 碎石采用當(dāng)?shù)貜埳阶邮?。混凝土防滲抗裂劑、減水引氣劑、聚丙烯網(wǎng)狀纖維（PPMF）采用山東水務(wù)混凝土外加劑廠產(chǎn)品，拌合用水采用站區(qū)地下深井水。

4.2 配合比設(shè)計(jì)

鑒于泵送混凝土施工技術(shù)在大型泵站施工中已有成功案例，經(jīng)綜合考慮建筑體型、施工工藝、施工時(shí)段及材料等因素，確定采用泵送混凝土進(jìn)行施工，為進(jìn)一步提高混凝土表面抗裂能力，在流道層及以上重點(diǎn)部位摻入0.9kg/m3的聚丙烯網(wǎng)狀纖維。設(shè)計(jì)配比如下：

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配試驗(yàn)論證，在確?；炷梁鸵仔缘幕A(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)拌合用水量進(jìn)行了調(diào)減，確定在蓄水池標(biāo)準(zhǔn)水位±500mm的儲(chǔ)水范圍內(nèi)，將拌合站注水時(shí)間固定為12s。施工時(shí)，實(shí)測(cè)出機(jī)口及倉(cāng)面坍落度均值為120mm（±20mm），含氣量大于5%；施工時(shí)段，原材料分別通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及委托檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合水利及電力行業(yè)規(guī)范要求。施工期主要材料實(shí)測(cè)參數(shù)見下表：

5、混凝土施工

5.1 施工時(shí)段

泵站底板施工時(shí)段為氣溫較高的6月下旬至8月下旬，流道層施工時(shí)段為氣溫相對(duì)較低的10月下旬至12月下旬，期間按規(guī)劃合理地完成了進(jìn)水池?fù)跬翂颓俺厥Ｓ鄵跬翂Φ氖┕と蝿?wù)，有效地使流道層混凝土避開高溫施工時(shí)段；并在各部位施工中較好地實(shí)施了溫控防裂措施， 未出現(xiàn)裂縫；

5.2施工措施

混凝土拌合系統(tǒng)主要由攪拌系統(tǒng)（2座強(qiáng)制式攪拌機(jī)JS-1000/750，容量分別為1m3/0.7m3）、配料系統(tǒng)（PLD-1000電子配料機(jī)及螺旋輸送機(jī)）、供水系統(tǒng)（20m水井、深井泵、蓄水池及拌合系統(tǒng)水泵）、儲(chǔ)料系統(tǒng)（1000m3*3料倉(cāng)及2臺(tái)120t整體罐）及混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)（2臺(tái)HBT-60拖式泵）五部分組成?；炷涟柚茣r(shí)骨料和膠凝材料分別由裝載機(jī)和螺旋輸送機(jī)上料至配料系統(tǒng)。外加劑因計(jì)量精度較高，采用人工單獨(dú)定量添加。摻聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土拌合時(shí)，先將骨料和聚丙烯網(wǎng)狀纖維干拌2min，再投入膠凝材料、外加劑和水拌合90s，出料經(jīng)檢測(cè)合格后，泵送入倉(cāng)。

底板采用臺(tái)階法澆筑，流道層采用通倉(cāng)薄層法澆筑，層厚按0.4m進(jìn)行控制。施工時(shí)，人工引接泵管分層鋪料、平倉(cāng)、振搗。流道弧線切面區(qū)采用對(duì)拉鋼絞線做引漿處理，收倉(cāng)采用抹二、壓三的收面方式。收面檢查合格后對(duì)混凝土外露面進(jìn)行覆蓋保護(hù)，覆蓋材料結(jié)構(gòu)為：塑料薄膜、厚氈布一至二層；澆筑完成后，待混凝土內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度超過(guò)2000C時(shí)開始通水降溫（地下深井水，水溫約140C）。在混凝土降溫階段嚴(yán)控降溫速度。

5.3 溫控防裂措施

1）原材料溫控：拌合用水采用常年溫度穩(wěn)定在140C左右的深層地下水，取水深度15m。施工時(shí)對(duì)儲(chǔ)水池按標(biāo)準(zhǔn)水位做好計(jì)量，隨抽隨用，盡可能減少水溫回升。高溫季節(jié)拌合用水在進(jìn)入攪拌罐時(shí)水溫可控制在20～210C。骨料采用高堆深取法儲(chǔ)存和使用，最大堆高8m；料倉(cāng)上設(shè)塑料遮陽(yáng)篷。高溫施工時(shí)段，根據(jù)試驗(yàn)室要求對(duì)骨料采取噴淋地下水的方式進(jìn)行降溫。水泥采用出爐一個(gè)月以上，溫度趨于穩(wěn)定的散裝水泥，且流道混凝土使用的膠凝材料為一次備足的整倉(cāng)用量，避免了連續(xù)供料導(dǎo)致的水泥穩(wěn)定性降低；

2）拌合及運(yùn)輸溫控：拌合站采用搭設(shè)塑料遮陽(yáng)棚，泵管外包厚氈布的方法進(jìn)行保溫，并在高溫時(shí)段定時(shí)灑水降溫。經(jīng)實(shí)測(cè)，混凝土泵送溫升可控制在0.5-10C之間。

3）倉(cāng)面溫控：根據(jù)天氣預(yù)報(bào)及時(shí)調(diào)整澆筑時(shí)段。澆筑時(shí)，通倉(cāng)搭設(shè)遮陽(yáng)棚。經(jīng)實(shí)測(cè)，高溫時(shí)段可降低倉(cāng)內(nèi)氣溫20C～2.50C。澆筑開倉(cāng)選擇在氣溫較低時(shí)段（TMAX≤320C）。

