張涇河泵閘大體積混凝土精細(xì)化溫控研究

鄧 群，王雪豐，程 井

（1.上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海市 200080；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國(guó)每年有大量新建水利工程，其中泵閘工程是東部平原地區(qū)最為常見(jiàn)的水利工程，其數(shù)量眾多，在防汛除澇，水資源調(diào)度及水生態(tài)環(huán)境改善方面具有重要作用。泵閘結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閘墩等薄壁結(jié)構(gòu)與大體積混凝土結(jié)構(gòu)并存，若不采取合理有效的溫控措施，將很容易出現(xiàn)早期溫度裂縫[1-3]。泵閘結(jié)構(gòu)中與水接觸部位的裂縫會(huì)使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，大幅降低其抗?jié)B性及耐久性；鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫將使混凝土對(duì)鋼筋保護(hù)作用減弱，鋼筋受到腐蝕后會(huì)降低結(jié)構(gòu)整體抗拉性能，進(jìn)一步加劇裂縫擴(kuò)張，形成更大危害[4]。輕則影響建筑物的外觀、導(dǎo)致局部輕微漏水，重則可能形成貫穿裂縫嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，工程無(wú)法長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要對(duì)泵閘結(jié)構(gòu)施工期溫控措施進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，以減少裂縫問(wèn)題的發(fā)生。本文以上海張涇河泵閘工程為例，對(duì)工程施工期溫控措施及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)類(lèi)似工程的溫控工作提供參考。

1 工程概況

1.1 樞紐布置

張涇河泵閘工程位于金山區(qū)金山新城，工程等別為I等。工程內(nèi)容主要包括：（1）一條連通金山衛(wèi)城河及張涇河出海閘的河道，河口寬度為40~50m，總長(zhǎng)為2.15km；（2）泵閘主體工程，1級(jí)水工建筑物；（3）配合工程實(shí)施新建臨桂路橋等6座橋梁，翻建長(zhǎng)約1.34km的衛(wèi)二路及排水工程。泵閘主體結(jié)構(gòu)平面布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 張涇河泵閘主體結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

泵閘主體采用“泵+閘”方案，泵站及水閘各集中布置在一側(cè)，水閘靠近大堤側(cè)。泵站設(shè)3臺(tái)泵，單泵流量30m3/s；閘采用3孔，單孔凈寬10m。泵房和閘室的橫斷面分別見(jiàn)圖2和圖3，混凝土等級(jí)為C30。站身閘首總寬65.02m。泵閘縱向總長(zhǎng)約656m，從內(nèi)河側(cè)到外河側(cè)各部位結(jié)構(gòu)分別為：內(nèi)河海漫段、前池及進(jìn)水池、站身閘首段、外河出水池及消力池、外河海漫段、外河防沖槽、外河導(dǎo)堤及外河連接段。

圖2 泵房橫斷面圖

圖3 閘室橫斷面圖

1.2 地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)材料

1.2.1 地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地屬于湖沼平原（I－2）地貌類(lèi)型。工程區(qū)地基土均屬第四紀(jì)沉積物，主要由填土、粘性土、粉性土及砂性土組成，成因類(lèi)型主要為濱海～淺海相、濱?！涌谙嗟取?/p>

1.2.2 原材料及配合比

本工程選用低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，并在滿足強(qiáng)度的前提下，減少水泥用量，以減少混凝土水化熱。細(xì)骨料選用中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.6~3.2，含泥量不應(yīng)大于3%；粗骨料選用粒徑5～31.5mm，連續(xù)級(jí)配，含泥量不應(yīng)大于3%，非堿性骨料。

根據(jù)各部位混凝土性能要求，進(jìn)行混凝土和砂漿配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在滿足強(qiáng)度及防裂抗?jié)B條件的前提下，減少水泥用量，確定最優(yōu)配合比。泵閘主體工程采用的混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 泵閘主體工程配合比表 單位:kg/m3

2 溫控標(biāo)準(zhǔn)及精細(xì)化溫控措施

2.1 大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)

泵閘結(jié)構(gòu)大體積混凝土與薄壁結(jié)構(gòu)并存，如張涇河泵站底板一次性混凝土澆筑方案達(dá)2883m3，需要符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)GB 50496—2018》等有關(guān)規(guī)定[5-6]，其溫控指標(biāo)應(yīng)滿足下列條件：（1）混凝土在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不應(yīng)大于50℃；（2）混凝土里表溫差不應(yīng)大于25℃；（3）前7d齡期內(nèi)單日混凝土澆筑體的降溫速率不大于3.0℃/d；7~14d齡期混凝土澆筑體的降溫速率不大于2.0℃/d；（4）混凝土內(nèi)外溫差不應(yīng)大于25℃，拆除保溫覆蓋時(shí)混凝土澆筑體表面與當(dāng)?shù)貧鉁販夭畈粦?yīng)超過(guò)20℃。

