大体积混凝土薄层跳仓快速施工方法的研究与应用

王利

1、前言

我国《大体积混凝土施工规范GB 50496-2009》对大体积混凝土作出的定义是：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。“大体积混凝土”最早出现在水利水电工程中，许多水利水电建设科研工作者对大体积混凝土做了大量细致的科学研究，发展至今，从理论到施工方法已比较成熟，并形成了相应的规定。早在1933年—1936年，美国建成的大苦果重力坝，混凝土浇筑工程量已达到250多万m3，我国建成的举世瞩目的长江三峡大坝，混凝土浇筑工程量达到2800万m3，是葛洲坝大坝混凝土工程量的2—3倍，使我国在大体积混凝土施工技术方面取得了重大成功，为我国建设大体积混凝土高坝奠定了坚实基础。

一般不能以截面尺寸来简单判断是否大体积混凝土，实际施工中，有些砼厚度达到1m，但也不属于大体积混凝土的范畴，有些混凝土虽然厚度未达到1m，但水化热却较大，不按大体积混凝土的技术标准施工，也会造成结构裂缝。大体积混凝土与普通混凝土的区别表面上看是厚度不同，但其实质的区别是由于混凝土中水泥水化要产生热量，大体积混凝土内部的热量不如表面的热量散失得快，造成内外温差过大，其所产生的温度应力可能会使混凝土开裂。因此判断是否属于大体积混凝土既要考虑厚度这一因素，又要考虑水泥品种、强度等级、每立方米水泥用量等因素，比较准确的方法是通过水泥水化热所引起的混凝土的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25℃时，其所产生的温度应力将会小于混凝土本身的抗拉强度，不会造成混凝土的开裂，当差值大于25℃时，其所产生的温度应力有可能大于混凝土本身的抗拉强度，造成混凝土的开裂，此时就可判定该混凝土属大体积混凝土。

2、工程介绍

嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程属嘉陵江干流四川广元至苍溪河段梯级开发的第一级，工程坝址位于四川省广元市嘉陵江河段下游，枢纽工程开发任务为发电、航运、建设城市水环境和景观工程，并兼有提高城市防洪能力的作用。电站属河床式开发，水库正常蓄水位EL472.5m，总库容6860万m3，电站额定水头13.4m，引水流量253.4m3/s，电站装机容量30MW，为贯流式机组。船闸按Ⅳ级航道通行2×500t级船队，船闸单向年过闸货运量近期为62万t，远期为109万t。枢纽工程建筑物垂直河流呈“一”字型排列，沿坝轴线自左至右依次为左岸连接坝段、船闸、泄洪冲砂闸及右岸厂房。坝轴线全长378.5m，泄洪冲砂闸闸室共13孔，单孔净宽14m，闸坝最大高度39m。右岸厂房包括进水口、主副厂房、开关站、尾水渠及进厂公路等。船闸由上引航道、上闸首、闸室、下闸首和下引航道组成。

本工程合同工期为32个月，主要工程量有土石方开挖157万m3，混凝土浇筑37万m3，钢筋制安6500吨，金属结构制作安装3850吨，合同金额为人民币32336.91万元。

根据设计规划，本工程分为两期施工。施工导流采用两期两段分期导流的方式，采用土石围堰挡水。第一期为全年围堰导流，导流时段为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过流，在一期全年围堰围的保护下进行右岸5孔泄洪冲砂闸、右岸厂房和右岸连接坝段施工。第二期为枯期导流，导流时段为2014年10月1日至2015年4月30日，二期利用枯期围堰围左岸船闸、左岸8孔泄洪闸及左岸接头坝段施工，二期枯期利用一期已建好的右岸5孔泄洪冲砂闸过流。

3、泄洪冲砂闸底板设计

泄洪冲砂闸闸室共13孔，分为7块大底板，底板平面尺寸为37m×34m，闸底板基础面设计高程为EL437m～EL443.5m，实际开挖高程为EL433m～EL443.5m，闸底板混凝土面高程为EL457m，底板混凝土厚度为24m～13.5m。闸底板中间为C10素混凝土，外包2m厚的C20混凝土。闸室单孔净宽14m，闸墩宽3m，闸坝最大高度43m。泄洪冲砂闸段分两期施工，一期施工右岸5#～7#块底板（9#～13#孔）及厂房，一期施工阶段混凝土浇筑工程量约19万m3;二期施工左岸船闸及1#～4#块底板（1#～8#孔），二期施工阶段混凝土浇筑工程量约18万m3。

4、泄洪冲砂闸底板大体积混凝土快速施工方法

一期基坑在全年围堰的保护下进行右岸5#～7#块底板（9#～13#孔）及廠房段施工。2014年2月20日，完成一期围堰高喷防渗墙施工后，进行基坑开挖，4月10日完成一期基坑大面积开挖工作，4月14日开始进行底板第一仓混凝土浇筑。一期施工主要难点在如何加快闸底板深厚层大体积混凝土施工进度，尽快进行闸墩混凝土施工。一期工程量较大，要实现2014年10月30日二期按期截流施工目标，任务非常艰巨。由于二期基坑闸底板开挖建基面高程比一期基坑闸底板建基面高程高8m左右，所以二期闸底板施工难度比一期相对小些。要解决闸底板深厚层大体积混凝土快速施工问题，需要解决大体积混凝土温控问题和混凝土施工高强度入仓等技术问题，具体采取的施工方法如下。

