清水混凝土技術在水電站廠房中的應用研究

趙 文 劍， 李 宗 宗， 山 繼 紅

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

水電站受其功能所限多數(shù)布置于深山峽谷中，水電站的廠房主要用于安裝水輪發(fā)電機組和升變壓設備，其內部分層和結構形狀依機組和設備的體型而定，加之需要考慮受力和安裝檢修的需要，導致其結構設計異型多、標準結構少，而且廠房具有結構復雜、管線穿孔復雜多變、層間高差大、異型結構突出等特點，導致清水混凝土的應用受到一定程度的限制。

以亞曼蘇水電站為例，闡述了清水混凝土技術在水電站廠房中的應用研究過程。該電站廠房位于新疆阿克蘇地區(qū)托什干河河谷中天山?jīng)_洪積臺地上，廠房基礎布置于下挖70 m的深基坑中，其地下水豐富，施工難度大。廠房總長度為87.54 m，寬22 m，水輪機安裝高程為1 491.6 m，廠內安裝3臺單機容量為70 MW和1臺單機容量為34 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量為244 MW。廠房蝶閥層、水輪機層、電氣夾層、尾水閘墩(外露面)等除地面外的部位均考慮采用普通清水混凝土施工工藝。

由上述情況可以看出：水電站廠房結構具有一定的特點，“清水混凝土施工技術對整體水工建筑工程質量有其相對的重要性與影響性”[1]，應用清水混凝土技術時需要綜合考慮。在亞曼蘇水電站廠房混凝土施工過程中，對原材料色差控制、脫模劑選用及工藝對比、模板選型等進行了一系列現(xiàn)場試驗研究，最終達到了普通清水混凝土施工效果，其具體的應用過程分述于后。

2 加強對原材料質量進行控制

亞曼蘇水電站地處新疆偏遠地區(qū)，由于該地區(qū)常年風沙漫布，骨料處于露天環(huán)境下造成骨料表面浮積一層灰塵，倉中骨料表面有灰塵的和無灰塵的具有明顯色差。試驗室試驗和現(xiàn)場實踐取得的經(jīng)驗是：骨料表面無灰塵時，混凝土試塊和現(xiàn)場混凝土顏色均偏白；骨料表面有灰塵時，混凝土試塊和現(xiàn)場混凝土顏色均偏黑。至此，骨料的色差導致混凝土存在色差。為避免骨料色差造成清水混凝土表面色差，對砂石骨料倉增加了混凝土隔墻的高度，以確保骨料有足夠的儲存量，并在骨料倉上部增加了鋼結構頂棚用于防止風沙、雨雪等對骨料造成污染，骨料運輸至骨料倉后及時采用彩條布進行覆蓋，后期采用色差儀對所覆蓋的骨料進行顏色檢查，檢查點數(shù)共40個，顏色偏差點數(shù)3個，占比為7%，最終認定其不影響混凝土整體外觀顏色。

對于膠凝材料，分別對進場的5批次水泥和粉煤灰采用色差儀進行顏色對比，結果顯示：其中4批次水泥和粉煤灰顏色偏灰、1批次水泥和粉煤灰顏色偏黑，混凝土試塊和現(xiàn)場混凝土顏色均與膠凝材料顏色接近，因此確定：膠凝材料的色差會造成混凝土存在色差。后期經(jīng)過對實際進場的膠凝材料顏色進行查看發(fā)現(xiàn)：水泥和粉煤灰顏色出現(xiàn)偏黑的情況很少，原材料質量及色澤相對穩(wěn)定，不會影響清水混凝土的質量。

對于粗骨料，其表面無明顯灰塵、級配連續(xù)，含泥量(%)≤1。細骨料不得含有泥土，色澤均勻，含泥量(%)≤2。

對于水泥、粉煤灰，除滿足常規(guī)混凝土各項指標外，對其色澤提出了較高的要求，同一部位盡量避免采用不同批次的材料，以免出現(xiàn)較大的色差。

3 施工方法

3.1 模板制安

3.1.1 模板的選擇

眾所周知：混凝土結構的精度偏差取決于模板的選型，尤其在水利水電工程中，異型結構多且復雜，特別是流道及轉輪結構，對結構線型的要求較高，采用木膠合板無法保證異型結構的精度，因此決定主廠房異型結構全部采用定型鋼模板。定型鋼模板在加工廠內按照設計曲面及流線進行加工制造，其與理論數(shù)值的偏差可控制到毫米級。主體結構采用定型鋼模板施工完成后，對水流和轉輪部件的影響將降至最低，從而最大限度地保證了電站出力和設備安全。