2.2 通水冷卻措施

對(duì)于底板、墩墻及進(jìn)出水流道等泵閘工程中的關(guān)鍵部位，為減少其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，采用通水冷卻的方式控制混凝土的內(nèi)部溫度。

以泵閘底板為例，說(shuō)明冷卻水管的布置情況。泵站底板厚度為1.9m，底板轉(zhuǎn)折處厚度為5m，水閘底板厚度為1.8m，受厚度限制，除泵站底板轉(zhuǎn)折處布置有雙層水管，其余位置均按單層多回路布置。水管采用HDPE管，其內(nèi)徑為32mm，外徑為40mm。水管豎直方向居中布置，水平間距均為1.0~1.2m。泵站及水閘底板的冷卻水管布置見(jiàn)圖4。

圖4 冷卻水管布置圖（單位：mm）

2.3 泵閘大體積混凝土精細(xì)化溫控要求

大體積混凝土散熱慢、溫升高，且容易發(fā)生早期表面裂縫及后期內(nèi)部開(kāi)裂。對(duì)于平原軟基上的泵閘工程，還存在水化熱速率快、結(jié)構(gòu)體形復(fù)雜、施工工期短、結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同部位間相互約束大等特點(diǎn)，因此，與常規(guī)大壩混凝土有本質(zhì)的區(qū)別?；趶垱芎庸こ蹋_(kāi)展了平原地區(qū)泵閘工程的精細(xì)化溫控研究，對(duì)通水冷卻、拆模保溫及溫控監(jiān)測(cè)進(jìn)行了探討和總結(jié)。

2.3.1 通水冷卻及保溫要求

（1）水池及冷卻水源。冷卻水管建議配置專(zhuān)門(mén)的水池，水池容量依據(jù)大體積混凝土最大澆筑強(qiáng)度確定，水池示意見(jiàn)圖5。對(duì)于大型泵閘工程，容積應(yīng)不小于40m3并覆蓋遮陽(yáng)篷以避免陽(yáng)光直射；水池水源可取自附近河水或自來(lái)水，若選用河水則水溫應(yīng)不高于25℃且水質(zhì)清澈不致堵塞管道。通水途中確保水源供應(yīng)，盡量不使用循環(huán)水，避免中途斷水。

圖5 冷卻水池示意圖

（2）冷卻水管布置。冷卻水管布設(shè)方案應(yīng)依據(jù)溫控計(jì)算分析確定；水管應(yīng)均勻分布于混凝土結(jié)構(gòu)中，底部冷卻水管可適當(dāng)加密。水管現(xiàn)場(chǎng)布置完成后，應(yīng)由監(jiān)理單位對(duì)水管材料(鋼管、塑料管)、冷卻水管布置形式(布置層數(shù)、綁扎情況)、水管的豎直與水平間距等內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)收，并對(duì)布置不當(dāng)?shù)膯?wèn)題進(jìn)行調(diào)整。水閘底板冷卻水管布置實(shí)物見(jiàn)圖6。

圖6 水閘底板冷卻水管布置圖

（3）預(yù)通水試驗(yàn)。冷卻水管布設(shè)完成后，應(yīng)在混凝土澆筑前1d進(jìn)行預(yù)通水試驗(yàn)，檢查水管接口部位的漏水情況并處理。通水流量可通過(guò)仿真分析確定，一般在3~6m3/h。若水管材質(zhì)為塑料管，在混凝土澆筑前管道內(nèi)可預(yù)先注滿冷卻水，使管道內(nèi)部具有一定壓力，避免水管遭受外力擠壓從而降低過(guò)水能力，影響通水冷卻效果。

（4）通水冷卻。通水時(shí)間一般為10~14d，當(dāng)后期混凝土內(nèi)部平均溫度與大氣溫度相差在10℃以內(nèi)，可考慮停止通水。

（5）加冰拌和。高溫季節(jié)進(jìn)水溫應(yīng)保持在20~24℃。若水源水溫較高，為保證通水冷卻效果，宜采取加冰措施以降低進(jìn)水溫。加冰拌和實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖7 冰塊投放實(shí)物圖

