三峡工程永久船闸混凝土温控设计

黎汝潮

摘要：三峡永久船闸结构复杂，孔洞多，受气温变化影响大。三峡地区气候炎热，气温骤降频繁，极易引起混凝土温度裂缝。同时，块体厚度较薄，基础约束区设计允许最高温度低，混凝土温控防裂有很大难度。为此设计进行合理分缝分块，确定混凝土主要设计指标和温度控制标准是十分必要的。

关键词：永久船闸；温度控制；设计；最高温度

1 工程概况

三峡工程双线五级永久船闸分为梯级船闸，输水系统，上、下游引航道等，混凝土总量为472.02万m3。计划2003年6月通航。

1.1 梯级船闸

梯级船闸全长1607m(不包括上、下游引航道)，从上游至下游共分为5个梯段，由5个闸室和6个闸首组成。各级闸首长度为39～70m，闸室有效尺寸一般为268×34×5m(长×宽×坎上水深)。边墙与底板为分离式结构，呈双U形，混凝土工程量为281.46万m3，占混凝土总量的59.6%。

6个闸首除第1级K为70m和第6级长56m外，其余各闸首长41.5m。闸首边墙为重力式结构，最大高度为68.8m，墙体厚12～14m。第1闸首边墙顺流向分为3块，最大尺寸为30m。底板同样分成3块，分缝尺寸与边墙基本相同，底板厚度为5～10m。其它闸首底板分为2块，块体顺流向长约21～22m，闸首边墙顺流向分缝尺寸与底板类似。

闸室边墙紧贴在开挖后并已加固好的高边坡岩体，顺流向分块尺寸为12.0m左右，闸室底板厚5.0～8.0m；顺流向最大分块尺寸为24.0m。底板下部设有2～3孔输水廊道，底板顶部没有充水出口，为框架结构。

1.2 输水系统

永久船闸输水系统由输水隧洞、竖井、下游旁侧泄水等建筑物组成，混凝土工程量为81.68万m3。4条输水隧洞主要结构为城门洞形，宽5m，高6.0～6.7m。

梯级船闸共有24个竖井，竖井最大高度为88.0m，竖井主要结构形式为矩形。

旁侧泄水箱涵混凝土量为21.0万m3。

1.3 其它建筑物

主要包括第一闸首两侧的挡水坝、进水口、引航道及靠船墩等。混凝土量为109.4万m3，占总量的22.7%。

2 温控设计基本资料

2.1 气象资料

2.1.1 气温

坝址三斗坪气象站1959年4月至1968年4月实测资料，多年年平均气温为17.3℃，多年各月(旬)平均气温见表1。

表1 三斗坪多年各月、旬平均气温

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
上旬	6.1	6.5	10.3	14.9	20.1	25.0	27.6	28.7	25.3	19.7	14.2	8.2
中旬	6.1	7.5	13.1	16.6	21.7	26.3	29.6	27.8	23.0	18.2	13.0	7.1
下旬	5.8	8.3	13.0	19.2	23.1	26.5	29.0	27.5	21.8	16.7	9.8	5.8
月平均	6.0	7.4	12.1	16.9	21.7	26.0	28.7	28.0	23.4	18.1	12.3	7.0

