500 kV同塔四回路西江大跨越基礎大體積混凝土施工技術

陳志輝

(廣東火電工程總公司，廣州市，510735)

0 引言

隨著國內電網工程建設的電壓等級及規模不斷增大，為滿足重要電氣設備及桿塔基礎承載要求，基礎型式越來越多采用大體積混凝土結構，大體積混凝土基礎裂縫控制技術成為決定施工質量的關鍵［1-3］。500 kV獅洋—五邑送電線路工程是粵西電力外送的重要骨干通道，西江大跨越是其中的核心組成部分，采用“耐—直—直—耐”典型方式跨越西江干流，大跨越段長1.927 km，按同塔四回路設計，新建四回路跨越塔2基，雙回路耐張錨塔4基。同塔四回路西江大跨越工程跨越塔基礎承臺具有結構尺寸大、混凝土連續澆筑量大等特點，為大體積混凝土結構，施工方案需按大體積混凝土工程設計。本文將介紹西江大跨越工程跨越塔基礎承臺大體積混凝土施工的成功經驗，為今后類似工程施工提供參考。

1 工程概況

西江大跨越工程跨越塔基礎采用組合鉆(沖)孔灌注樁加承臺型式，如圖1所示。

單個承臺由底板及主柱2部分聯合組成，底板部分尺寸(長×寬×高)為16.8 m×13.8 m×2.7 m，主柱部分尺寸(長×寬×高)為3.2 m×3.2 m×2.2 m，混凝土量達648.5 m3，混凝土強度等級按C25設計，施工時要求一次連續澆筑成型，并需考慮水泥水化熱影響等問題。

2 大體積混凝土溫控指標

大體積混凝土通常為混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土［4］。大體積混凝土工程施工必須解決的關鍵技術問題是通過有效的溫控技術措施控制混凝土中膠凝材料的水化熱溫升，防止有害裂縫產生。

大體積混凝土工程施工前，需進行施工階段大體積混凝土澆筑體裂縫控制的熱工計算，并確定施工階段大體積混凝土澆筑體的溫升峰值、里表溫差及降溫速率等控制指標，作為制定相應溫控技術措施的依據。施工階段大體積混凝土澆筑體的溫控指標宜符合下列規定［4］:

圖1 跨越塔基礎承臺結構Fig.1 Structure of Crossing Tower Pile Foundation

(1)混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50℃;

(2)混凝土澆筑體的里表溫差(不含混凝土收縮的當量溫度)不宜大于25℃;

(3)混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d;

(4)混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃。

3 大體積混凝土熱工計算及施工方案選取

3.1 混凝土拌和溫度計算

混凝土拌和溫度(出機溫度)To計算式為

式中:m為各種材料的質量，kg;C為各種材料的比熱，kJ/(kg·K);Ti為各種材料的初始溫度，℃。本工程中混凝土拌合溫度計算表見表1。由表1數據計算得混凝土拌和溫度To=21.8℃。

3.2 混凝土入模溫度計算

混凝土入模溫度(澆筑溫度)Tp計算式為

式中:Ta為混凝土運輸和澆筑時的室外氣溫，℃;θ1、θ2…θn為溫度損失系數，與混凝土裝卸和運轉次數、運輸時間、澆筑時間有關;n為流水號。

本工程計算工況為:(1)混凝土裝料、卸料、泵送各1次，混凝土采用攪拌運輸車由攪拌站運至現場時間約30 mim，混凝土澆筑時間約15 min/車，由文獻［5］分別查得 θ1=0.096、θ2=0.126、θ3=0.045;(2)混凝土運輸和澆筑時的室外平均氣溫為27.5℃。由以上參數計算得混凝土入模溫度Tp=23.3℃。

表1 混凝土拌和溫度計算表Tab.1 Concrete Mixing Temperature Calculation

3.3 混凝土水化熱溫升值計算

混凝土的水化熱絕熱溫升值T(t)以及混凝土的最終絕熱溫升值Th計算式為

式中:mc為每m3混凝土中膠凝材料(水泥、摻和料)的用量，kg/m3;Q為每kg膠凝材料的水化熱量，kJ/kg;C為混凝土的比熱，為0.84～1.05 kJ/(kg·K)，一般取0.96 kJ/(kg·K);ρ為混凝土的質量密度，kg/m3;e為常數，取2.718;α為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數，一般取0.2～0.4 d-1;t為齡期，d。