（6）在夏季或氣溫較高環(huán)境下澆筑混凝土，選擇夜晚或清晨澆筑以降低澆筑溫度。

（7）待澆筑完成且倉(cāng)面混凝土具有一定強(qiáng)度后，立即鋪設(shè)薄膜及覆蓋土工布，進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，表面保溫情況見(jiàn)圖8。拆模工作應(yīng)選在白天氣溫較高時(shí)段進(jìn)行，側(cè)模拆除后，應(yīng)依據(jù)內(nèi)外溫差情況考慮是否需及時(shí)覆蓋保溫板。

圖8 水閘底板保溫情況

2.4 通水冷卻溫控監(jiān)測(cè)

為全面反映混凝土的最高溫度、降溫速率、里表溫差及表面與大氣溫差等指標(biāo)，在各澆筑部位預(yù)埋溫度傳感器。根據(jù)各澆筑部位的特點(diǎn)，選取能夠反映混凝土情況的典型測(cè)區(qū)，并截取相應(yīng)長(zhǎng)度的鋼筋，根據(jù)設(shè)計(jì)的測(cè)溫布置圖將溫度傳感器固定于鋼筋。將測(cè)溫鋼筋埋入木模板居中位置，待混凝土開(kāi)始澆筑后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度。另外布置溫度傳感器監(jiān)測(cè)進(jìn)、出水溫及氣溫，并為每組水管安裝電磁流量計(jì)以監(jiān)測(cè)流量。將以上數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器供后續(xù)研究分析。當(dāng)混凝土溫度指標(biāo)超出合理范圍時(shí)，將自動(dòng)報(bào)警，以便現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)調(diào)整溫控措施。以張涇河為例，水閘底板的測(cè)溫布置見(jiàn)圖9。

圖9 水閘底板測(cè)溫布置圖（單位：m）

3 張涇河溫控成果及反饋

3.1 泵閘主體工程澆筑及溫控情況

張涇河泵閘主體工程各部位采取的溫控措施及澆筑溫度等特征溫度匯總見(jiàn)表2?；緶乜卮胧橥ê铀鋮s，本站底板采用外徑48mm鋼管，其他部分采用外徑40mmHDPE管；對(duì)于高溫季節(jié)澆筑的泵站進(jìn)水流道、水閘底板、泵站出水流道下部，對(duì)入池河水進(jìn)行加冰，冰塊尺寸為長(zhǎng)寬高：0.7m×0.2m×0.4m，單塊冰塊體積為0.056m3。每次投放量為40~50塊，水溫降至24℃以下時(shí)停止投放冰塊。表3為水閘底板澆筑時(shí)冰塊投放的詳細(xì)記錄。圖10為加冰拌和期間水池進(jìn)水溫的變化過(guò)程線。

圖10 水閘底板冷卻水加冰拌和期間水溫變化過(guò)程線

表2 泵閘主體工程各部位溫控統(tǒng)計(jì)表

表3 冰塊投放量

由上述圖表可知：（1）澆筑時(shí)間對(duì)混凝土最高溫度影響很大。泵站底板在12月底澆筑，澆筑溫度較低，最高溫度也較低，約為50℃。而夏季澆筑的進(jìn)水流道上部及出水流道下部，受氣溫影響，澆筑溫度較高，最高溫度均在60℃以上甚至接近70℃，對(duì)溫控防裂不利。因此，高溫季節(jié)澆筑混凝土應(yīng)避開(kāi)高溫時(shí)段，并采取相應(yīng)措施降低混凝土澆筑溫度，避免出現(xiàn)過(guò)高的最高溫度。（2）對(duì)于主體結(jié)構(gòu)，在高溫季節(jié)（5~9月）澆筑時(shí)，受澆筑進(jìn)度影響，部分混凝土澆筑溫度高于28℃，因此采取冷卻水加冰拌和方案，以控制進(jìn)水溫在20℃~24℃。（3）加冰后水池水溫降幅在2℃~6℃，平均降溫幅度為3.4℃，加冰效果明顯，能夠使進(jìn)水溫保持在合理范圍之內(nèi)。