2.1.2 水温

宜昌水文站1958～1987年实测水温资料，多年平均水温为17.9℃。

2.2 混凝土主要设计指标

2.2.1 混凝土原材料、标号

胶凝材料为525#中热水泥掺Ⅰ级粉煤灰，骨料为闪云斜长花岗岩碎石和下岸溪人工砂，外加剂为zB-1A，各种主要标号混凝土的配合比详见表2。

表2 永久船闸混凝土标号及主要设计指标

部位		设计标号	级配	限制最大 水胶比	极限拉伸值 (×10-4)		抗冻	抗渗
					28d	90d
	外部	R90250#	3	0.45	≮0.80	≮0.85	D250	S10
闸首边墙				0.55	≮0.80	≮0.85	D150	S8
	内部	R90200#	3、4	0.6	≮0.75	≮0.80	D150	S6～8
闸首底板		R90250#	3	0.45	≮0.80	≮0.85	D250	S10
闸室衬砌墙		R28250#	3	0.55	≮0.85		D150	S8
		R28250#	3	0.55	≮0.85		D150	S8
闸室底板		R28300#	3	0.5	≮0.85		D150	S8
	竖井段衬	R28400#	2	≤0.38/0.42	≥0.88	≥0.90	D150	S8
	砌混凝土	R28350#
输水隧洞	标准段衬	R28300#	2	≤0.45	≥0.85	≥0.88	D150	S8
	砌混凝土
竖井		R28250#	2	≤0.55	≥0.80	≥0.85	D150	S8
泄水箱涵		R28250#	2	≤0.55	≥0.80	≥0.85	D150	S8
施工支洞回填混凝土		R28250#	2、3	≤0.55	≥0.80	≥0.85	D150	S8

2.2.2 混凝土力学及热学性能

花岗岩人工骨料混凝土热学性能见表3。

表3 混凝土热学性能

导温系数 (m2/h)	导热系数 (W/m·℃)	比热 (J/kg·℃)	线膨胀系数 (×10-5/℃)
0.003471	2.50	959	0.85

2.2.3 胶凝材料水化热

葛洲坝水泥厂生产的525#中热水泥掺Ⅰ级粉煤灰并掺ZB-1A型减水剂，胶凝材料水化热见表4。

表4 胶凝材料水化热 kJ/kg

No.	掺灰量	ZB-1A	1h	2h	3h	24h	50h	72h	90h	120h	140h	168h
1	0	0.5%	18.7	21.0	21.3	124	193	222	238	256	262	268
2	20%	0.5%	17.0	18.8	19.6	72	150	180	197	219	228	238
3	30%	0.5%	13.7	14.8	16.7	85	153	178	192	209	219	228
4	40%	0.5%	11.2	12.2	13.2	46	123	149	162	177	184	191

3 分缝分块及设计允许最高温度

3.1 分缝分块

3.1.1 船闸主体段

永久船闸主体段全长1621m，闸室宽34m，船闸的底板和边墙为分离式结构。船闸底板一般设两条顺流向缝，缝距30m，将底板与边墙分离。一闸首底板的上游第1、2块考虑到无检修条件，在底板小央位置设置一条顺流向结构缝。此外，一闸首下游侧第4块，第2、3、4闸首底板的上游第1块及下游侧第3块，第5闸首底板的上游第1块及下游侧第3、4块，各闸室底板上游侧1～4块和下游侧第16～19块，因需在夏季浇筑，施工时在底板中央增设了一条顺流向结构缝，浇筑块长边尺寸相应缩小为15m。

第1闸首边墙设两条垂直流向缝，将边墙分为30m、15.7m、24.3m3块；第2、3闸首边墙各设1条垂直流向缝，将边墙分为24.8m及18.7m2块；第4闸首边墙设一条垂直流向缝，将边墙分为22.8m及18.7m2块；第5闸首边墙设2条垂直流向缝，将边墙分为22.8m、15.0m及15.0m3块(其中北边墙结合地质处理加长至28.2m)。第1闸首底板设3条垂直流向缝，将底板分为15m、20m、19m及14m4块；第2闸首底板设一条垂直流向缝，将底板分为24.8m及12.5m2块，第3、4闸首底板均设2条垂直流向缝，将底板分为11.5m、18.5m及12.5m3块；第5闸首底板设3条垂直流向缝，将底板分为11.5m、18.5m、12.5m及12.5m4块；第6闸首设3条垂直流向缝，将边墙和底板分为16.71m、22.29m、17m及16m4块。各闸室边墙和底板均设垂直流向缝，缝距一般为12m，个别块可达24m。

第1、5、6闸首边墙厚14～30m；第2、3、4闸首边墙厚14m；闸室衬砌墙厚1.5～2.1m；闸首和闸室底板厚5～7m。

3.1.2 地下输水系统

地下输水隧洞标准段长度12m，阀门井段最大段长为21.4m。隧洞为城门洞形，宽5m，高5～7m，竖井最大高度为88m。南坡及北坡输水隧洞标准段衬砌混凝土壁厚60cm，阀门井附近可达100cm。中隔墩输水隧洞为双洞，标准段最小衬砌厚100cm，双洞间混凝土厚150cm，阀门井附近衬砌混凝土壁厚120cm，双洞间混凝土厚可达500cm。泄水箱涵为双孔9.6m×9.6m方形涵管，厚度约为1.5m，标准段长15m。

