大體積混凝土薄層跳倉快速施工方法的研究與應(yīng)用

王利

1、前言

我國《大體積混凝土施工規(guī)范GB 50496-2009》對大體積混凝土作出的定義是：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土?！按篌w積混凝土”最早出現(xiàn)在水利水電工程中，許多水利水電建設(shè)科研工作者對大體積混凝土做了大量細(xì)致的科學(xué)研究，發(fā)展至今，從理論到施工方法已比較成熟，并形成了相應(yīng)的規(guī)定。早在1933年—1936年，美國建成的大苦果重力壩，混凝土澆筑工程量已達(dá)到250多萬m3，我國建成的舉世矚目的長江三峽大壩，混凝土澆筑工程量達(dá)到2800萬m3，是葛洲壩大壩混凝土工程量的2—3倍，使我國在大體積混凝土施工技術(shù)方面取得了重大成功，為我國建設(shè)大體積混凝土高壩奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

一般不能以截面尺寸來簡單判斷是否大體積混凝土，實(shí)際施工中，有些砼厚度達(dá)到1m，但也不屬于大體積混凝土的范疇，有些混凝土雖然厚度未達(dá)到1m，但水化熱卻較大，不按大體積混凝土的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)施工，也會造成結(jié)構(gòu)裂縫。大體積混凝土與普通混凝土的區(qū)別表面上看是厚度不同，但其實(shí)質(zhì)的區(qū)別是由于混凝土中水泥水化要產(chǎn)生熱量，大體積混凝土內(nèi)部的熱量不如表面的熱量散失得快，造成內(nèi)外溫差過大，其所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可能會使混凝土開裂。因此判斷是否屬于大體積混凝土既要考慮厚度這一因素，又要考慮水泥品種、強(qiáng)度等級、每立方米水泥用量等因素，比較準(zhǔn)確的方法是通過水泥水化熱所引起的混凝土的溫升值與環(huán)境溫度的差值大小來判別，一般來說，當(dāng)其差值小于25℃時，其所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將會小于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，不會造成混凝土的開裂，當(dāng)差值大于25℃時，其所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力有可能大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，造成混凝土的開裂，此時就可判定該混凝土屬大體積混凝土。

2、工程介紹

嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程屬嘉陵江干流四川廣元至蒼溪河段梯級開發(fā)的第一級，工程壩址位于四川省廣元市嘉陵江河段下游，樞紐工程開發(fā)任務(wù)為發(fā)電、航運(yùn)、建設(shè)城市水環(huán)境和景觀工程，并兼有提高城市防洪能力的作用。電站屬河床式開發(fā)，水庫正常蓄水位EL472.5m，總庫容6860萬m3，電站額定水頭13.4m，引水流量253.4m3/s，電站裝機(jī)容量30MW，為貫流式機(jī)組。船閘按Ⅳ級航道通行2×500t級船隊，船閘單向年過閘貨運(yùn)量近期為62萬t，遠(yuǎn)期為109萬t。樞紐工程建筑物垂直河流呈“一”字型排列，沿壩軸線自左至右依次為左岸連接壩段、船閘、泄洪沖砂閘及右岸廠房。壩軸線全長378.5m，泄洪沖砂閘閘室共13孔，單孔凈寬14m，閘壩最大高度39m。右岸廠房包括進(jìn)水口、主副廠房、開關(guān)站、尾水渠及進(jìn)廠公路等。船閘由上引航道、上閘首、閘室、下閘首和下引航道組成。

本工程合同工期為32個月，主要工程量有土石方開挖157萬m3，混凝土澆筑37萬m3，鋼筋制安6500噸，金屬結(jié)構(gòu)制作安裝3850噸，合同金額為人民幣32336.91萬元。

根據(jù)設(shè)計規(guī)劃，本工程分為兩期施工。施工導(dǎo)流采用兩期兩段分期導(dǎo)流的方式，采用土石圍堰擋水。第一期為全年圍堰導(dǎo)流，導(dǎo)流時段為2013年11月1日至2014年9月30日。一期利用束窄后的左岸河床過流，在一期全年圍堰圍的保護(hù)下進(jìn)行右岸5孔泄洪沖砂閘、右岸廠房和右岸連接壩段施工。第二期為枯期導(dǎo)流，導(dǎo)流時段為2014年10月1日至2015年4月30日，二期利用枯期圍堰圍左岸船閘、左岸8孔泄洪閘及左岸接頭壩段施工，二期枯期利用一期已建好的右岸5孔泄洪沖砂閘過流。

