水工衬砌混凝土施工期温度裂缝综合控制技术

2019-07-02

水利建设与管理 2019年6期

(中国长江三峡集团公司，北京 100038)

水工隧洞作为水利水电工程的主要建筑物之一，其建设与运行安全直接关系到工程安全和上下游人民的生命财产安全。与公路、铁路、地铁等行业相比，水工衬砌结构大多是过水的，运行环境更为恶劣，建设要求更高。由于承受高速水流脉动水压力作用，衬砌钢筋混凝土一般与围岩连成整体，按联合受力设计。特高拱坝的泄洪洞过水流速高达50m/s，大泄量、高流速和高安全性要求混凝土具备高抗冲磨、高强度等特性。高强度薄壁衬砌混凝土水化热量大、温升高、温降幅度和内表温差大而且温降快，受到围岩极强的约束，极易在施工期产生危害性贯穿裂缝，在高速水流脉动压力等作用下可能导致结构破坏，影响结构整体性和寿命，甚至威胁高坝枢纽和社会经济安全。

1999年以前，水利建设者们对于地下水工衬砌混凝土温度裂缝控制认识不够，有关规范的技术要求简单，没有明确的温控标准，实践中也都没有进行专门温控设计和采取专门的温控措施，都是自然入仓浇筑混凝土。三峡永久船闸输水洞和地下电站引水洞早期浇筑的衬砌混凝土发生规律性贯穿裂缝，引起水电界高度重视。

在三峡、溪洛渡、向家坝等大型水利水电工程中，针对水工衬砌混凝土施工期温度裂缝的控制，从优化衬砌结构与混凝土温控防裂性能、革新施工工艺等方面入手进行系统深入的研究，形成了水工衬砌混凝土温度裂缝综合控制技术。

1 研制低热防控裂高性能混凝土

1.1 研发使用90天龄期混凝土强度等级

在三峡永久船闸地下输水工程中，考虑到隧洞工程是在建成90天龄期后运用，经过耐久性和安全性等方面的论证，将衬砌结构混凝土设计龄期由28天调整为90天(当时的设计规范规定采用28天设计龄期)的措施，同等条件下能减少胶凝材料用量14.7%(见图1)，降低混凝土温升4～6℃。并于2000年5月邀请了水工钢筋混凝土结构设计规范编写组的专家对此项研究成果进行充分的论证，得到一致肯定。此后在向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德等大型水电站地下工程全面推广。

图1 龄期28天优化到90天胶凝材料用量变化

1.2 研发使用20%～30%的高掺粉煤灰混凝土

在三峡永久船闸地下输水工程，研发使用了掺20%粉煤灰混凝土，当时的《水工混凝土结构设计规范》(SL/T 191—1996)没有允许掺粉煤灰的条款。降低绝热温升5～7℃和混凝土内部温升3～5℃。溪洛渡水电站泄洪洞龙落尾段研发使用了高掺粉煤灰(30%)的C9060F150W8高强抗冲耐磨混凝土，此项成果进一步超越《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055—2007)中20%的限制，相比原配合比方案(掺粉煤灰10%)，减少了水泥用量约90kg/m3，大大降低了水化热量和延缓放热速率(见图2)，可降低最高温升约9℃，而且混凝土180天后强度有所提高。

图2 不同粉煤灰掺量下水化热对比

1.3 研发采用高强度抗冲磨低热水泥混凝土

在溪洛渡水电站泄洪洞工程中，研发低热水泥应用于龙落尾段硅粉高强C9060抗冲磨混凝土，降低混凝土绝热温升5.8℃，延缓放热速率(见图3)，降低混凝土温升4℃，而且混凝土最高温度出现时间滞后6～8h，减少50%温度裂缝。