除異型結構以外的部位全部采用組合木膠合板，其單塊尺寸為244 cm×122 cm×1.2 cm。木膠合板采用全整芯優(yōu)質楊木片板材數(shù)層膠合而成，鋸開無空洞，從而保證了模板的韌性。從芯板到面板全部采用高濃度三聚氰胺膠水，層層過膠，全面粘合，保證了模板膠合的強度。木膠合板相對鋼模板而言其剛度稍顯不足，安裝時可采用10 cm×5 cm的標準背枋進行加強，間距30 cm。面板經(jīng)過兩次砂光后再覆膜，確保了模板的平整光滑，無毛刺溝痕，施工時在其表面再涂刷一層水性高分子材料。水性脫模劑具有平滑、耐磨、光澤度高等特點，在平整度方面亦滿足清水混凝土要求。木膠合板具有重量輕、幅面大、減少接縫數(shù)量、易于裁切加工、小幅度彎曲變形等特點，作為清水混凝土平板或微曲面模板效果優(yōu)良。兩種模板相互結合，可以實現(xiàn)大面積清水混凝土的施工效果。

對于墻面、板梁柱模板主要采用木膠合板，根據(jù)結構尺寸拼裝出各種形狀。由于墻面和板梁柱模板對于支撐固定的要求較高，因此，木膠合板主要在現(xiàn)場制作拼裝并需要注意邊角接縫的密封性，必須嚴絲合縫，避免出現(xiàn)漏漿等問題。

3.1.2 模板制安

(1)木膠合板的制作與安裝。木膠合板裁切過程中必須確保其四周橫平豎直，無鋸齒狀和波形邊線。鉆孔過程中，螺栓孔眼采用記號筆按照結構尺寸劃線、對拉孔眼對稱設置，鉆孔過程中保護板面無起皮、劃痕等影響混凝土外觀的現(xiàn)象出現(xiàn)。

木膠合板制作拼裝初步成型后，對于存在的模板接縫錯角、線性差等問題，主要采用有針對性的裁切條狀木膠合板進行拼接的方法，必要時采用膠帶粘貼等方法。

組合木膠合板由三塊尺寸為244 cm×122 cm×1.2 cm的模板拼裝而成，木膠合板的安裝加固系統(tǒng)采用10 cm×5 cm的標準木材作為背枋，間距30 cm。加固時用Φ48 mm×3.5 mm壁厚的鋼管做背管和腳手架，使模板側壓力傳遞均勻、支撐牢固。對于墻體、柱等部位采用φ12 mm圓鋼作為對拉桿，對拉桿的孔眼采用在混凝土中預埋細PVC管的方法以確保其外觀質量，對于孔眼布置的位置需要統(tǒng)一設計，整齊美觀。模板拆除后，采用與混凝土原色相同的砂漿對對拉孔眼進行修補。

現(xiàn)澆結構清水混凝土模板安裝的允許偏差為：截面內部尺寸為±4 mm(柱、梁、墻)，模板不平整度不超過3 mm(采用2.5 m靠尺檢查)，相鄰面板高差為2 mm，陰陽角的方正不超過3 mm(采用方正尺)，模板高度不大于5 m時，模板的垂直度不超過4 mm，模板高度大于5 m時，模板的垂直度不超過6 mm。

(2)異型鋼模的制作及安裝。亞曼蘇水電站主廠房異型結構全部采用定型鋼模板，定型鋼模主要采用在專業(yè)鋼結構廠家訂制的方式。根據(jù)設計圖紙，機墩風罩整體為圓柱型，下部為機墩，上部為風罩，中部為1∶1的圓臺過渡。機墩高245 cm、半徑為425 cm，圓臺部位高81.4 cm，風罩高360 cm、半徑為510 cm。根據(jù)施工縫的留置原則，施工縫應留置在結構受剪力較小的位置，再結合該部位因機電設備管路預埋件多而復雜的實際情況，將機墩頂部的施工縫留置在圓臺下部20 cm處。圓臺頂部按照設計圖紙為電氣夾層板梁，板梁施工完畢再進行風罩的施工，因此，將圓臺頂部施工縫留置在電氣板梁底部。

