水工襯砌混凝土施工期溫度裂縫綜合控制技術(shù)

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京 100038)

水工隧洞作為水利水電工程的主要建筑物之一，其建設(shè)與運(yùn)行安全直接關(guān)系到工程安全和上下游人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。與公路、鐵路、地鐵等行業(yè)相比，水工襯砌結(jié)構(gòu)大多是過(guò)水的，運(yùn)行環(huán)境更為惡劣，建設(shè)要求更高。由于承受高速水流脈動(dòng)水壓力作用，襯砌鋼筋混凝土一般與圍巖連成整體，按聯(lián)合受力設(shè)計(jì)。特高拱壩的泄洪洞過(guò)水流速高達(dá)50m/s，大泄量、高流速和高安全性要求混凝土具備高抗沖磨、高強(qiáng)度等特性。高強(qiáng)度薄壁襯砌混凝土水化熱量大、溫升高、溫降幅度和內(nèi)表溫差大而且溫降快，受到圍巖極強(qiáng)的約束，極易在施工期產(chǎn)生危害性貫穿裂縫，在高速水流脈動(dòng)壓力等作用下可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，影響結(jié)構(gòu)整體性和壽命，甚至威脅高壩樞紐和社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全。

1999年以前，水利建設(shè)者們對(duì)于地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制認(rèn)識(shí)不夠，有關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求簡(jiǎn)單，沒有明確的溫控標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐中也都沒有進(jìn)行專門溫控設(shè)計(jì)和采取專門的溫控措施，都是自然入倉(cāng)澆筑混凝土。三峽永久船閘輸水洞和地下電站引水洞早期澆筑的襯砌混凝土發(fā)生規(guī)律性貫穿裂縫，引起水電界高度重視。

在三峽、溪洛渡、向家壩等大型水利水電工程中，針對(duì)水工襯砌混凝土施工期溫度裂縫的控制，從優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)與混凝土溫控防裂性能、革新施工工藝等方面入手進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，形成了水工襯砌混凝土溫度裂縫綜合控制技術(shù)。

1 研制低熱防控裂高性能混凝土

1.1 研發(fā)使用90天齡期混凝土強(qiáng)度等級(jí)

在三峽永久船閘地下輸水工程中，考慮到隧洞工程是在建成90天齡期后運(yùn)用，經(jīng)過(guò)耐久性和安全性等方面的論證，將襯砌結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)齡期由28天調(diào)整為90天(當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定采用28天設(shè)計(jì)齡期)的措施，同等條件下能減少膠凝材料用量14.7%(見圖1)，降低混凝土溫升4～6℃。并于2000年5月邀請(qǐng)了水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范編寫組的專家對(duì)此項(xiàng)研究成果進(jìn)行充分的論證，得到一致肯定。此后在向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德等大型水電站地下工程全面推廣。

圖1 齡期28天優(yōu)化到90天膠凝材料用量變化

1.2 研發(fā)使用20%～30%的高摻粉煤灰混凝土

在三峽永久船閘地下輸水工程，研發(fā)使用了摻20%粉煤灰混凝土，當(dāng)時(shí)的《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 191—1996)沒有允許摻粉煤灰的條款。降低絕熱溫升5～7℃和混凝土內(nèi)部溫升3～5℃。溪洛渡水電站泄洪洞龍落尾段研發(fā)使用了高摻粉煤灰(30%)的C9060F150W8高強(qiáng)抗沖耐磨混凝土，此項(xiàng)成果進(jìn)一步超越《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055—2007)中20%的限制，相比原配合比方案(摻粉煤灰10%)，減少了水泥用量約90kg/m3，大大降低了水化熱量和延緩放熱速率(見圖2)，可降低最高溫升約9℃，而且混凝土180天后強(qiáng)度有所提高。