图3 中热水泥与低热水泥水化热和绝热温升对比

1.4 研制新设备

研制一体化台车，大断面边墙浇筑常态混凝土。在溪洛渡水电站泄洪洞工程中，研制“垂直提升、横向输送、多点下料”的自动升送带式混凝土供料系统，见图4，成功实现了大断面高隧洞边墙的常态混凝土机械化快速浇筑。相比泵送混凝土，常态混凝土减少水泥用量30～50kg/m3，降低混凝土最高温升3～5℃，大大减少了温度裂缝，节省了工程投资。

图4 边墙常态混凝土一体化台车

2 革新施工工艺

2.1 浇筑预冷混凝土

通过计算，浇筑温度增高，混凝土最小抗裂安全系数减少，见图5，混凝土更容易产生温度裂缝，因此，在施工中应尽可能适当降低浇筑温度。在混凝土拌和系统使用风冷骨料和加冰拌和的方式生产预冷混凝土，出机口温度控制在夏季不大于14℃、春秋季不大于12℃，冬季则采用不预冷的自然温度混凝土。夏季相比非预冷混凝土可降低出机口温度10℃以上，相应降低混凝土最高温升近10℃。

图5 边墙中部代表点最小抗裂安全系数与浇筑温度关系曲线

2.2 采用通水冷却

溪洛渡泄洪洞衬砌混凝土全部埋设冷却水管通水降温，水管采用PE管，平行于水流方向蛇形均匀铺设，间距1.0m，冷却水管单根布置长度不大于150m，见图6。夏季通水的温度为：夏季龙落尾、出口明渠和挑坎段为人工制冷水，水温按18～20℃控制；有压段和无压段通常温水，混凝土内部最高温度与水温之差不超过22℃。通水流量，初期(1～3天)按照设计建议的2.0m3/h控制；后期根据观测成果，为了避免降温阶段的降温速率过快导致温度收缩裂缝，进一步细化为升温阶段按33～35L/min控制，降温阶段按20～25L/min控制。通水冷却时间为：当混凝土内部温度上升至高于水温时开始通水冷却，通水时间通常为7～15天，至少保证通水至混凝土温度下降、内表温差减小为止。

图6 通水冷却

2.3 制定个性化的保湿养护措施

底板采用花管长流水养护，边墙白天流水养护、夜间间歇式保湿养护，气温大于25℃时不间断流水养护，见图7。

图7 边墙花管流水养护

2.4 挂设多重保温门帘

通过计算可知，在洞口挂保温帘可提高洞内冬季气温2℃左右，减少混凝土内部和表面拉应力约0.43MPa，提高抗裂安全系数约0.2。若提前至10月高标准保温，可提高洞内冬季气温4℃以上。

3 优化衬砌结构型式

3.1 缩短分缝长度

分缝长度越大，约束越大，抗裂安全系数减小幅度越大，越容易产生温度裂缝，结构设计时应尽量合理减小结构分缝分块尺寸，以在一定程度上减小温度应力，从而减小温度裂缝发生的可能性。三峡永久船闸地下输水洞衬砌，分缝长度从12m缩短至8m，并综合采用90天龄期设计和增加粉煤灰掺量至20%，后期取得无温度裂缝的效果。此后推广到溪洛渡等地下工程，全部采取9m长度分缝。

3.2 边顶拱分开浇筑

通过有限元模拟计算，隧洞边墙与顶拱由整体浇筑改为分开浇筑，降低边墙衬砌混凝土温度应力的效果明显，抗裂安全系数提高。且在边墙不同高度范围内的影响度有所不同，见表1，断面高度越大，应力降低幅度越大，抗裂安全系数提高幅度越大。

表1 不同浇筑方案边墙典型高度中间点σmax和Kmin值

3.3 底板浇筑垫层和衬砌混凝土周边喷砂浆层

在衬砌混凝土与围岩之间喷砂浆层、底板混凝土浇筑前先浇筑垫层，降低围岩对衬砌混凝土的约束，在基本不影响温度场的情况下，有效降低混凝土温降产生的拉应力，从而提高抗裂安全系数，对防止温度裂缝的产生起到积极作用。溪洛渡泄洪洞和白鹤滩、乌东德导流洞底板混凝土基本无温度裂缝。