根據(jù)施工縫留置情況，機墩模板高225 cm、每塊寬121.3 cm、共22塊，模板背肋包括豎肋和橫肋，背肋采用鋼板制作，設置豎肋4根、橫肋6根，在兩端豎肋和頂部橫肋上設置螺栓孔，孔徑2 cm、間距15 cm；圓臺部位的模板高125 cm、分22塊與機墩模板對應，設置豎肋4根、橫肋4根，在兩端豎肋和底部橫肋上設置螺栓孔，孔徑為2 cm、間距15 cm；風罩模板分兩層制作，每層高180 cm、每塊模板寬123.1 cm、共26塊(兩層共52塊)，設置豎肋4根、橫肋5根，在兩側豎肋、頂部和底部橫肋上均設置螺栓孔，孔徑為2 cm、間距15 cm，待風罩兩層模板全部安裝完成后一次澆筑成型。

尾水閘墩的高度達2 200 cm，定型8個半徑為50 cm的異型弧形鋼模板連接平板大塊鋼模板進行施工，模板高150 cm，平板鋼模板長度為327 cm，設置豎肋10根、橫肋5根，在兩側豎肋、頂部和底部橫肋上均設置螺栓孔，孔徑為2 cm，間距15 cm。

模板面板全部采用Q235鋼板，厚度為3.5 mm，背肋采用Q235鋼板，寬8 cm，厚6 mm。

異型鋼模板主要采用φ16 mm和φ18 mm圓鋼對拉，高強度螺栓連接，外部采用Φ48 mm×

3.5 mm壁厚的鋼管進行固定以確保模板支撐牢固、澆筑過程不發(fā)生位移變形。

(3) 脫模劑。脫模劑噴涂在清水混凝土施工中起著關鍵性的作用。亞曼蘇水電站經(jīng)試驗后選用水性脫模劑，水性脫模劑經(jīng)多次調整稀釋比例后發(fā)現(xiàn)：濃度過濃采用油漆刷涂刷時，脫模劑吸附于模板表面出現(xiàn)小顆粒狀而使清水面呈現(xiàn)出不規(guī)則的坑洼狀；濃度太稀又不利于脫模工作的進行且對模板周轉次數(shù)有影響，故通過試驗確定脫模劑的稀釋比例為1∶1，即1 kg脫模劑加入1 kg水進行充分稀釋，涂刷方式采用農(nóng)用噴霧器噴涂兩次以達到清水混凝土效果。

施工時，首先向噴霧器中加入一半水，水質干凈且無雜質，再倒入一半脫模劑攪拌均勻，經(jīng)稀釋的脫模劑不易放置太久且在短時間內必須用完，應做到隨拌隨用。模板首次使用前，采用噴霧器直接將脫模劑噴涂在模板表面，待風干后在模板表面進行二次噴涂，噴涂必須均勻，不得漏噴，鋼模板二次使用噴涂脫模劑前，采用鋼絲刷和角磨機將鋼模板表面的雜質清除干凈，再用濕抹布將表面灰塵擦拭干凈后再噴涂。木膠合板二次使用前，用濕抹布將其表面雜質和灰塵清理干凈后再噴涂脫模劑，采用以上措施方可保證清水混凝土效果的實現(xiàn)。

(4)模板拼縫。模板拼縫的嚴實程度直接影響到混凝土的外觀質量。拼縫不嚴容易出現(xiàn)漏漿而導致混凝土表面出現(xiàn)不平整、麻面等質量缺陷，清水混凝土施工的模板拼縫主要采取以下措施：

在木膠合板豎向拼縫和橫向接縫處粘貼高密度海綿密封條和外側加固豎向外楞以防漏漿，在鋼模板豎縫和水平縫拼縫處均粘貼高密度海綿密封條以防漏漿，在現(xiàn)澆板梁木膠合板拼縫處用膠帶紙粘牢，柱、墻模板固定對拉螺栓與模板周圍結合處、機電設備管路與模板交接處均采用發(fā)泡劑或橡皮泥堵塞，待發(fā)泡劑和橡皮泥完全固結后對模板內側采用刀片將多余的發(fā)泡劑或橡皮泥鏟除，與模板持平即可。

粘貼密封條前，應將模板兩側邊緣擦拭干凈。模板安裝必須擠緊壓實，確保模板拼縫無空隙，待模板加固完畢、混凝土澆筑前再用高壓風槍將模板表面的灰塵清理干凈，用5 cm寬的透明膠帶在模板內側粘貼拼縫進行封閉，粘貼透明膠帶時應確保一次成功，如果粘貼不平整、有褶皺必須重新粘貼時，“須更換膠帶紙，要從一邊往另一邊趕貼”[2]，確保其平整度。