圖2 不同粉煤灰摻量下水化熱對(duì)比

1.3 研發(fā)采用高強(qiáng)度抗沖磨低熱水泥混凝土

在溪洛渡水電站泄洪洞工程中，研發(fā)低熱水泥應(yīng)用于龍落尾段硅粉高強(qiáng)C9060抗沖磨混凝土，降低混凝土絕熱溫升5.8℃，延緩放熱速率(見圖3)，降低混凝土溫升4℃，而且混凝土最高溫度出現(xiàn)時(shí)間滯后6～8h，減少50%溫度裂縫。

圖3 中熱水泥與低熱水泥水化熱和絕熱溫升對(duì)比

1.4 研制新設(shè)備

研制一體化臺(tái)車，大斷面邊墻澆筑常態(tài)混凝土。在溪洛渡水電站泄洪洞工程中，研制“垂直提升、橫向輸送、多點(diǎn)下料”的自動(dòng)升送帶式混凝土供料系統(tǒng)，見圖4，成功實(shí)現(xiàn)了大斷面高隧洞邊墻的常態(tài)混凝土機(jī)械化快速澆筑。相比泵送混凝土，常態(tài)混凝土減少水泥用量30～50kg/m3，降低混凝土最高溫升3～5℃，大大減少了溫度裂縫，節(jié)省了工程投資。

圖4 邊墻常態(tài)混凝土一體化臺(tái)車

2 革新施工工藝

2.1 澆筑預(yù)冷混凝土

通過(guò)計(jì)算，澆筑溫度增高，混凝土最小抗裂安全系數(shù)減少，見圖5，混凝土更容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此，在施工中應(yīng)盡可能適當(dāng)降低澆筑溫度。在混凝土拌和系統(tǒng)使用風(fēng)冷骨料和加冰拌和的方式生產(chǎn)預(yù)冷混凝土，出機(jī)口溫度控制在夏季不大于14℃、春秋季不大于12℃，冬季則采用不預(yù)冷的自然溫度混凝土。夏季相比非預(yù)冷混凝土可降低出機(jī)口溫度10℃以上，相應(yīng)降低混凝土最高溫升近10℃。

圖5 邊墻中部代表點(diǎn)最小抗裂安全系數(shù)與澆筑溫度關(guān)系曲線

2.2 采用通水冷卻

溪洛渡泄洪洞襯砌混凝土全部埋設(shè)冷卻水管通水降溫，水管采用PE管，平行于水流方向蛇形均勻鋪設(shè)，間距1.0m，冷卻水管單根布置長(zhǎng)度不大于150m，見圖6。夏季通水的溫度為：夏季龍落尾、出口明渠和挑坎段為人工制冷水，水溫按18～20℃控制；有壓段和無(wú)壓段通常溫水，混凝土內(nèi)部最高溫度與水溫之差不超過(guò)22℃。通水流量，初期(1～3天)按照設(shè)計(jì)建議的2.0m3/h控制；后期根據(jù)觀測(cè)成果，為了避免降溫階段的降溫速率過(guò)快導(dǎo)致溫度收縮裂縫，進(jìn)一步細(xì)化為升溫階段按33～35L/min控制，降溫階段按20～25L/min控制。通水冷卻時(shí)間為：當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度上升至高于水溫時(shí)開始通水冷卻，通水時(shí)間通常為7～15天，至少保證通水至混凝土溫度下降、內(nèi)表溫差減小為止。

圖6 通水冷卻

2.3 制定個(gè)性化的保濕養(yǎng)護(hù)措施

底板采用花管長(zhǎng)流水養(yǎng)護(hù)，邊墻白天流水養(yǎng)護(hù)、夜間間歇式保濕養(yǎng)護(hù)，氣溫大于25℃時(shí)不間斷流水養(yǎng)護(hù)，見圖7。

圖7 邊墻花管流水養(yǎng)護(hù)

