烏沙河泵閘閘室底板大體積混凝土澆筑施工及溫控探討

吳 琛

(江西省建洪監(jiān)理工程咨詢有限公司，南昌 330029)

0 引 言

綜合美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)及我國(guó)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，任何現(xiàn)澆混凝土只要澆筑尺寸大到必須采取相應(yīng)措施解決水化熱及體積變形等問(wèn)題，以控制結(jié)構(gòu)裂縫，即屬于大體積混凝土。溫度裂縫是此類(lèi)混凝土結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的施工質(zhì)量問(wèn)題，其溫度裂縫主要由混凝土溫度變形引起；在水泥凝結(jié)過(guò)程中將產(chǎn)生水化熱，無(wú)法及時(shí)釋放便引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度持續(xù)升高，加大其內(nèi)外溫差，且當(dāng)溫度差過(guò)大時(shí)便會(huì)引發(fā)大體積混凝土開(kāi)裂。為保證混凝土質(zhì)量，必須通過(guò)澆筑方法、澆筑過(guò)程的選擇優(yōu)化以及對(duì)大體積混凝土內(nèi)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的分析，將裂縫控制在允許范圍內(nèi)。

1 工程概況

烏沙河泵站建設(shè)在烏沙河出口處已建成運(yùn)行的烏沙河閘與魚(yú)目山之間，并位于烏沙河閘左側(cè)，泵站按照正向進(jìn)水、正向出水的河床形式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)排澇流量342m3/s，同時(shí)配備7臺(tái)4050ZGQ49-3.17型豎井貫流泵和7臺(tái)YXKS800-8型電機(jī)，以保證泵站順利運(yùn)行，總裝機(jī)容量達(dá)到17500kW。泵站為大(1)型設(shè)計(jì)，Ⅰ等等別，其主要建筑物均為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。泵閘工程主要包括進(jìn)水護(hù)坦、進(jìn)水池、進(jìn)水閘、泵房、出水尾管、出水防洪閘、交通橋(下設(shè)消力池)、出水護(hù)坦和出水渠等建筑物。泵站工程所在烏沙河流域出口斷面100a、50a、20a、10a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為1554m3/s、1364m3/s、1078m3/s、881m3/s。

該泵閘底板由閘室、南北側(cè)泵室構(gòu)成，順?biāo)飨蛟O(shè)計(jì)長(zhǎng)度35.0m，垂直水流向設(shè)計(jì)寬寬度40.5m，泵室底板底、頂高程分別為-5.0m和-1.3m，集水井部分以外的厚度最大值為3.7m；閘室底板底、頂高程分別為-5.0m和-1.5m，厚度最大達(dá)3.5m。該泵閘底板混凝土澆筑方量大，包括閘室底板、泵室底板在內(nèi)的總澆筑方量達(dá)1243m3，C30商品混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度為65m3/h。底板澆筑是整個(gè)泵閘工程中單次澆筑方量最大、強(qiáng)度最高、時(shí)間最長(zhǎng)的倉(cāng)位，為保證大底板混凝土澆筑質(zhì)量，必須認(rèn)真研究并做好施工技術(shù)組織設(shè)計(jì)，防止混凝土在施工期和運(yùn)行期產(chǎn)生裂縫。

2 大體積混凝土澆筑施工

2.1 施工準(zhǔn)備

在該泵閘閘室底板混凝土澆筑前的準(zhǔn)備節(jié)段，應(yīng)確定混凝土材料供應(yīng)商，同時(shí)選用分散均勻、性能良好，無(wú)結(jié)塊起球及泌水離析現(xiàn)象，可泵性良好的UF-500型纖維素添加劑[1]，按0.9kg/m3的設(shè)計(jì)比摻加并拌和均勻后混凝土材料表面光潔平整，且無(wú)外露纖維。系列試驗(yàn)后的混凝土抗裂檢測(cè)報(bào)告顯示，摻加UF-500型纖維素的纖維混凝土比基準(zhǔn)混凝土裂縫面積改善程度高96.4%，工程性能優(yōu)越。