4.1、采取跳仓连续浇筑混凝土的施工方法

一期施工5#、6#、7#闸底板，先将闸底板基础面浇筑至EL437m大面后，按照5#闸→7#闸→6#闸→5#闸底板的施工顺序连续进行混凝土浇筑，即浇筑完5#闸底板仓号混凝土后，连续进行7#闸底板混凝土浇筑;浇筑完7#闸底板仓号混凝土后，连续进行6#闸底板混凝土浇筑;浇筑完6#闸底板仓号混凝土后，连续进行5#闸底板混凝土浇筑;如此反复循环交替连续作业，达到浇筑仓号准备在前，混凝土轮仓连续浇筑的施工状态。

2014年10月30日截流，2014年12月30日完成二期围堰高喷防渗墙施工，2月10日完成二期基坑开挖，2月13日开始进行二期基坑第一仓底板混凝土浇筑。二期阶段进行1#、2#、3#、4#闸底板施工。先将闸底板基础面浇筑至EL433.5m大面后，按照1#闸→3#闸→2 2#闸→4#闸→1#闸底板循环连续进行混凝土浇筑。一期、二期阶段闸室底板分块布置图见上图。

4.2大体积混凝土采取的温控措施

大体积混凝土温控措施主要有①减少混凝土发热量，即采取减少每立方混凝土的水泥用量、采用低流态干贫混凝土、加大骨料粒径、大量掺加粉煤灰、掺加高效减水剂等措施;②降低混凝土入仓温度，即采取合理安排浇筑时间、采取加冰或冰水拌合、对骨料进行预冷等措施;③加速混凝土散热，即采用自然散热冷却降温、采用薄层浇筑以增加散热面等措施。

由于大体积混凝土的抗压强度原大于抗拉强度，在温度压应力作用下不致破坏的混凝土，当收到温度拉应力时，常因抗拉强度不够而产生裂缝。大体积混凝土温度裂缝有细微裂缝、表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。细微裂缝一般表面缝宽δ≦0.1～0.2mm，缝深h≦30cm;表面裂缝一般表面缝宽δ≦0.2mm，缝深h≦1m;深层裂缝一般一般表面缝宽δ≦0.2～0.4mm，缝深h=1～5m，且h﹤1/3浇筑块宽度，缝长L﹥2m;贯穿裂缝是指从基础面向上开裂且平面上贯通全仓的裂缝。当混凝土出现裂缝时，需及时处理。对于闸坝内的裂缝、空洞采用水泥灌浆处理;对于细微裂缝可采用化学灌浆处理;对于表面裂缝可采用水泥砂浆或环氧砂浆涂抹处理。为防止闸底板大体积混凝土产生温度裂缝，本工程泄洪冲砂闸底板C10混凝土从配合比优化设计出发，在混凝土中大量掺加粉煤灰、采用低流态干贫三级配混凝土，夏季对骨料仓和骨料输送带采用遮盖降温和对骨料采取洒水降温措施，夏季采用井水拌合混凝土的降温方法。

优化后的C10混凝土配合比（每m3用量）：

强度等级 水泥等级 水灰比 砂率 坍落度mm 胶凝材料（kg） 砂（kg） 小石（kg） 中石（k

g） 大石（k

g） 减水剂（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采用薄层浇筑方法

采用薄层浇筑混凝土其目的是：为了降低入仓混凝土的水化热;为缩短每仓混凝土浇筑时间;为加快闸底板施工进度。每仓浇筑高度一般控制在1.5m内。薄层浇筑时采用平铺法铺料，即混凝土入仓时，从仓位短的一端向另一端铺料，边铺料边振捣，铺满一层振捣一层后，再铺下一层，逐层铺填，直至把整个仓位浇筑至收仓高程。混凝土浇筑采用25吨自卸汽车运输，仓内搭设可拆式钢栈桥，以便混凝土运输入仓，利用CAT329型18m长臂挖掘机平仓，人工配合振捣的方式施工。

每层混凝土铺料厚度的计算：

每层混凝土铺料厚度应满足T1≧T2。

T1—混凝土允许间隔时间（min），受混凝土浇筑时的气温和水泥品种的影响，当浇筑时温度为5°～10°时，普通硅酸盐水泥取195min;当浇筑时温度為11°～20°时，普通硅酸盐水泥取135min;当时浇筑为21°～30°时，普通硅酸盐取90min。设计要求取浇筑温度11°～20°，采用普通硅酸盐水泥，T1则取135min。

T2—混凝土铺料层间间隔时间（min），是指混凝土自拌合楼出机口到覆盖上一层混凝土为止，取极限值T1=T2保守计算。

T1=Min（t1，t2），t1为混凝土初凝时间，t1与水泥品种、外加剂掺用情况、浇筑气候条件、混凝土保温措施等均有一定的关系。经试验测定，本工程用的普通硅酸盐水泥混凝土为220min;t2为混凝土温控要求的时间，一般大于混凝土初凝时间。所以取T1=220min。