2.4 掛設(shè)多重保溫門簾

通過(guò)計(jì)算可知，在洞口掛保溫簾可提高洞內(nèi)冬季氣溫2℃左右，減少混凝土內(nèi)部和表面拉應(yīng)力約0.43MPa，提高抗裂安全系數(shù)約0.2。若提前至10月高標(biāo)準(zhǔn)保溫，可提高洞內(nèi)冬季氣溫4℃以上。

3 優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)型式

3.1 縮短分縫長(zhǎng)度

分縫長(zhǎng)度越大，約束越大，抗裂安全系數(shù)減小幅度越大，越容易產(chǎn)生溫度裂縫，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量合理減小結(jié)構(gòu)分縫分塊尺寸，以在一定程度上減小溫度應(yīng)力，從而減小溫度裂縫發(fā)生的可能性。三峽永久船閘地下輸水洞襯砌，分縫長(zhǎng)度從12m縮短至8m，并綜合采用90天齡期設(shè)計(jì)和增加粉煤灰摻量至20%，后期取得無(wú)溫度裂縫的效果。此后推廣到溪洛渡等地下工程，全部采取9m長(zhǎng)度分縫。

3.2 邊頂拱分開澆筑

通過(guò)有限元模擬計(jì)算，隧洞邊墻與頂拱由整體澆筑改為分開澆筑，降低邊墻襯砌混凝土溫度應(yīng)力的效果明顯，抗裂安全系數(shù)提高。且在邊墻不同高度范圍內(nèi)的影響度有所不同，見表1，斷面高度越大，應(yīng)力降低幅度越大，抗裂安全系數(shù)提高幅度越大。

表1 不同澆筑方案邊墻典型高度中間點(diǎn)σmax和Kmin值

3.3 底板澆筑墊層和襯砌混凝土周邊噴砂漿層

在襯砌混凝土與圍巖之間噴砂漿層、底板混凝土澆筑前先澆筑墊層，降低圍巖對(duì)襯砌混凝土的約束，在基本不影響溫度場(chǎng)的情況下，有效降低混凝土溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高抗裂安全系數(shù)，對(duì)防止溫度裂縫的產(chǎn)生起到積極作用。溪洛渡泄洪洞和白鶴灘、烏東德導(dǎo)流洞底板混凝土基本無(wú)溫度裂縫。

3.4 取消過(guò)縫鋼筋

襯砌結(jié)構(gòu)段之間設(shè)置過(guò)縫鋼筋，在增加了塊體間連接和整體性的同時(shí)增加了端部約束，對(duì)有過(guò)縫鋼筋約束一側(cè)的應(yīng)力產(chǎn)生明顯影響，應(yīng)力分布梯度變大，應(yīng)力集中明顯，主拉應(yīng)力有明顯的增大，使得整體最小抗裂安全系數(shù)降低，溫度裂縫區(qū)域和風(fēng)險(xiǎn)都增大。

4 制定溫度裂縫控制精細(xì)化質(zhì)量管理體系

提出了溫度裂縫控制統(tǒng)籌管理“三階段”思想，制定了管理文件，建立了多層次管理機(jī)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)了地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制由自然澆筑、被動(dòng)控制到主動(dòng)防裂、實(shí)時(shí)控制的技術(shù)進(jìn)步。

4.1 設(shè)計(jì)階段

根據(jù)工程規(guī)模、等級(jí)、耐久性、安全性、運(yùn)行環(huán)境等，確定溫度裂縫控制目標(biāo)，提出控制標(biāo)準(zhǔn)，制定相應(yīng)技術(shù)措施；進(jìn)行新工藝、新技術(shù)調(diào)研，開展溫度裂縫控制技術(shù)專題研究、組織專家咨詢；組織專題審查，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、混凝土設(shè)計(jì)齡期、配合比、施工技術(shù)方案等。