膠凝材料水化熱量Q=kQo，Qo為每kg水泥水化熱量，與水泥類型、標號有關，P.II 42.5R硅酸鹽水泥水化熱量取461 kJ/kg;k為不同摻量摻合料水化熱調整系數，粉煤灰摻量占膠凝材料總量25%時，由文獻［4］查得k=0.94。計算得混凝土的最終絕熱溫升值Th=66.9℃。

根據式(3)～(4)計算的水化熱溫升值為絕熱狀態下的混凝土溫升值，實際混凝土澆筑體并非完全處于絕熱狀態，而是處于散熱狀態，且與澆筑體的厚度有關。不同齡期混凝土由水化熱引起的實際溫升值Tm以及混凝土內部中心最高溫度Tmax計算式為

式中:ζ為不同澆筑體厚度的溫降系數。

大體積混凝土澆筑體厚度為2.7 m(承臺底板厚度)時，由文獻［5］查得不同齡期的溫降系數見表2。

表2 不同齡期的溫降系數Tab.2 Pouring temperature drop coefficient for different ages

不同齡期混凝土由水化熱引起的實際溫升值以及混凝土內部中心最高溫度計算結果見表3。

表3 不同齡期混凝土水化熱實際溫升值以及內部中心最高溫度計算結果Tab.3 Actual temperature rise of concrete hydration heat T mand maximum temperature at the center T max under different ages

3.4 施工方案選取

根據對西江大跨越工程跨越塔基礎承臺大體積混凝土結構的熱工計算結果，承臺中心的混凝土水化熱溫升峰值達67.5℃，混凝土表面采用單一保溫養護措施時，難以實現混凝土里表溫差不大于25℃、表面與大氣溫差不大于20℃的溫控指標，因此，對承臺大體積混凝土結構采用“內散外蓄”綜合養護方案。

此外，在承臺大體積混凝土結構施工準備、混凝土澆筑階段分別采取了混凝土配合比優化、混凝土入模溫度控制、混凝土分層澆筑等一系列技術措施，以有效削減混凝土內部的水化熱溫升［6-10］。

4 主要技術措施及注意事項

4.1 優化混凝土配合比

(1)水泥選用中熱P.II 42.5R硅酸鹽水泥，在確保混凝土滿足強度等級、耐久性及工作性要求前提下，適當降低單位混凝土水泥用量。水泥用量控制在265 kg/m3以內，采用粉煤灰替代部分水泥用量。

(2)選用級配良好的骨料，粗骨料選用5～31.5 mm連續級配碎石，細骨料選用質量優良的II區中砂，并嚴格控制砂、石料的含泥量。砂、石料含泥量分別控制在2%、1%以內，可大大改善混凝土的和易性。

(3)采用雙摻技術:1)按水泥質量摻入一定比例的粉煤灰，即可節約水泥用量，降低水化熱溫升，同時可增加混凝土的密實度，改善混凝土的工作度;2)摻入緩凝型減水劑，由于混凝土配合比中的水灰比越大，混凝土內的孔隙率及干縮量也隨之加大，一般用水量每增加1%，混凝土的干縮率相應增加2%～3%，因此，摻入適量的緩凝型減水劑，在降低水灰比的同時又可以延緩混凝土的初凝時間，有利于混凝土泵送施工。

4.2 降低混凝土入模溫度

降低混凝土入模溫度有利于控制大體積混凝土結構的后期溫升。本工程施工期間正值夏季高溫季節，為降低混凝土入模溫度，需采取措施有效降低混凝土的拌和溫度，并減少混凝土在運輸期間的溫度損失。

4.2.1 降低砂、石、水泥的初始溫度

對露天堆放的砂、石料采用遮陽網遮蓋，避免陽光直曬。石子在拌和前灑冷水降溫，水泥應存放在陰涼處并經貯存散熱，避免使用溫度過高的新出廠水泥。

4.2.2 冷卻水拌和混凝土

由于水的比熱較大，混凝土拌和用水應采用冰塊進行冷卻，使拌和用水溫度降至7.5℃以內。

4.2.3 優化混凝土的運輸時間

施工前對商品混凝土的運輸距離、時間進行調查，盡可能減少混凝土的運輸時間，減少降溫后的混凝土在運輸過程中與外界熱交換產生的溫度損失。

4.3 混凝土分層澆筑

根據承臺大體積混凝土結構平面尺寸特點，混凝土采用整體分層連續澆筑施工方式。混凝土分層澆筑，可增大散熱面、延長散熱時間、降低混凝土的水化熱溫升。本工程中采用的具體措施如下:

