船閘輸水廊道段混凝土澆筑工藝研究

朱冬晉，王齊，尹詩(shī)婷，王能，劉永勝，勾正洪

（1.貴州省港航集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189；3.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

清水江白市至分水溪航道工程位于貴州省黔東南州天柱縣境內(nèi)，起點(diǎn)為白市水電站，終點(diǎn)為分水溪。航道長(zhǎng)35 km，由100～300 噸級(jí)提升至500 噸級(jí)航道，含船閘1 座、通航隧洞550 m、跨引航道橋2 座及周邊道路恢復(fù)。船閘輸水閥門段結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大，傳統(tǒng)的模板法存在施工難度大、施工周期長(zhǎng)、施工精度差等缺點(diǎn)，因此采取整體裝配式的新型施工方法建造輸水廊道，即先以鋼板、梁、柱等構(gòu)建起船閘輸水閥門段的整體裝配式內(nèi)壁鋼結(jié)構(gòu)，然后在鋼結(jié)構(gòu)之外進(jìn)行混凝土連續(xù)澆筑，使內(nèi)壁鋼結(jié)構(gòu)與壁外混凝土一起構(gòu)成船閘輸水廊道段。在鋼結(jié)構(gòu)之外進(jìn)行的連續(xù)澆筑混凝土具有體積大面積大的特點(diǎn)，是典型的異型大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土的施工質(zhì)量易受澆筑施工質(zhì)量的影響，因此加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土澆筑施工技術(shù)的研究至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹船閘整體裝配式輸水廊道混凝土施工的關(guān)鍵技術(shù)。

1 船閘整體裝配式輸水廊道混凝土施工技術(shù)難點(diǎn)

大體積混凝土一般指單次澆筑量超過(guò)1000 m3或結(jié)構(gòu)實(shí)體的最小尺寸不小于2 m 的混凝土，在水利工程中采用大體積混凝土具有經(jīng)濟(jì)效益高且工程質(zhì)量較好的優(yōu)點(diǎn)，因而大體積混凝土施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用[1]。但對(duì)于新型的船閘整體裝配式輸水廊道混凝土施工技術(shù)而言，仍存在一些施工技術(shù)難點(diǎn)。

1.1 溫度裂縫的產(chǎn)生

船閘工程中，工程病害多發(fā)于施工期[2]。由于船閘本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大體積混凝土在施工期經(jīng)常出現(xiàn)開裂的情況。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)許多船閘（短廊道輸水系統(tǒng)）在廊道斷面變化段均不同程度地產(chǎn)生了各種裂縫，導(dǎo)致輸水系統(tǒng)漏水、船閘輸水系統(tǒng)運(yùn)行效率的降低以及系統(tǒng)故障和事故風(fēng)險(xiǎn)的增加等后果，故輸水廊道混凝土的裂縫問(wèn)題是船閘工程建設(shè)中需重點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量通病之一[3]。開裂原因是多方面的，最主要的原因是混凝土結(jié)構(gòu)的大體積特征導(dǎo)致單次澆筑量大，故相較于其他結(jié)構(gòu)類型，水泥水化反應(yīng)釋放出的熱量更多，更多的熱量聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)會(huì)使得結(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫度梯度差異大，當(dāng)溫差到達(dá)一定程度時(shí)，混凝土在溫度應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫，此類裂縫稱為溫度裂縫[4,5]。另外，干縮裂縫也是船閘輸水廊道混凝土的常見病害之一，工程上往往借助加入膨脹劑的方法來(lái)應(yīng)對(duì)[6]。

閥門段的混凝土澆筑通常是一個(gè)大型連續(xù)操作，故船閘輸水廊道段施工中，主要結(jié)構(gòu)在混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)部的不均勻溫度分布，極易導(dǎo)致溫度裂縫問(wèn)題，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大體積混凝土施工中可能出現(xiàn)的溫度裂縫問(wèn)題。

1.2 施工技術(shù)的高要求

澆筑一致性：在大體積混凝土施工中，確保混凝土的均勻分布和坍落度非常關(guān)鍵，以避免空隙和不均勻密實(shí)度。這要求操作員具備高超的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以確?；炷聊軌蝽樌涮钅０?。其中，坍落度是混凝土和易性的指標(biāo)，工地與實(shí)驗(yàn)室中，通常做坍落度試驗(yàn)測(cè)定拌合物的流動(dòng)性，并輔以直觀經(jīng)驗(yàn)評(píng)定粘聚性和保水性，用于判斷施工能否正常進(jìn)行[7]。船閘輸水廊道通常具有復(fù)雜的幾何形狀，在壁外混凝土施工過(guò)程中，要確保混凝土在澆筑過(guò)程中均勻分布，且具有合適的坍落度，以便順利充填復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀和排除空隙。坍落度不足可能導(dǎo)致充填不均勻，坍落度過(guò)大則可能引發(fā)漿液分離問(wèn)題。不同部位可能需要不同坍落度的混凝土，需要精確控制混凝土的坍落度，并根據(jù)需求調(diào)整。