3、泄洪沖砂閘底板設(shè)計

泄洪沖砂閘閘室共13孔，分為7塊大底板，底板平面尺寸為37m×34m，閘底板基礎(chǔ)面設(shè)計高程為EL437m～EL443.5m，實(shí)際開挖高程為EL433m～EL443.5m，閘底板混凝土面高程為EL457m，底板混凝土厚度為24m～13.5m。閘底板中間為C10素混凝土，外包2m厚的C20混凝土。閘室單孔凈寬14m，閘墩寬3m，閘壩最大高度43m。泄洪沖砂閘段分兩期施工，一期施工右岸5#～7#塊底板（9#～13#孔）及廠房，一期施工階段混凝土澆筑工程量約19萬m3;二期施工左岸船閘及1#～4#塊底板（1#～8#孔），二期施工階段混凝土澆筑工程量約18萬m3。

4、泄洪沖砂閘底板大體積混凝土快速施工方法

一期基坑在全年圍堰的保護(hù)下進(jìn)行右岸5#～7#塊底板（9#～13#孔）及廠房段施工。2014年2月20日，完成一期圍堰高噴防滲墻施工后，進(jìn)行基坑開挖，4月10日完成一期基坑大面積開挖工作，4月14日開始進(jìn)行底板第一倉混凝土澆筑。一期施工主要難點(diǎn)在如何加快閘底板深厚層大體積混凝土施工進(jìn)度，盡快進(jìn)行閘墩混凝土施工。一期工程量較大，要實(shí)現(xiàn)2014年10月30日二期按期截流施工目標(biāo)，任務(wù)非常艱巨。由于二期基坑閘底板開挖建基面高程比一期基坑閘底板建基面高程高8m左右，所以二期閘底板施工難度比一期相對小些。要解決閘底板深厚層大體積混凝土快速施工問題，需要解決大體積混凝土溫控問題和混凝土施工高強(qiáng)度入倉等技術(shù)問題，具體采取的施工方法如下。

4.1、采取跳倉連續(xù)澆筑混凝土的施工方法

一期施工5#、6#、7#閘底板，先將閘底板基礎(chǔ)面澆筑至EL437m大面后，按照5#閘→7#閘→6#閘→5#閘底板的施工順序連續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑，即澆筑完5#閘底板倉號混凝土后，連續(xù)進(jìn)行7#閘底板混凝土澆筑;澆筑完7#閘底板倉號混凝土后，連續(xù)進(jìn)行6#閘底板混凝土澆筑;澆筑完6#閘底板倉號混凝土后，連續(xù)進(jìn)行5#閘底板混凝土澆筑;如此反復(fù)循環(huán)交替連續(xù)作業(yè)，達(dá)到澆筑倉號準(zhǔn)備在前，混凝土輪倉連續(xù)澆筑的施工狀態(tài)。

2014年10月30日截流，2014年12月30日完成二期圍堰高噴防滲墻施工，2月10日完成二期基坑開挖，2月13日開始進(jìn)行二期基坑第一倉底板混凝土澆筑。二期階段進(jìn)行1#、2#、3#、4#閘底板施工。先將閘底板基礎(chǔ)面澆筑至EL433.5m大面后，按照1#閘→3#閘→2 2#閘→4#閘→1#閘底板循環(huán)連續(xù)進(jìn)行混凝土澆筑。一期、二期階段閘室底板分塊布置圖見上圖。

4.2大體積混凝土采取的溫控措施

大體積混凝土溫控措施主要有①減少混凝土發(fā)熱量，即采取減少每立方混凝土的水泥用量、采用低流態(tài)干貧混凝土、加大骨料粒徑、大量摻加粉煤灰、摻加高效減水劑等措施;②降低混凝土入倉溫度，即采取合理安排澆筑時間、采取加冰或冰水拌合、對骨料進(jìn)行預(yù)冷等措施;③加速混凝土散熱，即采用自然散熱冷卻降溫、采用薄層澆筑以增加散熱面等措施。

由于大體積混凝土的抗壓強(qiáng)度原大于抗拉強(qiáng)度，在溫度壓應(yīng)力作用下不致破壞的混凝土，當(dāng)收到溫度拉應(yīng)力時，常因抗拉強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生裂縫。大體積混凝土溫度裂縫有細(xì)微裂縫、表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫。細(xì)微裂縫一般表面縫寬δ≦0.1～0.2mm，縫深h≦30cm;表面裂縫一般表面縫寬δ≦0.2mm，縫深h≦1m;深層裂縫一般一般表面縫寬δ≦0.2～0.4mm，縫深h=1～5m，且h﹤1/3澆筑塊寬度，縫長L﹥2m;貫穿裂縫是指從基礎(chǔ)面向上開裂且平面上貫通全倉的裂縫。當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時，需及時處理。對于閘壩內(nèi)的裂縫、空洞采用水泥灌漿處理;對于細(xì)微裂縫可采用化學(xué)灌漿處理;對于表面裂縫可采用水泥砂漿或環(huán)氧砂漿涂抹處理。為防止閘底板大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，本工程泄洪沖砂閘底板C10混凝土從配合比優(yōu)化設(shè)計出發(fā)，在混凝土中大量摻加粉煤灰、采用低流態(tài)干貧三級配混凝土，夏季對骨料倉和骨料輸送帶采用遮蓋降溫和對骨料采取灑水降溫措施，夏季采用井水拌合混凝土的降溫方法。

