梅河倒虹吸施工期高温季节温控防裂研究

□周建平 □刘福友 □梁 峰(中国水利水电第七工程局有限公司)

□张 文（新安县水利局）

倒虹吸管身段属水工薄壁混凝土结构，据以往同类工程的经验，薄壁结构混凝土很容易在早期温升和后期温降阶段产生温度和收缩裂缝，特别是结构长度方向的中间部位易出现“上不着顶、下不着底”、“中间宽、两端尖”的“枣核形”竖直型斜缝，甚至有时会出现多条裂缝。针对南水北调工程梅河倒虹吸的工程特点，进行倒虹吸温度场和应力场的有限单元法数值仿真的建模和计算。

梅河渠道倒虹吸管身段共分14节，单孔结构尺寸为7.0m×6.75m（宽×高），横向共4孔，分为两联，一联2孔的箱形钢筋混凝土结构，两联中间设2cm宽沉陷缝。倒虹吸边墙厚度采用1.2m，中墙厚1.1m，缝墙1.2m，底板厚1.3m，顶板厚1.3m，为解决应力集中问题，在倒虹吸顶、底板与边墙及中墙交接部位设置0.5m×0.5m贴角。为尽量减少水头损失，在倒虹吸进口顶部设圆弧，倒虹斜管与水平段采用折管连接，抹角。倒虹吸管身段混凝土标号均采用C30。

1.仿真计算基础资料

1.1 混凝土配合比

混凝土以监理批准的混凝土配合比进行拌制，结合砂子的细度模数、砂石料的实际含水量，混凝土拌和严格按实际施工配料单进行，控制配料称量偏差不得超出规范允许范围，对含气量、温度、水胶比等按相关规范进行检查，施工过程中设专人检查并做好记录。拌和时间不得少于规范要求，在拌和站出机口应对混凝土温度及塌落度进行检测记录，及时调整，不合格混凝土料不允许使用，初始混凝土配合比见表1，其微调暂不考虑对热学性能的影响。

表1 C30W 6F150初始混凝土配合比表

1.2 力学参数

由于缺乏实测的混凝土物理力学性能，凭经验取混凝土弹性模量计算式为（GPa）：

混凝土抗拉强度计算式为（MPa）：

后文中的允许抗拉强度为抗拉强度除以1.65的安全系数所得。

混凝土自生体积变形取为，（单位为：×10-6）

泊松比μ：0.22025

密度ρ：2376kg/m3

徐变度：（106/MPa），由于缺少试验资料，按朱伯芳的经验公式选取。

2.计算模型

2.1 计算区域

管身水平投影总长180m。倒虹吸管身段共分14节，单孔结构尺寸为7.0m×6.75m（宽×高），横向共4孔，分为两联，一联2孔的箱形钢筋混凝土结构，两联中间设2cm宽沉陷缝。倒虹吸边墙厚度采用1.2m，中墙厚1.1m，缝墙1.2m，底板厚1.3m，顶板厚1.3m，为解决应力集中问题，在倒虹吸顶、底板与边墙及中墙交接部位设置0.5m×0.5m贴角。

图1 管身段横截面图（cm）

2.2 单元划分

根据施工浇筑过程的特点，对计算区域进行单元划分，见图2。

图2 计算网格图

3.计算工况

根据梅河倒虹吸施工措施方案中的施工分层，本文在对分两层混凝土施工时的工况进行了详细的仿真计算，模板均采用定型钢模。

工况1：夏季浇筑，开始浇筑时刻为6月1日，无任何温控措施。墩墙、底板2d拆模，顶板10d左右拆模。混凝土浇筑完毕后5d之内，考虑昼夜温差10℃。计算时，考虑到在输送和振捣过程中混凝土的温度会有所上升，浇筑温度为环境温度的基础上加5℃。

工况2：两层的施工间歇面采用两层农用塑料膜包裹上5mm厚工业毛毡保温5d后掀除，墩墙表面、顶板的底面及顶板、底板的侧面采用钢模板外贴1cm厚泡沫板保温5d后连同模板一起拆除。其它情况同工况1。（以下工况中所采用工业毛毡保温时都是指在其上下表面包裹两层塑料膜，采用泡沫板保温时是指在钢模板外表面粘贴一定厚度的泡沫板，不再赘述。）