振搗和抖搗：大體積混凝土通常需要采用振搗或抖搗等方法來(lái)排除氣泡和提高混凝土的密實(shí)性。這些過(guò)程需要專業(yè)的設(shè)備和熟練的操作，以確?；炷恋馁|(zhì)量。

1.3 施工工藝的復(fù)雜性

混凝土輸送：對(duì)于大體積混凝土來(lái)說(shuō)，將混凝土從攪拌站輸送到施工現(xiàn)場(chǎng)，通常需要使用大型泵送設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，由于船閘閥門段通常位于較深的水下位置，因此需要使用特殊的混凝土輸送設(shè)備，如長(zhǎng)臂泵或水下澆筑技術(shù)，以確?；炷聊軌驕?zhǔn)確充填各個(gè)部位。操作這些設(shè)備需要水平較高的技術(shù)技能。

施工計(jì)劃和協(xié)調(diào)：實(shí)際工程中，船閘閥門段通常包括復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如壩墻、導(dǎo)流構(gòu)造物和水閘門等；施工可能需要大量的人力、設(shè)備和材料。因此，施工需要詳細(xì)的澆筑計(jì)劃，以確定澆筑的順序和時(shí)間表，從而確保各個(gè)部分的混凝土能夠順利連接和整體裝配。此外，需考慮混凝土的硬化時(shí)間和相鄰部分之間的接縫處理。

綜上所述，船閘輸水閥門段整體裝配式廊道混凝土澆筑是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和控制措施以及專業(yè)的工程團(tuán)隊(duì)和嚴(yán)格的質(zhì)量安全管理才能夠成功應(yīng)對(duì)這些技術(shù)難點(diǎn)。

2 船閘整體裝配式輸水廊道混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)

在船閘輸水閥門段整體裝配式廊道混凝土施工中，混凝土的配合比、拌合運(yùn)輸、測(cè)溫和控溫、澆筑與振搗，以及養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。以下從這五個(gè)角度展開論述：

2.1 混凝土配合比

在船閘整體裝配式輸水廊道段混凝土施工中，混凝土配合比的設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)至關(guān)重要，它直接影響混凝土的質(zhì)量和工程的性能。保證船閘輸水閥門段大體積混凝土澆筑施工質(zhì)量的關(guān)鍵是科學(xué)準(zhǔn)備混凝土材料，需要從原材料選擇和配合比優(yōu)化兩個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)備。

一方面，是原材料的選擇。首先，在選擇水泥型號(hào)時(shí)，應(yīng)優(yōu)選低水化熱的水泥材料，尤其要關(guān)注水泥中的礦物質(zhì)成分和細(xì)度模數(shù)。這有助于降低混凝土的水化熱反應(yīng)，減少溫升，從而防止在澆筑過(guò)程中出現(xiàn)的溫度裂縫問(wèn)題。當(dāng)采用低水化熱水泥時(shí)，需確保水泥的抗壓強(qiáng)度不低于通過(guò)工程的強(qiáng)度要求而確定的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，并且減少水泥的摻量，以保持混凝土的性能。其次，在水泥攪拌過(guò)程中，施工人員需要科學(xué)控制攪拌溫度。剛出廠的水泥溫度較高，直接攪拌可能導(dǎo)致水泥失去流動(dòng)性，從而引發(fā)混凝土坍塌和碎裂問(wèn)題。最后，在混凝土材料的配置階段，適量添加粉煤灰、礦渣等替代材料以進(jìn)一步降低水化熱反應(yīng)，有助于溫度控制和減少裂縫風(fēng)險(xiǎn)并提高混凝土的凝結(jié)強(qiáng)度。

另一方面，是混凝土配合比的優(yōu)化。混凝土配合比的設(shè)計(jì)需要綜合考慮抗壓強(qiáng)度、耐久性、坍落度以及和易性等多個(gè)因素。科學(xué)控制水膠比，以兼顧混凝土的流動(dòng)性和強(qiáng)度。確保水膠比大于0.5，偏低的水膠比會(huì)影響混凝土的密實(shí)性；過(guò)高的水膠比會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降和收縮問(wèn)題。還應(yīng)考慮骨料的選擇和分級(jí)，設(shè)計(jì)合適的骨料分級(jí)曲線。分級(jí)的目的是使混凝土更加均勻和緊密，同時(shí)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性。骨料的分級(jí)應(yīng)滿足混凝土的流動(dòng)性和坍落度要求。最后，還需要避免砂率過(guò)高或過(guò)低，以維持混凝土的強(qiáng)度。