優(yōu)化后的C10混凝土配合比（每m3用量）：

強(qiáng)度等級 水泥等級 水灰比 砂率 坍落度mm 膠凝材料（kg） 砂（kg） 小石（kg） 中石（k

g） 大石（k

g） 減水劑（kg）

水泥 粉煤灰

C10 P.O4

2.5 0.58 35% 30～

60 142 64 714 275 413 688 1.27

4.3采用薄層澆筑方法

采用薄層澆筑混凝土其目的是：為了降低入倉混凝土的水化熱;為縮短每倉混凝土澆筑時間;為加快閘底板施工進(jìn)度。每倉澆筑高度一般控制在1.5m內(nèi)。薄層澆筑時采用平鋪法鋪料，即混凝土入倉時，從倉位短的一端向另一端鋪料，邊鋪料邊振搗，鋪滿一層振搗一層后，再鋪下一層，逐層鋪填，直至把整個倉位澆筑至收倉高程?；炷翝仓捎?5噸自卸汽車運(yùn)輸，倉內(nèi)搭設(shè)可拆式鋼棧橋，以便混凝土運(yùn)輸入倉，利用CAT329型18m長臂挖掘機(jī)平倉，人工配合振搗的方式施工。

每層混凝土鋪料厚度的計算：

每層混凝土鋪料厚度應(yīng)滿足T1≧T2。

T1—混凝土允許間隔時間（min），受混凝土澆筑時的氣溫和水泥品種的影響，當(dāng)澆筑時溫度為5°～10°時，普通硅酸鹽水泥取195min;當(dāng)澆筑時溫度為11°～20°時，普通硅酸鹽水泥取135min;當(dāng)時澆筑為21°～30°時，普通硅酸鹽取90min。設(shè)計要求取澆筑溫度11°～20°，采用普通硅酸鹽水泥，T1則取135min。

T2—混凝土鋪料層間間隔時間（min），是指混凝土自拌合樓出機(jī)口到覆蓋上一層混凝土為止，取極限值T1=T2保守計算。

T1=Min（t1，t2），t1為混凝土初凝時間，t1與水泥品種、外加劑摻用情況、澆筑氣候條件、混凝土保溫措施等均有一定的關(guān)系。經(jīng)試驗(yàn)測定，本工程用的普通硅酸鹽水泥混凝土為220min;t2為混凝土溫控要求的時間，一般大于混凝土初凝時間。所以取T1=220min。

T2=t3+BLH/NP，式中t3為入倉時間，是指混凝土自拌合樓出機(jī)口到倉內(nèi)入倉的時間，本工程HZS120混凝土拌和系統(tǒng)至施工現(xiàn)場運(yùn)距為1km，經(jīng)計算t3為20min;B為倉內(nèi)寬度，取設(shè)計寬度34m;L為倉內(nèi)長度，取設(shè)計長度37m;N為攪拌機(jī)臺數(shù)，本工程配置鄭州水工機(jī)械廠生產(chǎn)的3套HZS120混凝土拌和系統(tǒng)，N取3臺;P為單臺拌合系統(tǒng)生成能力，HZS120系統(tǒng)平均生成能力按額定生產(chǎn)能力120m3/h的60%計算，故取P為72m3/h。

由此計算出H=（T2-t3）×NP/BL=32cm，即計算出的每層鋪料厚度為32cm。閘底板混凝土澆筑時，每層鋪料厚度按30cm控制。

在施工過程中，T2（層間間隔時間）>T1（初凝時間）時，說明混凝土已經(jīng)初凝，混凝土?xí)霈F(xiàn)冷縫，這樣會使混凝土層間抗?jié)B、抗剪和抗拉強(qiáng)度明顯降低，影響混凝土功能。此時應(yīng)采取的改進(jìn)措施為：①加大混凝土運(yùn)輸澆筑能力，縮短混凝土入倉時間;②減小B和L的尺寸，即減小澆筑倉內(nèi)長度和寬度;③改變工藝，考慮采用臺階法和斜層澆筑法入倉;④摻加混凝土外加劑，以延長混凝土的初凝時間。

