三峽工程永久船閘混凝土溫控設計

2001-01-13 05:11:58黎汝潮

中國三峽建設 2001年1期

關鍵詞：設計

黎汝潮

摘要：三峽永久船閘結構復雜，孔洞多，受氣溫變化影響大。三峽地區氣候炎熱，氣溫驟降頻繁，極易引起混凝土溫度裂縫。同時，塊體厚度較薄，基礎約束區設計允許最高溫度低，混凝土溫控防裂有很大難度。為此設計進行合理分縫分塊，確定混凝土主要設計指標和溫度控制標準是十分必要的。

關鍵詞：永久船閘；溫度控制；設計；最高溫度

1 工程概況

三峽工程雙線五級永久船閘分為梯級船閘，輸水系統，上、下游引航道等，混凝土總量為472.02萬m3。計劃2003年6月通航。

1.1 梯級船閘

梯級船閘全長1607m(不包括上、下游引航道)，從上游至下游共分為5個梯段，由5個閘室和6個閘首組成。各級閘首長度為39～70m，閘室有效尺寸一般為268×34×5m(長×寬×坎上水深)。邊墻與底板為分離式結構，呈雙U形，混凝土工程量為281.46萬m3，占混凝土總量的59.6%。

6個閘首除第1級K為70m和第6級長56m外，其余各閘首長41.5m。閘首邊墻為重力式結構，最大高度為68.8m，墻體厚12～14m。第1閘首邊墻順流向分為3塊，最大尺寸為30m。底板同樣分成3塊，分縫尺寸與邊墻基本相同，底板厚度為5～10m。其它閘首底板分為2塊，塊體順流向長約21～22m，閘首邊墻順流向分縫尺寸與底板類似。

閘室邊墻緊貼在開挖后并已加固好的高邊坡巖體，順流向分塊尺寸為12.0m左右，閘室底板厚5.0～8.0m；順流向最大分塊尺寸為24.0m。底板下部設有2～3孔輸水廊道，底板頂部沒有充水出口，為框架結構。