合適的原材料選擇和合理的配合比優(yōu)化可以確?；炷猎跐仓^(guò)程中達(dá)到高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，減少了裂縫和其他質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證工程的穩(wěn)定性和耐久性。

2.2 混凝土拌合運(yùn)輸

混凝土拌合質(zhì)量影響著混凝土的澆筑施工質(zhì)量，因此施工人員必須以科學(xué)的方法來(lái)控制拌合速度、時(shí)間和溫度，以確?；炷恋母鞣N原材料均勻拌合且避免氣泡的產(chǎn)生，從而提高混凝土的密實(shí)性和耐久性。選擇合適的混凝土攪拌設(shè)備，確?；炷恋木鶆蛐院唾|(zhì)量。此外，確保攪拌罐滿足無(wú)雜質(zhì)、無(wú)積水的干凈條件，以避免原水灰比發(fā)生變化。攪拌完成的混凝土應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使用完，防止混凝土發(fā)生凝固和質(zhì)變。

混凝土的運(yùn)輸也十分關(guān)鍵。施工人員應(yīng)確保運(yùn)輸車輛行駛穩(wěn)定，以避免混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生不均勻沉降。此外，需要合理控制混凝土的溫度和濕度，以防止在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生質(zhì)變。根據(jù)工程的需要，選擇合適的混凝土輸送方式，對(duì)于水下位置的施工，需要使用長(zhǎng)臂泵或其他特殊設(shè)備來(lái)輸送混凝土，確保能夠準(zhǔn)確充填各個(gè)部位?？刂苹炷吝\(yùn)輸?shù)木嚯x和時(shí)間，較長(zhǎng)的運(yùn)輸距離和時(shí)間可能導(dǎo)致混凝土早期失去流動(dòng)性和坍塌性?；炷猎谳斔瓦^(guò)程中還可能發(fā)生分離，即水分和骨料分層，應(yīng)采取措施防止分離，如在混凝土攪拌車中采取適當(dāng)?shù)臄嚢璐胧?/p>

2.3 混凝土測(cè)溫和控溫

混凝土施工中的溫度控制是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵因素。溫度直接影響著混凝土的性能、強(qiáng)度和裂縫問(wèn)題。

混凝土澆筑過(guò)程中，要進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，以確?；炷羶?nèi)外溫度分布均勻。高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土過(guò)早凝固和水分流失，影響混凝土的均勻性和強(qiáng)度；低溫則可能延長(zhǎng)凝固時(shí)間，影響施工進(jìn)度。因此，施工人員必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)混凝土的溫度，并采取措施調(diào)控，確?；炷恋男阅艿靡员３?。如果混凝土澆筑施工過(guò)程中的溫度控制不合理，在混凝土施工的4 h 之內(nèi)，大體積混凝土可能會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。為此，依據(jù)水利工程混凝土施工的相關(guān)規(guī)定，針對(duì)于混凝土澆筑施工溫度的控制時(shí)間間隔需小于4 h。在選擇溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，先遵循對(duì)稱性原則，在對(duì)稱構(gòu)件平面上選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，常見的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置為對(duì)稱軸線上。如果施工平面不對(duì)稱，則需要詳細(xì)分析各立體面的形狀和受力情況，以確定澆筑時(shí)的最佳溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。

降低混凝土澆注溫度的措施：①搭設(shè)遮陽(yáng)棚：搭設(shè)通風(fēng)良好的遮陽(yáng)棚，避免混凝土原材料受強(qiáng)烈陽(yáng)光曝曬；②灑水降溫：在混凝土澆筑前的1 h 內(nèi)對(duì)砂石料進(jìn)行灑水降溫，通過(guò)增加材料的含水率并調(diào)整混凝土的施工配合比來(lái)控制混凝土溫度；③模板降溫：在混凝土澆筑前對(duì)鋼模板進(jìn)行灑水降溫，以減少模板傳熱導(dǎo)致的混凝土溫度升高；④選擇適當(dāng)時(shí)段：選擇在溫度較低的時(shí)段進(jìn)行混凝土澆注，如傍晚或早晨，以減緩混凝土的升溫速度，提高施工質(zhì)量。這些措施的合理應(yīng)用有助于有效控制混凝土的溫度，減輕溫度對(duì)施工質(zhì)量的不利影響，同時(shí)降低了裂縫問(wèn)題的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，確保了混凝土工程的成功實(shí)施。