當(dāng)采用臺階法澆筑時，從澆筑倉位短的一端向另一端鋪料，邊前進(jìn)邊加高，逐層鋪料前進(jìn)，并形成明顯的臺階狀，直到把整個倉面鋪料澆筑到收倉高程為止。臺階法澆筑鋪料厚度一般為30～50cm，臺階寬度應(yīng)大于1.0m，長度應(yīng)大于2～3m，坡度不大于1：2。也可采用斜層法鋪料澆筑，斜層澆筑法就是在澆筑倉面，從一端向另一端推進(jìn)，推進(jìn)過程中及時覆蓋，以免出現(xiàn)裂縫。斜層坡度應(yīng)不超過10°，否則在平倉振搗時易使砂漿流失，骨料分離，下層已澆筑的混凝土也可能產(chǎn)生錯動。

混凝土振搗是振動搗實(shí)的簡稱，它是保證混凝土澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵工序，振搗的目的是盡可能減少混凝土中的空隙，以清除混凝土內(nèi)部的孔洞，并使混凝土與模板，鋼筋及埋件緊密結(jié)合，從而保證混凝土的最大密實(shí)度，提高混凝土質(zhì)量。本工程采用100型高頻振搗棒。振搗棒應(yīng)快插，慢拔。插入過慢，上部混凝土先搗實(shí)，就會阻止下部混凝土中的空氣和多余的水分向上逸出;拔得過快，周圍混凝土來不及填鋪振搗棒留下的孔洞，將在每一層混凝土的上半部留下只有砂漿而無骨料的砂漿柱，影響混凝土的強(qiáng)度。為使上下層混凝土振搗密實(shí)均勻，可將振搗棒上下抽動，抽動幅度為5～10cm。振搗棒的插入深度，在振搗第一層混凝土?xí)r，以振搗器頭部不碰到基巖或老混凝土面，但相距不超過5cm為宜;振搗上層混凝土?xí)r，則應(yīng)插入下層混凝土5cm左右，使上下兩層結(jié)合良好。

4.4閘底板采用現(xiàn)澆C10后澆C20混凝土的方法

根據(jù)設(shè)計要求，泄洪沖砂閘閘底板中間為C10素混凝土，外包2m厚的C20鋼筋混凝土。為加快混凝土施工進(jìn)度，采取現(xiàn)澆C10素混凝土，后澆C20鋼筋混凝土的方法施工。為使C10素混凝土與C20鋼筋混凝土接觸良好，澆筑C10混凝土?xí)r，在下游面采用預(yù)留臺階的方法，即使相鄰兩倉C10混凝土間形成1.5m的臺階，臺階面按照施工縫面鑿毛處理，直立面埋設(shè)Φ25@1m×1m的連接鋼筋。上游面為直立面，不預(yù)留臺階，C20混凝土緊隨C10混凝土倉位進(jìn)行施工，以利于回填上游側(cè)基坑，形成上游施工交通通道。

5、施工總結(jié)

嘉陵江上石盤電航綜合樞紐工程泄洪沖砂閘采用薄層跳倉連續(xù)進(jìn)行底板混凝土澆筑，一期完成5#、6#、7#塊泄洪沖砂閘底板混凝土施工，4月14日開始進(jìn)行第一倉底板混凝土施工，至5月30日完成5#、6#、7#塊共38倉混凝土施工，完成混凝土澆筑78870m3，為2014年10月30日按期截流打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。二期進(jìn)行1#、2#、3#、4#塊泄洪閘底板混凝土施工，2015年3月14日開始進(jìn)行二期第一倉底板混凝土澆筑，4月12日完成1#～4#塊共41倉底板混凝土施工，完成混凝土澆筑52458m3，確保了二期安全度汛目標(biāo)按期實(shí)現(xiàn)。

本工程閘底板大體積混凝土采用跳倉連續(xù)澆筑施工方法，大大加快了施工進(jìn)度，確保了各節(jié)點(diǎn)施工目標(biāo)的按期實(shí)現(xiàn)。采用薄層平鋪法澆筑混凝土，每層鋪料厚度為30cm，有效地降低了入倉混凝土的水化熱，避免采用預(yù)埋水管冷卻混凝土，大大節(jié)約了冷卻混凝土施工成本;為縮短每倉混凝土澆筑時間;為加快閘底板施工進(jìn)度;為類似工程防滲施工提供借鑒和成功經(jīng)驗(yàn)。