(1)在整個模板范圍內，將承臺分成若干個厚度相等的澆筑層，澆筑區面積為整個承臺平面面積，澆筑混凝土時從短邊開始，沿長邊方向推進澆筑。

(2)分層厚度宜為每層500 mm，第1層澆筑完畢后澆筑第2層，如此逐層持續進行。在澆筑過程中，上層混凝土澆筑要在下層混凝土初凝前完成。

(3)混凝土澆筑時采用汽車泵進行推進式布料，避免在同一處連續布料所帶來的泛漿、分層離析等質量缺陷。

4.4 混凝土振搗

(1)混凝土振搗推進方向應與混凝土澆筑推進方向相同。

(2)振搗器根據混凝土澆筑自然流淌及振搗形成的坡度分坡頂、坡背、坡腳3個段落布置，在坡頂泵管出料口處布置1臺振搗器，將出料堆積處的混凝土振搗密實并將堆積的混凝土攤開，促使形成流淌坡度;坡背及坡腳處各布置1臺振搗器，將流淌的混凝土振搗密實。

(3)振搗器在振搗時要做到快插慢拔，每處插點振搗時間控制在15～30 s為宜，以混凝土表面泛漿并不再出現氣泡為準。

(4)混凝土分層澆筑時，上層混凝土振搗時振搗器應插入下層混凝土5～10 cm，以消除混凝土層間的接縫。

4.5 混凝土泌水處理

大體積混凝土在澆筑過程中骨料和水泥漿下沉、水分上升，混凝土表面析出水分產生泌水。在澆筑過程中應及時將泌水排到承臺一端或兩端，用泥漿泵抽出，以消除泌水對混凝土層間黏結能力的影響，提高混凝土的密實度及抗裂性能。

4.6 混凝土表面處理

混凝土的表面處理是減少表面干縮裂縫、控制基礎頂面標高和平整度的重要措施，大體積混凝土表面水泥漿較厚，在混凝土澆筑后應先刮去其表面多余浮漿，用滾筒滾壓密實，再用木抹子按設計標高抹平。在混凝土初凝前應在其表面進行2次抹平，以消除混凝土干縮、沉縮產生的表面裂縫。

4.7 混凝土養護

承臺大體積混凝土結構采用“內散外蓄”綜合養護方案，即采用在混凝土結構內部預埋冷卻水管循環冷卻水降溫、表面蓄水保溫綜合養護方案?；炷两K凝后8～12 h開始進行養護，養護持續時間不少于14 d。

4.7.1 蓄水保溫養護

混凝土表面蓄水保溫養護為大體積混凝土工程常用的保溫養護措施之一，其原理為利用水的導熱系數較低，在混凝土表面存蓄一定厚度的水，以達到隔熱保溫的效果。

(1)混凝土澆筑終凝后即可進行蓄水保溫養護，蓄水深度不小于50 cm。

(2)混凝土澆筑前，應沿承臺大體積混凝土結構四周修筑擋水墻，其高度應高出蓄水設計深度10～15 cm。

(3)蓄水保溫養護時將混凝土內部冷卻水管出水口接至承臺頂面，利用經混凝土內部升溫后排出的溫水對混凝土表面進行養護，以減緩混凝土表面與蓄水的熱交換，降低混凝土表面降溫速率，縮小混凝土里表溫差。

(4)為防止大氣氣溫變化或降雨雨水流入造成蓄水溫度突降，現場應配備水加熱及雨水隔離設備。

4.7.2 測溫監控

(1)采用便攜式建筑電子測溫儀測溫，通過測量承臺大體積混凝土結構內部各測點溫度變化，及時有效調整溫控措施，使其里表溫差、表面與大氣溫差、降溫速率滿足溫控指標要求。

(2)混凝土澆筑前，在承臺混凝土結構內部設置測溫點，測溫點平面布置按梅花狀每隔6 m左右布點，各點位在深度方向布置3個帶有測溫線的溫度傳感器，分別位于承臺結構中部及距上、下混凝土面50 mm以內，用于監測承臺混凝土結構上、中、下部溫度。溫度傳感器綁扎固定在承臺縱向支撐筋上，其固定處與鋼筋之間做隔熱處理。測溫線插頭引出混凝土表面1 m左右(混凝土表面采用蓄水養護時，需保證測溫線插頭露出水面)，用塑料薄膜包裹保護并標識好待用。測溫時將測溫線插頭插入電子測溫儀插座中，即可讀取并記錄相應部位的溫度數據。