根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告及混凝土拌和站所提供的配合比設(shè)計(jì)報(bào)告，烏沙河泵閘閘室底板大體積混凝土配合比優(yōu)化結(jié)果詳見(jiàn)表1?；炷敛牧现袚郊?.9kg/m3的UF-500型纖維素添加劑后，材料28d抗壓強(qiáng)度34.9MPa。

表1 泵閘閘室底板大體積混凝土配合比優(yōu)化結(jié)果

2.2 澆筑方法

烏沙河泵閘閘室底板大體積混凝土澆筑從底板東西兩側(cè)開(kāi)始分層布料，采用多層階梯推進(jìn)工法階梯式推進(jìn)，并逐步向中心匯聚，混凝土澆筑層厚應(yīng)控制在50cm以內(nèi)，并將兩次混凝土澆筑時(shí)間間隔嚴(yán)格控制在4h以內(nèi)，以避免出現(xiàn)澆筑冷縫[2]。

結(jié)合澆筑施工工法，該泵閘澆筑量最大值應(yīng)按照175m3/h確定，澆筑過(guò)程中盡量避免采用泵送混凝土，以便在減少水泥用量的同時(shí)，降低混凝土水化熱，并延緩溫升過(guò)程，泵房底板擬采用自行式布料機(jī)入倉(cāng)；減少分層厚度并增大層間間隔時(shí)間。

2.3 澆筑過(guò)程控制及養(yǎng)護(hù)

為保證閘室底板及地基結(jié)構(gòu)的安全，聘請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)院專(zhuān)家進(jìn)行了該泵閘閘室底板實(shí)際受力情況的分析論證，并對(duì)是否可使用低熱水泥、通水冷卻等輔助措施一并進(jìn)行論證。在此基礎(chǔ)上還對(duì)泵閘底板等重點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元仿真分析，對(duì)實(shí)際澆筑施工過(guò)程的合理性進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)非穩(wěn)定溫度場(chǎng)及溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行深入研究，考查施工過(guò)程及溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)對(duì)底板結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的可能影響，得到泵閘閘室底板結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力等參數(shù)取值，為底板配筋設(shè)計(jì)及大體積混凝土溫控提供直接數(shù)據(jù)。

該泵閘閘室底板及流道采用 BLJ40/600 型自行式布料機(jī)和SY5310THB-46型混凝土汽車(chē)泵入倉(cāng)，流道以上主要通過(guò)混凝土汽車(chē)泵入倉(cāng)，對(duì)于汽車(chē)泵難以覆蓋到的少量排架柱混凝土則由塔機(jī)配合入倉(cāng)。大倉(cāng)面混凝土澆筑采用臺(tái)階式澆筑方式，小倉(cāng)面則按照通倉(cāng)分層澆筑?；炷料铝蠒r(shí)應(yīng)按澆筑方向逐條鋪料，鋪料厚度控制在0.3-0.5m范圍內(nèi)，再通過(guò)人工方式平倉(cāng)；澆筑過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行先平倉(cāng)、后振搗的次序，不得以振搗代平倉(cāng)或以平倉(cāng)代振搗。

混凝土表面有效的保溫措施能使早期結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差及結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力顯著減小，避免發(fā)生溫度裂縫。為此，該泵閘閘室底板帶體積混凝土澆筑結(jié)束后采用雙層覆蓋保溫措施，即在混凝土外表面噴涂一層養(yǎng)護(hù)液，其上加蓋塑料薄膜、麻袋及無(wú)紡布各一層，再整體覆蓋一層彩條布養(yǎng)護(hù)。

3 溫度控制

烏沙河泵閘閘室底板大體積混凝土澆筑工程委托市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院檢測(cè)中心在施工過(guò)程中跟蹤監(jiān)測(cè)大體積混凝土內(nèi)外溫度，并加強(qiáng)溫度控制。