工况3：底板顶面及底板与墩墙之间的间歇面采用1cm厚工业毛毡，底板侧面采用1cm厚泡沫板，保温6d后保温措施连同模板一起拆除。墩墙表面采用1cm厚泡沫板，墩墙与顶板之间的间歇面采用1cm厚工业毛毡，保温5d后保温措施连同模板一起拆除。顶板顶面采用1.5cm厚工业毛毡，其侧面及底面采用1cm厚泡沫板，保温6d后保温措施连同模板一起拆除。其它情况同工况1。

工况4：每层混凝土浇筑完毕2d后遭遇为期5d、1d内降温15℃，低温持续3d，然后在一天内恢复正常温度的“U”型寒潮。寒潮期间昼夜温差相对较小，不再计入昼夜温差的影响。表面保温措施同工况3，但是保温时间延长，都保温到每次寒潮结束的时刻，即底板、墩墙及顶板都保温7d。其它情况同工况1。

根据仿真计算结果，混凝土表面裸露时，其早期表面拉应力超出了混凝土的抗拉强度，容易导致开裂。采用泡沫板保温7d再拆模可以保证早期不出现裂缝。但为了不影响工期，保证3d拆模的进度，采用模板外侧贴泡沫板3d，仓面覆盖草袋7d的温控措施后，使得表面拉应力降至较为安全的范围之内。这说明即使在高温季节，环境温度相对较高时，只有适当的进行表面保温的力度，才能避免开裂的出现。

4.温控防裂措施

4.1 配合比优化

优化混凝土的配合比和掺纤维、外加剂等可有效降低混凝土绝热温升、减少自生体积收缩变形量，同时可有效提高混凝土自身温控防裂能力。建议施工用配合比进一步进行相关优化（可作为科研后续工作）。

4.2 浇筑温度

控制浇筑温度可降低混凝土的温度峰值，减少结构基础温差。根据南水北调相关规范要求，高温季节混凝土的浇筑温度不宜超过26℃，低温季节浇筑温度不低于5℃。根据同类工程经验，入仓温度直接决定了混凝土的基础温差，即规范允许范围内混凝土的浇筑温度应尽可能低。

对中小型工程而言，过于严格的浇筑温度控制指标并不经济，建议混凝土浇筑过程中，通过经济可行的措施控制混凝土的浇筑温度，尤其是高温季节，应采用冰水冲洗和冰片拌和等措施，控制混凝土的浇筑温度。

4.3 内外温差

内外温差是混凝土表面裂缝产生的主要原因。早期，水化放热导致混凝土内部温度较高，散热较快的混凝土表面温度相对较低，混凝土存在内外温差。加之早期混凝土强度较低，较大的内外温差很容易导致表面混凝土拉裂，产生表面裂缝。后期，随着混凝土内部温度降低，内外温差减小，混凝土表面裂缝产生的可能性较小。但若遭遇寒潮或较大昼夜温差时表面保温不严，混凝土表面同样容易被拉裂。

根据同类工程经验，高温季节施工时控制槽身混凝土内外温差在20℃以内。根据同类工程经验，同时为提高混凝土的抗裂安全度，建议施工中对混凝土进行表面保温覆盖，即在钢模板表面覆盖聚乙烯苯板及其他相应保温措施，将混凝土的内外温差控制在15℃左右。

5.结论

可靠的仿真计算结果是建立在准确的初始条件、边界条件和施工方法基础上的，因此温控防裂方案的制定建立在对具体工程研究分析基础上。将仿真计算结果与实际情况进行对比，及时修正模型参数，更正温控指南，才能为后续施工提供更为可靠、合理的指导。混凝土温控防裂是一个综合性的系统工程，除了防止混凝土裂缝外，还要保证不影响施工进度、浇筑计划，同时也得兼顾经济条件和人员安排等因素。所以，要做好温控防裂工作，唯有业主、设计、监理、施工以及科研等各方共同努力，及时沟通和交流问题，才能达到最终保证工程不裂或者基本不裂的目的。

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