1.2 輸水系統

永久船閘輸水系統由輸水隧洞、豎井、下游旁側泄水等建筑物組成，混凝土工程量為81.68萬m3。4條輸水隧洞主要結構為城門洞形，寬5m，高6.0～6.7m。

梯級船閘共有24個豎井，豎井最大高度為88.0m，豎井主要結構形式為矩形。

旁側泄水箱涵混凝土量為21.0萬m3。

1.3 其它建筑物

主要包括第一閘首兩側的擋水壩、進水口、引航道及靠船墩等。混凝土量為109.4萬m3，占總量的22.7%。

2 溫控設計基本資料

2.1 氣象資料

2.1.1 氣溫

壩址三斗坪氣象站1959年4月至1968年4月實測資料，多年年平均氣溫為17.3℃，多年各月(旬)平均氣溫見表1。

表1 三斗坪多年各月、旬平均氣溫


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 水溫

宜昌水文站1958～1987年實測水溫資料，多年平均水溫為17.9℃。

2.2 混凝土主要設計指標

2.2.1 混凝土原材料、標號

膠凝材料為525#中熱水泥摻Ⅰ級粉煤灰，骨料為閃云斜長花崗巖碎石和下岸溪人工砂，外加劑為zB-1A，各種主要標號混凝土的配合比詳見表2。

表2 永久船閘混凝土標號及主要設計指標


部位		設計標號	級配	限制最大水膠比	極限拉伸值 (×10^-4)		抗凍	抗滲
部位		設計標號	級配	限制最大水膠比	28d	90d	抗凍	抗滲

	外部	R₉₀250^#	3	0.45	≮0.80	≮0.85	D₂₅₀	S₁₀
閘首邊墻				0.55	≮0.80	≮0.85	D₁₅₀	S₈
	內部	R₉₀200^#	3、4	0.6	≮0.75	≮0.80	D₁₅₀	S_6～8
閘首底板		R₉₀250^#	3	0.45	≮0.80	≮0.85	D₂₅₀	S₁₀
閘室襯砌墻		R₂₈250^#	3	0.55	≮0.85		D₁₅₀	S₈
		R₂₈250^#	3	0.55	≮0.85		D₁₅₀	S₈
閘室底板		R₂₈300^#	3	0.5	≮0.85		D₁₅₀	S₈
	豎井段襯	R₂₈400^#	2	≤0.38/0.42	≥0.88	≥0.90	D₁₅₀	S₈
	砌混凝土	R₂₈350^#	2	≤0.38/0.42	≥0.88	≥0.90	D₁₅₀	S₈
輸水隧洞	標準段襯	R₂₈300^#	2	≤0.45	≥0.85	≥0.88	D₁₅₀	S₈
	砌混凝土	R₂₈300^#	2	≤0.45	≥0.85	≥0.88	D₁₅₀	S₈
豎井		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 混凝土力學及熱學性能

花崗巖人工骨料混凝土熱學性能見表3。

表3 混凝土熱學性能


導溫系數 (m²/h)	導熱系數 (W/m·℃)	比熱 (J/kg·℃)	線膨脹系數 (×10^-5/℃)

0.003471	2.50	959	0.85

2.2.3 膠凝材料水化熱

葛洲壩水泥廠生產的525#中熱水泥摻Ⅰ級粉煤灰并摻ZB-1A型減水劑，膠凝材料水化熱見表4。

表4 膠凝材料水化熱 kJ/kg


No.	摻灰量	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 分縫分塊及設計允許最高溫度

3.1 分縫分塊

3.1.1 船閘主體段

永久船閘主體段全長1621m，閘室寬34m，船閘的底板和邊墻為分離式結構。船閘底板一般設兩條順流向縫，縫距30m，將底板與邊墻分離。一閘首底板的上游第1、2塊考慮到無檢修條件，在底板小央位置設置一條順流向結構縫。此外，一閘首下游側第4塊，第2、3、4閘首底板的上游第1塊及下游側第3塊，第5閘首底板的上游第1塊及下游側第3、4塊，各閘室底板上游側1～4塊和下游側第16～19塊，因需在夏季澆筑，施工時在底板中央增設了一條順流向結構縫，澆筑塊長邊尺寸相應縮小為15m。

第1閘首邊墻設兩條垂直流向縫，將邊墻分為30m、15.7m、24.3m3塊；第2、3閘首邊墻各設1條垂直流向縫，將邊墻分為24.8m及18.7m2塊；第4閘首邊墻設一條垂直流向縫，將邊墻分為22.8m及18.7m2塊；第5閘首邊墻設2條垂直流向縫，將邊墻分為22.8m、15.0m及15.0m3塊(其中北邊墻結合地質處理加長至28.2m)。第1閘首底板設3條垂直流向縫，將底板分為15m、20m、19m及14m4塊；第2閘首底板設一條垂直流向縫，將底板分為24.8m及12.5m2塊，第3、4閘首底板均設2條垂直流向縫，將底板分為11.5m、18.5m及12.5m3塊；第5閘首底板設3條垂直流向縫，將底板分為11.5m、18.5m、12.5m及12.5m4塊；第6閘首設3條垂直流向縫，將邊墻和底板分為16.71m、22.29m、17m及16m4塊。各閘室邊墻和底板均設垂直流向縫，縫距一般為12m，個別塊可達24m。

第1、5、6閘首邊墻厚14～30m；第2、3、4閘首邊墻厚14m；閘室襯砌墻厚1.5～2.1m；閘首和閘室底板厚5～7m。

3.1.2 地下輸水系統

地下輸水隧洞標準段長度12m，閥門井段最大段長為21.4m。隧洞為城門洞形，寬5m，高5～7m，豎井最大高度為88m。南坡及北坡輸水隧洞標準段襯砌混凝土壁厚60cm，閥門井附近可達100cm。中隔墩輸水隧洞為雙洞，標準段最小襯砌厚100cm，雙洞間混凝土厚150cm，閥門井附近襯砌混凝土壁厚120cm，雙洞間混凝土厚可達500cm。泄水箱涵為雙孔9.6m×9.6m方形涵管，厚度約為1.5m，標準段長15m。