3.4 取消过缝钢筋

衬砌结构段之间设置过缝钢筋，在增加了块体间连接和整体性的同时增加了端部约束，对有过缝钢筋约束一侧的应力产生明显影响，应力分布梯度变大，应力集中明显，主拉应力有明显的增大，使得整体最小抗裂安全系数降低，温度裂缝区域和风险都增大。

4 制定温度裂缝控制精细化质量管理体系

提出了温度裂缝控制统筹管理“三阶段”思想，制定了管理文件，建立了多层次管理机构体系，实现了地下水工衬砌混凝土温度裂缝控制由自然浇筑、被动控制到主动防裂、实时控制的技术进步。

4.1 设计阶段

根据工程规模、等级、耐久性、安全性、运行环境等，确定温度裂缝控制目标，提出控制标准，制定相应技术措施；进行新工艺、新技术调研，开展温度裂缝控制技术专题研究、组织专家咨询；组织专题审查，优化结构设计形式、混凝土设计龄期、配合比、施工技术方案等。

4.2 浇筑阶段

a.建立三层次管理机构：领导小组负责建立制度、确定技术方案；工作小组负责日常工作(制定措施、召开例会)；专职人员负责现场的方案实施、数据采集与传递。

b.制定专项管理制度：制定管理办法，以及温控责任牌、温控周报、协调例会等管理制度。

c.形成全过程的工艺工法：制定了混凝土浇筑和温控标准化手册，以指导和规范现场温度裂缝控制质量管理。

4.3 养护阶段

建立专项养护工作制度，将混凝土保湿养护和保温工作作为独立的工序，安排专人负责落实；根据不同施工部位，制定可操作的现场养护标准和工作流程，形成工艺细则；制定统一的裂缝信息记录图表，采集并记录温度裂缝的相关信息，建立相应的台账。对于已经产生的裂缝，制定完善的裂缝处理技术要求和工艺，进行裂缝的标准化处理，完善温度裂缝处理管控目标。

5 效果及意义

5.1 应用效果

三峡永久船闸地下输水洞衬砌，混凝土采用90天龄期和增加粉煤灰掺量至20%、分缝长度从12m缩短至8m、采用预冷混凝土浇筑，后期取得无温度裂缝的效果。

三峡永久船闸输水隧洞1999年及之前浇筑的混凝土发生规律性裂缝，2000年及以后应用本项目研究成果后，浇筑的衬砌混凝土施工期基本没有发生裂缝，得到质量检查专家组肯定。

三峡地下电站输水隧洞前期施工的4～6号引水隧洞温度裂缝53条，在冲磨混凝土中采用低热水泥，降低混凝土最高温升约5℃，降低开裂风险，且提高抗冲磨性能。采用智能化通水冷却措施，在内部温度达到最大值前通水冷却。在冬季洞口挂设多重保温门帘，可提高洞内冬季气温4℃左右。采取这些措施后引水隧洞温度裂缝仅7条，裂缝明显减少。

溪洛渡导流洞工程应用本综合控制技术后，底板温度裂缝由初期12条，宽0.5～1mm，每条长3～8m，降至0条。边顶拱由8条，宽0.5mm，每条长3～6m，降至5条，宽0.5mm，每条长2～5m。

溪洛渡泄洪洞衬砌混凝土的强度等级高、水泥用量大，开裂风险高。全面采用本技术后，温度裂缝得到有效控制，有压段、无压段底板基本无裂缝，边顶拱温度裂缝明显减少。

推广到乌东德导流洞工程应用，温度裂缝得到有效控制，5条导流洞长度8138.4m，衬砌混凝土143万m3，仅有18条温度裂缝，缺陷和裂缝处理费用仅为100万元左右。与其他类似工程相比，裂缝数量明显较少。