2.4 混凝土澆筑與振搗

混凝土的澆筑要按照事先制定的計(jì)劃進(jìn)行，確保各個(gè)部位得到充分填充，精確控制澆筑順序，以確保各構(gòu)件連接無(wú)縫?；炷翝仓枰捎梅侄畏謱拥姆椒?，即分倉(cāng)、分塊進(jìn)行，確保底板和頂板澆筑后能夠及時(shí)進(jìn)行壓光。通常情況下，分層澆筑的厚度一般不超過(guò)50 cm，并在多層連續(xù)澆筑時(shí)，確保各層之間的澆筑時(shí)間間隔不會(huì)超過(guò)初凝時(shí)間。最好連續(xù)澆筑混凝土，必要時(shí)盡量減少中斷時(shí)間，確保在前層混凝土初凝前完成次層澆筑。由于混凝土材料本身存在一定的收縮性能，雖然在施工過(guò)程中無(wú)法完全消除，但可以通過(guò)科學(xué)的澆筑施工方法有效降低混凝土的收縮對(duì)施工質(zhì)量的不良影響。因此，在正式開始施工之前，施工單位需要精確配制混凝土材料的參數(shù)，以便在澆筑施工完成后，有效控制混凝土材料的自身收縮性能和變形性能，從而減少混凝土表面裂縫的產(chǎn)生[8]。振搗混凝土要高效，以排除氣泡，提高密實(shí)性，確保強(qiáng)度和耐久性。

在施工過(guò)程中，可以采用以下澆筑工藝來(lái)優(yōu)化施工：①調(diào)整輸水廊道的分塊情況，將輸水廊道與上部的邊墩一起澆筑，以提高結(jié)構(gòu)的整體性；②嚴(yán)格鑿毛新老混凝土交接面，可以在混凝土中添加膨脹劑，以促使新老混凝土更好地結(jié)合；③在輸送管出口處接上橡膠皮管，由工人用繩索牽引，以確?；炷辆鶆蛉雮}(cāng)和分層，控制分層厚度在40 cm 左右；④延長(zhǎng)混凝土攪拌時(shí)間從90s 至120s，確保充分均勻的攪拌。這些工藝可以有效提升施工效率和質(zhì)量。

2.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑后，需要進(jìn)行充分的養(yǎng)護(hù)，確?；炷猎谟不^(guò)程中獲得足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。對(duì)于混凝土的澆筑養(yǎng)護(hù)，施工人員應(yīng)科學(xué)控制混凝土的溫度和濕度，以最大程度地減少混凝土內(nèi)外溫差，降低混凝土表面水分蒸發(fā)速度。常見的養(yǎng)護(hù)方法包括采用保溫法和降溫法等。

在實(shí)際的船閘輸水廊道混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，為預(yù)防大體積混凝土因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋的問(wèn)題，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行控制：①養(yǎng)護(hù)時(shí)間：確保混凝土獲得足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。通常，混凝土需要持續(xù)濕養(yǎng)護(hù)7 至14 天，具體時(shí)間取決于混凝土強(qiáng)度、氣溫和濕度等因素；②溫度控制：控制養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度。混凝土強(qiáng)度的發(fā)展受溫度的影響，確保環(huán)境溫度在適宜的范圍內(nèi)，通常在10℃到30 ℃之間；③濕養(yǎng)護(hù)方式：使用適當(dāng)?shù)臐耩B(yǎng)護(hù)方式，如覆蓋濕布、草簾布、濕沙漿或噴水等，以保持混凝土表面濕潤(rùn)，確保濕養(yǎng)護(hù)方式均勻分布在整個(gè)施工區(qū)域；④遮陽(yáng)：在高溫和強(qiáng)陽(yáng)光的天氣中，使用遮陽(yáng)設(shè)備或覆蓋物，以減少混凝土表面的直接暴曬。過(guò)度的陽(yáng)光照射可能導(dǎo)致混凝土表面開裂。

綜合來(lái)看，混凝土施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都需要高度的注意和精細(xì)的計(jì)劃，以確保整體裝配式廊道混凝土的質(zhì)量和安全性。通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)、拌合運(yùn)輸、溫度控制、澆筑與振搗，以及充分的養(yǎng)護(hù)，可以確保工程的成功完成。同時(shí)，施工人員需要具備高水平的技術(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的混凝土施工任務(wù)。

3 結(jié)論

受諸多不確定性因素影響，大型船閘混凝土澆筑施工質(zhì)量和工期一直是工程施工控制的難點(diǎn)。本文針對(duì)實(shí)際的大型船閘輸水閥門段整體裝配式廊道大體積混凝土澆筑施工情況，進(jìn)行了有針對(duì)性的技術(shù)研究，得出以下結(jié)論：

（1）基于現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)該工藝的原理進(jìn)行了深入分析和詳細(xì)論述；鑒于工程技術(shù)問(wèn)題和施工挑戰(zhàn)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，形成了一套相對(duì)完備的針對(duì)大型船閘混凝土澆筑施工的工藝方案。

（2）結(jié)合實(shí)際工程情況，提供了船閘輸水閥門段整體裝配式廊道混凝土施工技術(shù)的詳細(xì)信息，對(duì)類似工程的實(shí)施提供了有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。