3.1.3 上游擋水壩

壩段寬度20m左右，不設縱縫。壩塊順水流向最大尺寸30m。

3.2 準穩定溫度

永久船閘閘墻和底板一般可簡化為半無限體或無限平板兩種類型，地面建筑物以施工期準穩定溫度控制，船閘輸水洞襯砌混凝土以運行初期準穩定溫度控制。不同厚度半無限體、無限平板準穩定溫度見表4、表5和表6。

表5 氣溫環境半無限體施工期最低溫度


厚度(m)	2	4	6	8	10	12	14	16

溫度(℃)	9.0	11.2	12.9	14.0	14.7	15.2	15.5	15.8

表6 運行期水溫環境半無限平板及無限平板最低溫度


項目	半無限平板最低溫度						無限平板最低溫度

厚度(m)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
溫度(℃)	10.9	11.5	12.0	12.4	12.8	9.7	9.7	9.7	9.8	9.8

表7 永久船閘地面建筑物各部位施工期最低溫度


			閘室					閘首
部位
	邊墻		底板		邊墻			底板

厚度(m)	1.5	2.0	5.3	6.4	12	14	16	4	5.3
溫度(℃)	8.3	9.0	12.3	13.1	15.2	15.5	15.8	11.2	12.3

注：①L為澆筑塊長邊尺寸。

②閘室底板增設分縫后允許最高溫度放寬2～4~C。

③填塘、陡坡混凝土必須冷卻至18～20℃方可上升。

輸水隧洞混凝土設計允許最高溫度為34～36℃以內(雙洞取低值)；豎井混凝土允許最高溫度為32℃；泄水箱涵底板允許最高溫度為26℃，邊墻和頂板允許最高溫度為30℃。考慮到輸水隧洞和豎井混凝土膠凝材料用量大，參照專家意見，經三峽總公司決定輸水隧洞和豎井設計允許最高溫度不作為溫控質量主要評定標準，控制輸水隧洞和豎井澆筑溫度不大于16～18℃。

表8 設計允許最高溫度


						月份
	部位		區域
				12～2	3、11	4、10	5、9	6～8

閘		厚度<13m	0～0.2L	24	28	30	30	30
首	邊		0.2～0.4L	24	28	31	32	32
	墻		>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)
		襯砌墻	> 0.2L	24	28	31	34	34
			0～0.2L	25	30	32	32	32
			>0.2L	25	30	32	34	34
閘		重力墻	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 溫控措施

(1)在進行混凝土配合比設計和混凝土施工時除應滿足標書及有關設計文件規定的混凝土標號、抗凍、抗滲、極限拉伸值等主要設計指標和混凝土均質性指標。同時，應加強施工管理，提高施工工藝，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。

(2)應采取必要的溫控措施，使塊體實際出現的最高溫度不超過塊體設計允許最高溫度。其有效措施是降低混凝土澆筑溫度和減少膠凝材料的水化熱溫升。

(3)合理選擇澆筑層厚及間歇期、合理安排施工程序及施工進度、合理安排各部位混凝土澆筑時間、混凝土澆筑力爭短間歇連續上升等有效措施，使混凝土最高溫度控制在設計允許最高溫度范圍內。

(4)通水冷卻是混凝土溫度控制的有效措施之一，各階段的通水冷卻有著不同的目的和要求：初期通水是削減澆筑層水化熱溫升的有效措施之一。中期通水是削減壩體內外溫差的有效措施之一，后期通水是使混凝土柱狀塊達到接縫灌漿溫度的必要措施。

(5)施工期間對已建建筑物進行灑水養護。必要時對新澆混凝土表面必須進行保溫保護。

[作者簡介]

作者簡介：長江委三峽代表局施工處工程師。