(3)為嚴格監測混凝土溫度變化，養護期間應24 h連續測溫，監測頻次:養護期第1～7天，每2 h測溫1次;養護期第8天至結束，每4 h測溫1次。

(4)監測混凝土結構內部溫度變化的同時，應同步監測混凝土表面蓄水溫度、冷卻水管進出口水溫及大氣氣溫，為及時有效調整溫控措施提供依據。

(5)當混凝土內外自然溫差降至25℃以內且降溫趨于穩定后，即可停止監測。

4.7.3 內部冷卻系統運用

采用在承臺混凝土結構內部埋設冷卻水管，通入循環冷卻水，帶出混凝土結構內部積蓄的熱量，降低混凝土結構內部的水化熱溫升，并通過調整冷卻水的入水溫度和流量，控制混凝土結構的里表溫差。

冷卻水管采用φ48 mm鍍鋅鋼管，在承臺混凝土結構內部分3層設置，層間距為0.75 m，如圖2所示。

圖2 冷卻管立面布置示意Fig.2 Facade layout of cooling water pipe

(1)單層冷卻管采用S形布置，每層冷卻管均可獨立工作，設單獨的進、出水口，以防止水管中某處出現堵塞而造成整個冷卻水管系統的不能使用，如圖3所示。

(2)鋼筋綁扎到相應位置，即進行冷卻水管安裝，冷卻水管在鋼筋骨架內用點焊焊接或鐵絲綁扎牢固，冷卻水管應定位準確，并保證管道不變形、不漏水，安裝完成后應通水試壓。混凝土振搗過程中應避免振搗器碰到冷卻水管。

圖3 冷卻水管平面布置示意Fig.3 Layout of cooling water pipe

(3)冷卻系統運作時，首先由水池將冷卻水抽入冷卻水管內，經過混凝土內部升溫后，溫水排出至混凝土表面作為蓄水保溫用水，滿足蓄水深度要求后，多余部分溫水再由混凝土表面排回水池內，形成一個完整的循環工作系統。

(4)根據溫度監測情況，控制并合理調整冷卻水管的入水流量和溫度，為防止混凝土結構內部因降溫過快而導致產生收縮裂縫，混凝土內部最高溫度與冷卻水入水溫度溫差應控制在20℃左右。如入水溫度與混凝土內部溫差小于15℃，可加大循環水量，并在水池內補充抽入部分涼水以加大溫差，增強冷卻效果;如入水溫度與混凝土內部溫差大于25℃，則需減小入水量。

(5)承臺內部的冷卻水管在使用完成后，將管道內部余水排干，采用與承臺混凝土同等級水泥砂漿對冷卻水管進行壓力灌漿回填，并將露出混凝土表面的管頭截除整平。

4.7.4 主柱保濕保溫養護

承臺主柱拆模時間應適當延緩，利用模板自身的保溫性能對主柱進行養護，拆模后在主柱四周及表面由里而外依次覆蓋“1層塑料薄膜+1層草袋+1層塑料薄膜”進行保溫保濕養護。養護期間應隨時檢查主柱混凝土表面的干濕情況，及時澆水保持混凝土表面濕潤。

5 結論

(1)大體積混凝土工程施工前，應通過試算施工階段大體積混凝土澆筑體的升溫峰值、里表溫差等關鍵參數，制定相應的溫控技術措施，科學有效地指導施工，避免大體積混凝土有害裂縫的產生。

(2)大體積混凝土配合比設計時宜采用雙摻技術，特別是摻入粉煤灰替代部分水泥后，對減少混凝土中膠凝材料的水化熱量、降低溫升峰值，進而降低混凝土結構的里表溫差起到了良好的作用。

(3)夏季高溫季節進行大體積混凝土施工時，應盡量選擇在夜間進行澆筑，混凝土拌和前應對原材料進行降溫預處理，盡量降低混凝土的入模溫度，有利于控制大體積混凝土結構的后期溫升。

(4)大體積混凝土采用蓄水保溫養護時，可使混凝土結構表面完全處于高溫高濕養護狀態，避免了采取其他保溫材料出現覆蓋不足的可能，但需采取措施以防止外界氣溫變化或降雨雨水流入致使蓄水溫度突降，造成混凝土里表溫差、表面與大氣溫差出現超標的情況。

(5)測溫數據顯示，承臺大體積混凝土結構各齡期實測溫度明顯小于理論計算溫度，混凝土內部中心最高溫度為59.4℃，升溫持續時間1～3 d，說明循環冷卻水管的運用對降低混凝土結構內部的水化熱溫升作用明顯。

(6)在整個養護期間，承臺大體積混凝土結構未出現里表溫差、表面與大氣溫差及降溫速率超標情況，混凝土未出現有害裂縫，工程質量符合設計及施工規范要求。

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