3.2 混凝土施工

3.2.1 混凝土拌制

配合比是決定清水混凝土外觀顏色、色差的重要指標。倉號開倉前，應嚴格控制骨料質量，同時保證各種原材料有足夠的儲量。膠凝材料應確保為同一廠家，進場時嚴格控制色澤，混凝土拌制必須嚴格按試驗室配合比進行配料，材料的計量必須準確。

由于清水混凝土對坍落度有較高的要求，坍落度過高容易產(chǎn)生離析泌水及浮漿，過低則汽車泵無法泵送，因此，攪拌完成的清水混凝土拌合物和易性應穩(wěn)定。亞曼蘇水電站廠房混凝土澆筑采用泵機結合汽車泵的方式進行澆筑，“清水混凝土坍落度嚴格控制在 150 mm±20 mm”[3]，拌合攪拌時間比普通混凝土延長30 s。

3.2.2 混凝土運輸

清水混凝土運輸時，應做到運輸速度快、距離短、倒運次數(shù)少，以使混凝土工作性能穩(wěn)定。運輸設備不得使用未清洗干凈的渾水混凝土運輸工具和澆筑工具(汽車泵)運輸澆筑用的清水混凝土，同時，罐車內應無積水，以避免改變清水混凝土的配合比，增大浮漿水紋產(chǎn)生的概率。

混凝土罐車從攪拌站到施工現(xiàn)場過程中，必須保持慢慢轉動，保證混凝土不離析、不分層，滿足坍落度要求，控制初凝時間。出料前應快速轉動2 min以確保混凝土在運輸過程中不會產(chǎn)生離析現(xiàn)象，出料必須干凈。

3.2.3 混凝土澆筑過程控制

混凝土澆筑前，采用高壓風槍將模板表面的灰塵清理干凈。外墻柱合模前應將水平施工縫剔鑿并清除干凈，模板內表面不得有污物。

在混凝土澆筑過程中，操作人員應嚴格控制澆筑的地點、澆筑方式、振搗棒插入的半徑范圍、分層澆筑的厚度、振搗的密實情況等。混凝土振搗應插點均勻，梅花形布置，以“快插慢拔”為振搗的原則[4]，按順序進行，嚴禁漏振、過振、欠振。

3.2.4 清水混凝土的養(yǎng)護

“混凝土拆模后應及時進行養(yǎng)護”[5]，保持其濕潤狀態(tài)。對板梁混凝土面采用覆蓋無紡布的方式，然后澆水養(yǎng)護；對墻、柱及其它立面結構采用包裹塑料薄膜澆水保濕養(yǎng)護的方式，養(yǎng)護時間均不小于28 d。當塑料薄膜妨礙上層施工需拆除時，使用噴霧器及時噴水養(yǎng)護以保證混凝土表面的濕潤，保證面層的濕潤時間不小于28 d。

3.2.5 清水混凝土成品的保護

待上層混凝土拆模后進行上層模板支模、搭設腳手架等施工時，不得損壞或污染下一層已澆筑的混凝土。澆筑上一層混凝土時，不允許有漿液或污水流淌或噴灑在已澆好的混凝土墻面上。如有污染，必須清洗干凈，但不得使污染面積增大。

拆除外腳手架時應輕拿輕放，不得碰壞墻面。吊裝其它部位材料時應派專人看守，嚴禁刮蹭清水混凝土部分而造成破壞。

澆筑上層混凝土過程中，安排專人全過程監(jiān)控，對從澆筑部位流淌下的水泥漿和灑落的混凝土應及時清理干凈。

4 結 語

清水混凝土直接以素顏裝飾，體現(xiàn)出一種現(xiàn)代簡約的裝飾手法，原生態(tài)、簡約而不簡單。與普通混凝土相比，其表面無任何裝飾，顯得十分天然、莊重。清水面是最純粹的，沒有任何多余的雜質，有返樸歸真的感覺。

清水混凝土自身具有的優(yōu)越結構性能在使用過程中減少了大量資源的使用，同時亦簡化了施工程序，從而為水利水電工程相關各方帶來了很大的經(jīng)濟效益。對于施工單位，節(jié)省了進行二次抹灰的施工成本和時間成本，提高了施工效率，減少了很多施工材料的使用，從而為施工單位降低了施工成本。亞曼蘇水電站通過對原材料色差進行控制，采用木膠合板和定型鋼模板運用于廠房清水混凝土施工中，達到了清水混凝土效果，所取得的經(jīng)驗對類似水電站建設具有借鑒作用。