4.2 澆筑階段

a.建立三層次管理機(jī)構(gòu)：領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)建立制度、確定技術(shù)方案；工作小組負(fù)責(zé)日常工作(制定措施、召開例會(huì))；專職人員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的方案實(shí)施、數(shù)據(jù)采集與傳遞。

b.制定專項(xiàng)管理制度：制定管理辦法，以及溫控責(zé)任牌、溫控周報(bào)、協(xié)調(diào)例會(huì)等管理制度。

c.形成全過(guò)程的工藝工法：制定了混凝土澆筑和溫控標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)，以指導(dǎo)和規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)溫度裂縫控制質(zhì)量管理。

4.3 養(yǎng)護(hù)階段

建立專項(xiàng)養(yǎng)護(hù)工作制度，將混凝土保濕養(yǎng)護(hù)和保溫工作作為獨(dú)立的工序，安排專人負(fù)責(zé)落實(shí)；根據(jù)不同施工部位，制定可操作的現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和工作流程，形成工藝細(xì)則；制定統(tǒng)一的裂縫信息記錄圖表，采集并記錄溫度裂縫的相關(guān)信息，建立相應(yīng)的臺(tái)賬。對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的裂縫，制定完善的裂縫處理技術(shù)要求和工藝，進(jìn)行裂縫的標(biāo)準(zhǔn)化處理，完善溫度裂縫處理管控目標(biāo)。

5 效果及意義

5.1 應(yīng)用效果

三峽永久船閘地下輸水洞襯砌，混凝土采用90天齡期和增加粉煤灰摻量至20%、分縫長(zhǎng)度從12m縮短至8m、采用預(yù)冷混凝土澆筑，后期取得無(wú)溫度裂縫的效果。

三峽永久船閘輸水隧洞1999年及之前澆筑的混凝土發(fā)生規(guī)律性裂縫，2000年及以后應(yīng)用本項(xiàng)目研究成果后，澆筑的襯砌混凝土施工期基本沒有發(fā)生裂縫，得到質(zhì)量檢查專家組肯定。

三峽地下電站輸水隧洞前期施工的4～6號(hào)引水隧洞溫度裂縫53條，在沖磨混凝土中采用低熱水泥，降低混凝土最高溫升約5℃，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，且提高抗沖磨性能。采用智能化通水冷卻措施，在內(nèi)部溫度達(dá)到最大值前通水冷卻。在冬季洞口掛設(shè)多重保溫門簾，可提高洞內(nèi)冬季氣溫4℃左右。采取這些措施后引水隧洞溫度裂縫僅7條，裂縫明顯減少。

溪洛渡導(dǎo)流洞工程應(yīng)用本綜合控制技術(shù)后，底板溫度裂縫由初期12條，寬0.5～1mm，每條長(zhǎng)3～8m，降至0條。邊頂拱由8條，寬0.5mm，每條長(zhǎng)3～6m，降至5條，寬0.5mm，每條長(zhǎng)2～5m。

溪洛渡泄洪洞襯砌混凝土的強(qiáng)度等級(jí)高、水泥用量大，開裂風(fēng)險(xiǎn)高。全面采用本技術(shù)后，溫度裂縫得到有效控制，有壓段、無(wú)壓段底板基本無(wú)裂縫，邊頂拱溫度裂縫明顯減少。

推廣到烏東德導(dǎo)流洞工程應(yīng)用，溫度裂縫得到有效控制，5條導(dǎo)流洞長(zhǎng)度8138.4m，襯砌混凝土143萬(wàn)m3，僅有18條溫度裂縫，缺陷和裂縫處理費(fèi)用僅為100萬(wàn)元左右。與其他類似工程相比，裂縫數(shù)量明顯較少。

5.2 意義

經(jīng)過(guò)近20年的研究和實(shí)踐，使地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從自然澆筑、被動(dòng)溫控到主動(dòng)防裂的進(jìn)步，并正在實(shí)施實(shí)時(shí)控制，使溫度裂縫明顯減少，裂縫寬度、長(zhǎng)度、深度等逐漸減小，危害性裂縫得到基本控制。本技術(shù)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，可以在國(guó)內(nèi)外水利水電以及類似工程建設(shè)中廣泛推廣應(yīng)用。