3.1.3 上游挡水坝

坝段宽度20m左右，不设纵缝。坝块顺水流向最大尺寸30m。

3.2 准稳定温度

永久船闸闸墙和底板一般可简化为半无限体或无限平板两种类型，地面建筑物以施工期准稳定温度控制，船闸输水洞衬砌混凝土以运行初期准稳定温度控制。不同厚度半无限体、无限平板准稳定温度见表4、表5和表6。

表5 气温环境半无限体施工期最低温度

厚度(m)	2	4	6	8	10	12	14	16
温度(℃)	9.0	11.2	12.9	14.0	14.7	15.2	15.5	15.8

表6 运行期水温环境半无限平板及无限平板最低温度

项目	半无限平板最低温度						无限平板最低温度
厚度(m)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
温度(℃)	10.9	11.5	12.0	12.4	12.8	9.7	9.7	9.7	9.8	9.8

表7 永久船闸地面建筑物各部位施工期最低温度

			闸室					闸首
部位
	边墙		底板		边墙			底板
厚度(m)	1.5	2.0	5.3	6.4	12	14	16	4	5.3
温度(℃)	8.3	9.0	12.3	13.1	15.2	15.5	15.8	11.2	12.3

注：①L为浇筑块长边尺寸。

②闸室底板增设分缝后允许最高温度放宽2～4~C。

③填塘、陡坡混凝土必须冷却至18～20℃方可上升。

输水隧洞混凝土设计允许最高温度为34～36℃以内(双洞取低值)；竖井混凝土允许最高温度为32℃；泄水箱涵底板允许最高温度为26℃，边墙和顶板允许最高温度为30℃。考虑到输水隧洞和竖井混凝土胶凝材料用量大，参照专家意见，经三峡总公司决定输水隧洞和竖井设计允许最高温度不作为温控质量主要评定标准，控制输水隧洞和竖井浇筑温度不大于16～18℃。

表8 设计允许最高温度

						月份
	部位		区域
				12～2	3、11	4、10	5、9	6～8
闸		厚度<13m	0～0.2L	24	28	30	30	30
首	边		0.2～0.4L	24	28	31	32	32
	墙		>0.4L	24	28	31	34	34
			0～0.2L	24	28	31	31	31
		厚度≥13m	0.2～0.4L	24	28	31	33	33
			>0.4L	24	28	31	34	35
		厚度<6m		24	28	29(31)	29(32)	29(32)
底		厚度6～8m		24	28	30(31)	30(32)	30(32)
板		厚度>8m	0～0.2L	24	28	31	31(33)	31(33)
		衬砌墙	> 0.2L	24	28	31	34	34
			0～0.2L	25	30	32	32	32
			>0.2L	25	30	32	34	34
闸		重力墙	0～0.4L	24	28	31	34	34
			> 0.4L	24	28	31	34	36
室	底	厚度<6m		24	28	29	29	29
	板	厚度6～8m		24	28	30	30	30
			0～0.2L	24	28	31	31	31
		厚度> 8m	>0.2L	24	28	31	34	34

3.3.2 温控措施

(1)在进行混凝土配合比设计和混凝土施工时除应满足标书及有关设计文件规定的混凝土标号、抗冻、抗渗、极限拉伸值等主要设计指标和混凝土均质性指标。同时，应加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。

(2)应采取必要的温控措施，使块体实际出现的最高温度不超过块体设计允许最高温度。其有效措施是降低混凝土浇筑温度和减少胶凝材料的水化热温升。

(3)合理选择浇筑层厚及间歇期、合理安排施工程序及施工进度、合理安排各部位混凝土浇筑时间、混凝土浇筑力争短间歇连续上升等有效措施，使混凝土最高温度控制在设计允许最高温度范围内。

(4)通水冷却是混凝土温度控制的有效措施之一，各阶段的通水冷却有着不同的目的和要求：初期通水是削减浇筑层水化热温升的有效措施之一。中期通水是削减坝体内外温差的有效措施之一，后期通水是使混凝土柱状块达到接缝灌浆温度的必要措施。

(5)施工期间对已建建筑物进行洒水养护。必要时对新浇混凝土表面必须进行保温保护。

[作者简介]

作者简介：长江委三峡代表局施工处工程师。