3.1 測(cè)試方法及過(guò)程

在該閘室底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在閘底板1.0m、2.1m、2.8m、3.5m厚度處，6個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在泵房流道底板0.8m、1.3m、2.1m、2.9m、3.5m厚度處，同時(shí)在閘室底板內(nèi)部及表面設(shè)置7個(gè)優(yōu)質(zhì)銅-康銅熱電偶，并配合YF-3700A型高精數(shù)字萬(wàn)用表施測(cè)。施測(cè)時(shí)只需將熱電偶綁扎在細(xì)鋼筋上，置于測(cè)點(diǎn)位置底板鋼筋內(nèi)，持續(xù)3-5min后讀取萬(wàn)用表讀數(shù)，并根據(jù)顯示結(jié)果計(jì)算測(cè)點(diǎn)間溫差。監(jiān)測(cè)過(guò)程從大體積混凝土澆筑結(jié)束后即開(kāi)始，持續(xù)監(jiān)測(cè)9d，其中前6d每間隔2h監(jiān)測(cè)1次，此后改為逐小時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 溫度場(chǎng)分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)，混凝土溫度場(chǎng)從入倉(cāng)開(kāi)始會(huì)經(jīng)歷水化熱溫升、溫降及氣溫周期變化等階段，根據(jù)烏沙河泵閘閘室大體積混凝土溫度場(chǎng)變化情況，計(jì)算時(shí)間應(yīng)為500d，且假定環(huán)境溫度呈正弦趨勢(shì)變動(dòng)[3]。分析結(jié)果表明，該閘室大體積混凝土澆筑后20d溫度場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，此后溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)并趨同于外界環(huán)境溫度。相同時(shí)刻閘室底板內(nèi)部與外界溫差最大可達(dá)15℃，且閘室底板內(nèi)部越深厚的地方溫度越高。具體溫度變化曲線詳見(jiàn)圖1。

圖1 泵閘閘室底板大體積混凝土溫度變化曲線

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

以熱分析節(jié)點(diǎn)溫度值為體積荷載作用于轉(zhuǎn)化單元節(jié)點(diǎn)，初始溫度擬定為15℃，再添加模型力學(xué)參數(shù)及約束條件，進(jìn)行溫度應(yīng)力場(chǎng)分析求解。結(jié)果顯示，該泵閘閘室水平位移最大值為1.48cm，且分布在閘頂，并向上游側(cè)移動(dòng)；豎向位移最大值0.73mm，位于閘底板上游前趾；閘室水平拉應(yīng)力最大值為1.76MPa，出現(xiàn)在下游底板中下部；水平壓應(yīng)力最大值2.64MPa則出現(xiàn)在閘底板上游；閘室底板下層排水廊道周邊應(yīng)力集中現(xiàn)象突出，最大應(yīng)力值1.99MPa。以上應(yīng)力值均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，表明閘室底板大體積混凝土澆筑施工質(zhì)量良好，溫度控制措施有效。

4 結(jié) 論

考慮到工期所限，該泵閘閘室底板大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)僅持續(xù)9d，難以全面體現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)溫度變化全貌，但根據(jù)短期內(nèi)監(jiān)測(cè)報(bào)告及質(zhì)量檢驗(yàn)結(jié)果，底板并未表現(xiàn)出任何裂縫病害，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抗?jié)B指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。本工程施工及溫控結(jié)果也表明，通過(guò)降低水泥用量并按設(shè)計(jì)比摻加纖維素等外加劑，能降低水化熱并提升混凝土材料的抗裂性能；通過(guò)澆筑施工工藝的優(yōu)選，既能減少水泥用量、延緩溫升時(shí)間，又能有效避免裂縫產(chǎn)生。通過(guò)加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)監(jiān)控該泵閘閘室底板大體積混凝土內(nèi)部溫差，為養(yǎng)護(hù)及質(zhì)量控制措施的實(shí)施提供依據(jù)。