4）混凝土澆筑防裂措施：嚴(yán)格控制澆筑速度與澆筑質(zhì)量，預(yù)先布置好混凝土卸料點(diǎn)和卸料次序，確?；炷翝仓挠行蛐浴⑦B續(xù)性和內(nèi)部質(zhì)量均一。施工時(shí)混凝土連續(xù)入倉(cāng)，確保層間覆蓋時(shí)間小于2h，振搗密實(shí)、層間結(jié)合良好，防止混凝土內(nèi)部出現(xiàn)薄弱面或初始裂縫；

5） 混凝土分倉(cāng)防裂措施：嚴(yán)控各倉(cāng)組織籌備時(shí)間，確?；炷翆娱g間隔時(shí)間控制在7～10d，盡可能縮短層間間歇時(shí)間，保證混凝土工程的連續(xù)施工，以減少層間變形約束。

6）溫度監(jiān)控：埋設(shè)溫度感應(yīng)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控混凝土內(nèi)外各區(qū)域溫度及溫差；

6、混凝土養(yǎng)護(hù)

6.1 倉(cāng)面防護(hù)措施：由于混凝土一般在澆筑后20～64h內(nèi)部溫升達(dá)到峰值，而終凝后由于齡期短，抗裂性能差，極易因溫差和干縮產(chǎn)生表面裂縫。因此，在收倉(cāng)后，采用濕氈布、塑料膜、厚氈布各一層的順序依次對(duì)外露面進(jìn)行覆蓋保護(hù)，以達(dá)到保濕和快速提高混凝土表面溫度，減小內(nèi)外溫差的效果，從收倉(cāng)環(huán)節(jié)開始避免混凝土表面干縮裂縫的出現(xiàn)；

6.2 拆模及養(yǎng)護(hù)措施：由于混凝土立面及弧面養(yǎng)護(hù)難度較大，現(xiàn)場(chǎng)采取延遲拆模保水和覆蓋灑水相結(jié)合的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。拆模時(shí)間平立面為3d，流道曲面為不少于14d?？紤]到模板拆除后，混凝土表層水分快速蒸發(fā)，局部易出現(xiàn)因干縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力相疊加而導(dǎo)致拆模瞬間形成表面微裂。因此，拆模一般選擇在氣溫較高的下午進(jìn)行。拆模選用逐層剝離法，即首先拆除模板外保溫材料，1-2天后，拆除對(duì)拉螺桿和外部支撐，使模板與混凝土墻面分離，開始養(yǎng)護(hù)。再間隔1-2天，將模板全部拆除，充分覆蓋及養(yǎng)護(hù)；混凝土立面采用頂部設(shè)塑膠灑水管（灑水孔間距20cm）向覆蓋物持續(xù)均勻補(bǔ)水；

6.3 通水降溫措施：進(jìn)水流道預(yù)設(shè)間排距1m×1m的φ50mm鋼制冷卻水管，循環(huán)水溫為170C～190C?；炷翝仓r(shí)，當(dāng)混凝土溫度超過(guò)冷卻水溫時(shí)開始通水冷卻。經(jīng)左聯(lián)底板首倉(cāng)澆筑實(shí)踐論證，剩余部位未繼續(xù)使用循環(huán)水進(jìn)行混凝土內(nèi)部降溫；

6.4 防風(fēng)措施：混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)完成后，在流道口設(shè)防風(fēng)簾，以減少流道內(nèi)空氣流動(dòng)和溫度變化；

7、溫度與應(yīng)力觀測(cè)

沿泵組進(jìn)水流道下游側(cè)軸線預(yù)埋溫度探頭3個(gè)，兩側(cè)預(yù)埋溫度探頭15個(gè)。在有代表性的進(jìn)水流道弧面切線中點(diǎn)處、弧面中部，流道接空箱處預(yù)埋應(yīng)變計(jì)。經(jīng)過(guò)對(duì)高溫季節(jié)澆筑的首倉(cāng)泵站底板混凝土的溫度觀測(cè)結(jié)果可知，混凝土最高入倉(cāng)溫度27.50C，最高澆筑溫度28.00C，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)部最高溫度達(dá)62.90C，內(nèi)外最大溫差220C。均接近或略高于河海大學(xué)針對(duì)該“底板澆筑溫控有限元數(shù)值仿真計(jì)算分析”的建議值或預(yù)測(cè)控制值上線。

8、結(jié)語(yǔ)

8.1 大型泵站一般位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，能夠在原材料及施工質(zhì)量符合電力行業(yè)施工規(guī)范要求的前提下，僅采取常規(guī)防護(hù)措施，應(yīng)用泵送混凝土施工工藝進(jìn)行快速施工；

8.2 本工程流道施工中沒有采用預(yù)埋冷卻水管進(jìn)行通水降溫，也沒有設(shè)置制冷設(shè)備進(jìn)行預(yù)冷混凝土的制備，而是通過(guò)精細(xì)化管理采用常規(guī)溫控措施進(jìn)行施工控制。在滿足施工質(zhì)量要求的前提下，有效地降低了施工成本。

8.3 鑒于大型泵站是近年來(lái)引調(diào)水工程建設(shè)項(xiàng)目中的關(guān)鍵性工程，同時(shí)考慮到各類泵站混凝土工程在結(jié)構(gòu)體型、施工條件及生產(chǎn)環(huán)境等方面的相似性。我們認(rèn)為對(duì)南水北調(diào)大型泵站在常規(guī)施工條件下的施工技術(shù)，特別是高溫條件下的施工控制方法及參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析很有必要，對(duì)將要興建的各類引調(diào)水泵站工程具有現(xiàn)實(shí)的對(duì)比分析和借鑒指導(dǎo)意義；

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