3.2 水閘溫度場(chǎng)反演反饋分析

泵閘結(jié)構(gòu)溫控仿真的主要流程包括三個(gè)階段：（1）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)或參考配合比情況，獲得混凝土的熱力學(xué)參數(shù)初始值；（2）依據(jù)實(shí)際原材料及配合比、冷卻水管及保溫材料，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)大體積混凝土通水[1]及不通水試驗(yàn)，基于實(shí)測(cè)混凝土溫度及氣溫、水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了保溫條件下的表面散熱系數(shù)及混凝土導(dǎo)溫系數(shù)的反演分析；（3）利用反演結(jié)果，對(duì)泵閘整體施工過(guò)程開(kāi)展混凝土溫度場(chǎng)反饋分析。

圖11和圖12分別給出了張涇河水閘底板B02測(cè)區(qū)的實(shí)測(cè)溫度過(guò)程線及反饋對(duì)比值。反饋成果顯示各測(cè)點(diǎn)混凝土的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，最高溫度與達(dá)到最高溫度齡期也基本一致。由于現(xiàn)場(chǎng)條件較為復(fù)雜，對(duì)保溫保濕及通水效果的模擬與實(shí)際情況存在一定差距，各測(cè)點(diǎn)的反饋值與實(shí)測(cè)值誤差在5℃以內(nèi)，在可接受范圍，表明所用計(jì)算方法及參數(shù)能夠滿足工程精度要求。

圖11 水閘底板B02測(cè)區(qū)反饋值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

圖12 水閘底板B02測(cè)區(qū)反饋值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4 冷卻水管選擇

泵送混凝土（商品混凝土）水化熱高，早期溫升極快，在澆筑后1~2d就會(huì)達(dá)到溫度峰值，與外界形成較大溫差，此時(shí)混凝土強(qiáng)度尚未發(fā)展完全，容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此有必要盡早通水來(lái)控制混凝土內(nèi)部溫度以降低里表溫差[7-8]。此時(shí)水管材質(zhì)、水管管徑、水管間距等對(duì)于混凝土降溫效果均有較大影響。仍以本工程水閘底板為例，參考實(shí)際可用管材，模擬分析不同材質(zhì)、管徑及壁厚對(duì)冷卻效果的影響。水管豎直及水平間距均取為1.0m，單根水管長(zhǎng)度均為200m，水溫均為24℃，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 溫控效果匯總表

由表4可以看出，同管徑（管徑/壁厚=40mm/3.0mm）同流量(4m3/h)下采用鋼管和采用HDPE管的混凝土最高溫度分別為56.82℃和58℃，鋼管比HDPE管削峰效果要大1℃~2℃；水管材質(zhì)相同時(shí)，大管徑水管的降溫效果更好，主要體現(xiàn)在接觸面及通水流量的加大和進(jìn)出口水溫的減小。另外鋼管不易發(fā)生變形，且更有利于保證后期降溫速率，縮短通水冷卻時(shí)間，節(jié)省施工成本。

5 總結(jié)與建議

針對(duì)上海等平原地區(qū)泵閘工程商品大體積混凝土，以張涇河泵閘工程為試點(diǎn)開(kāi)展了施工期精細(xì)化溫控防裂理論及措施研究，通過(guò)嚴(yán)格的通水冷卻及溫度監(jiān)測(cè)，取得了良好的防裂效果。主要研究成果及結(jié)論如下：

（1）澆筑溫度與后期最高溫度呈正比關(guān)系，高溫時(shí)段澆筑會(huì)提高混凝土的澆筑溫度，使得混凝土最高溫度過(guò)大。建議澆筑溫度不大于28℃，應(yīng)盡量避免在高溫季節(jié)或時(shí)段澆筑大體積混凝土，可考慮夜間澆筑。

（2）對(duì)于深基坑部位的結(jié)構(gòu)底板，進(jìn)行大體積混凝土通水冷卻時(shí)，受高程變化影響，冷卻水沿程阻力較大。為保證充足的流量，外部引水管應(yīng)采用外徑40mm以上的粗管并增大進(jìn)水口處的壓力；通水前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，確保管路接口的密封性，防止接口處水壓過(guò)大而爆裂。

（3）對(duì)不同材質(zhì)及尺寸的冷卻水管對(duì)比仿真分析結(jié)果表明，采用大管徑鋼管能夠更好地控制混凝土內(nèi)部溫度，有效降低最高溫度，控制里表溫差。

（4）將智能化監(jiān)測(cè)控制技術(shù)與反饋仿真分析相結(jié)合，應(yīng)用于泵閘結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)溫控，能夠降低人為因素造成的誤判，有效提高溫控的效率，是未來(lái)泵閘溫控發(fā)展的趨勢(shì)。