T2=t3+BLH/NP，式中t3为入仓时间，是指混凝土自拌合楼出机口到仓内入仓的时间，本工程HZS120混凝土拌和系统至施工现场运距为1km，经计算t3为20min;B为仓内宽度，取设计宽度34m;L为仓内长度，取设计长度37m;N为搅拌机台数，本工程配置郑州水工机械厂生产的3套HZS120混凝土拌和系统，N取3台;P为单台拌合系统生成能力，HZS120系统平均生成能力按额定生产能力120m3/h的60%计算，故取P为72m3/h。

由此计算出H=（T2-t3）×NP/BL=32cm，即计算出的每层铺料厚度为32cm。闸底板混凝土浇筑时，每层铺料厚度按30cm控制。

在施工过程中，T2（层间间隔时间）>T1（初凝时间）时，说明混凝土已经初凝，混凝土会出现冷缝，这样会使混凝土层间抗渗、抗剪和抗拉强度明显降低，影响混凝土功能。此时应采取的改进措施为：①加大混凝土运输浇筑能力，缩短混凝土入仓时间;②减小B和L的尺寸，即减小浇筑仓内长度和宽度;③改变工艺，考虑采用台阶法和斜层浇筑法入仓;④掺加混凝土外加剂，以延长混凝土的初凝时间。

当采用台阶法浇筑时，从浇筑仓位短的一端向另一端铺料，边前进边加高，逐层铺料前进，并形成明显的台阶状，直到把整个仓面铺料浇筑到收仓高程为止。台阶法浇筑铺料厚度一般为30～50cm，台阶宽度应大于1.0m，长度应大于2～3m，坡度不大于1：2。也可采用斜层法铺料浇筑，斜层浇筑法就是在浇筑仓面，从一端向另一端推进，推进过程中及时覆盖，以免出现裂缝。斜层坡度应不超过10°，否则在平仓振捣时易使砂浆流失，骨料分离，下层已浇筑的混凝土也可能产生错动。

混凝土振捣是振动捣实的简称，它是保证混凝土浇筑质量的关键工序，振捣的目的是尽可能减少混凝土中的空隙，以清除混凝土内部的孔洞，并使混凝土与模板，钢筋及埋件紧密结合，从而保证混凝土的最大密实度，提高混凝土质量。本工程采用100型高频振捣棒。振捣棒应快插，慢拔。插入过慢，上部混凝土先捣实，就会阻止下部混凝土中的空气和多余的水分向上逸出;拔得过快，周围混凝土来不及填铺振捣棒留下的孔洞，将在每一层混凝土的上半部留下只有砂浆而无骨料的砂浆柱，影响混凝土的强度。为使上下层混凝土振捣密实均匀，可将振捣棒上下抽动，抽动幅度为5～10cm。振捣棒的插入深度，在振捣第一层混凝土时，以振捣器头部不碰到基岩或老混凝土面，但相距不超过5cm为宜;振捣上层混凝土时，则应插入下层混凝土5cm左右，使上下两层结合良好。

4.4闸底板采用现浇C10后浇C20混凝土的方法

根据设计要求，泄洪冲砂闸闸底板中间为C10素混凝土，外包2m厚的C20钢筋混凝土。为加快混凝土施工进度，采取现浇C10素混凝土，后浇C20钢筋混凝土的方法施工。为使C10素混凝土与C20钢筋混凝土接触良好，浇筑C10混凝土时，在下游面采用预留台阶的方法，即使相邻两仓C10混凝土间形成1.5m的台阶，台阶面按照施工缝面凿毛处理，直立面埋设Φ25@1m×1m的连接钢筋。上游面为直立面，不预留台阶，C20混凝土紧随C10混凝土仓位进行施工，以利于回填上游侧基坑，形成上游施工交通通道。

5、施工总结

嘉陵江上石盘电航综合枢纽工程泄洪冲砂闸采用薄层跳仓连续进行底板混凝土浇筑，一期完成5#、6#、7#块泄洪冲砂闸底板混凝土施工，4月14日开始进行第一仓底板混凝土施工，至5月30日完成5#、6#、7#块共38仓混凝土施工，完成混凝土浇筑78870m3，为2014年10月30日按期截流打下了坚实基础。二期进行1#、2#、3#、4#块泄洪闸底板混凝土施工，2015年3月14日开始进行二期第一仓底板混凝土浇筑，4月12日完成1#～4#块共41仓底板混凝土施工，完成混凝土浇筑52458m3，确保了二期安全度汛目标按期实现。

本工程闸底板大体积混凝土采用跳仓连续浇筑施工方法，大大加快了施工进度，确保了各节点施工目标的按期实现。采用薄层平铺法浇筑混凝土，每层铺料厚度为30cm，有效地降低了入仓混凝土的水化热，避免采用预埋水管冷却混凝土，大大节约了冷却混凝土施工成本;为缩短每仓混凝土浇筑时间;为加快闸底板施工进度;为类似工程防渗施工提供借鉴和成功经验。