淺析水利工程大體積混凝土分層分塊規(guī)劃

楊正勇

(中國水利水電第十四工程局有限公司 昆明 650041)

1 概述

現(xiàn)代建筑中時(shí)常涉及到大體積混凝土施工，如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。大體積混凝土的主要特點(diǎn)是體積大、結(jié)構(gòu)表面系數(shù)小、水泥水化熱釋放比較集中、內(nèi)部溫升比較快。因此，大體積混凝土往往不能一次澆筑成型，為降低混凝土的水化熱，防止混凝土裂縫的出現(xiàn)，大體積混凝土的分層分塊規(guī)劃變得尤為重要。本文以水工建筑物大體積混凝土為例，從結(jié)構(gòu)體型、溫度控制、設(shè)備配置、模板選用、施工進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)比對(duì)等幾個(gè)方面來簡(jiǎn)要分析大體積混凝土的分層分塊規(guī)劃，以期為其他類似工程提供一些幫助。

2 影響分層分塊規(guī)劃的因素

2.1 結(jié)構(gòu)體型

大體積混凝土分層分塊施工縫，首先考慮按設(shè)計(jì)永久結(jié)構(gòu)縫留置，如設(shè)計(jì)體型過大，則施工過程中應(yīng)設(shè)置臨時(shí)施工縫。以混凝土壩為例，一般橫縫(垂直壩軸線)為永久變形縫，間距15～20m;縱縫為臨時(shí)設(shè)置的施工縫，間距15～30m。

混凝土分層厚度視基礎(chǔ)的約束條件考慮，基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)(0～0.2L，L系澆筑塊長(zhǎng)邊)一般采用0.75～1m，基礎(chǔ)弱約束區(qū)(0.2～0.4L)可加大層厚至1.5～2m，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)后由溫控、施工條件等決定層厚，一般為3～5m。

混凝土結(jié)構(gòu)體型不規(guī)則或發(fā)生變化的部位，應(yīng)按體型變化規(guī)律分層。如框架、廊道、懸臂、牛腿、建筑物混凝土倒角轉(zhuǎn)折等，應(yīng)在適當(dāng)位置分層，但應(yīng)避免將施工縫設(shè)在應(yīng)力集中位置。

混凝土分層還應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)因素影響。如泄水閘閘墩施工，按溫度控制要求澆筑層厚可為4～5m，但由于鋼筋、埋件安裝工作量大，混凝土進(jìn)料困難，澆筑層厚多為2m。

另外，混凝土縱縫布置優(yōu)先考慮錯(cuò)縫形式，盡量不采用由基礎(chǔ)至結(jié)構(gòu)頂部的通縫，以提高整體性及抗?jié)B效果，避免灌漿。

2.2 溫度控制

為避免澆筑塊體由于基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差等發(fā)生溫度裂縫，溫控要求是決定澆筑層厚的一個(gè)主要依據(jù)。

水泥水化過程中，會(huì)產(chǎn)生水化熱。當(dāng)結(jié)構(gòu)截面尺寸小、熱量散失快時(shí)，水化熱可不可慮。但對(duì)大體積混凝土，混凝土在凝固過程中會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部熱量聚集，熱量散失很慢，常使溫度峰值很高。過高溫度易使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生溫度變形，另外，如果混凝土內(nèi)外溫差過大，使得混凝土內(nèi)外質(zhì)點(diǎn)間相互約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，則會(huì)使混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

相關(guān)規(guī)范要求:混凝土最大絕熱溫升不宜大于50℃;混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面以內(nèi)40～80mm位置處的溫度與混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部的溫度差值不宜大于25℃。

而不同的澆筑層厚與混凝土內(nèi)部溫升有密切關(guān)系，澆筑層厚越小散熱越快，水化熱溫升值越低，反之則散熱越慢，溫升值越高。當(dāng)混凝土澆筑層厚在5m以上時(shí)，混凝土實(shí)際溫升已接近絕熱溫升。

混凝土內(nèi)部最高溫度可按下式計(jì)算:

式中 Tmax——混凝土內(nèi)部中心最高溫度，℃;

T0——混凝土澆筑入模溫度，℃;

T(t)——在t齡期時(shí)混凝土的絕熱溫升，℃;

ξ——不同澆筑層厚的溫降系數(shù)，可按下表查用。

不同澆筑層厚與混凝土絕熱溫升的關(guān)系表(ξ值)

由此，我們可以通過上式來計(jì)算不同分層厚度下的混凝土內(nèi)部最高溫度及內(nèi)外溫差，以此來確定實(shí)際分層厚度。

另外，對(duì)整體性有要求的部位，如確需較大的分層厚度，則應(yīng)采取其他有效的溫控措施來避免溫度裂縫的出現(xiàn)，如預(yù)埋冷卻水管降溫、覆蓋保溫被降低內(nèi)外溫差等。

一般情況下，在低溫季節(jié)選擇3～5m的澆筑層厚，采取簡(jiǎn)單的保溫措施即可滿足混凝土溫控要求;高溫季節(jié)一般應(yīng)避免澆筑大體積混凝土，如需澆筑，分層厚度以不超過1.5～2m為宜。

2.3 設(shè)備配置

混凝土澆筑倉位的大小，還應(yīng)與混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑等設(shè)備的能力相適應(yīng)。

例如:某電站混凝土溢流壩設(shè)計(jì)橫縫間距20m，壩基礎(chǔ)最大長(zhǎng)度51m，計(jì)劃采用一臺(tái)BLJ600×40履帶式布料機(jī)進(jìn)行混凝土布料入倉，澆筑方式采用平鋪法，則壩基礎(chǔ)分層分塊規(guī)劃應(yīng)按如下考慮:BLJ600×40履帶式混凝土布料機(jī)設(shè)計(jì)輸送能力為80～120m3/h，考慮施工中其他因素的影響，實(shí)際輸送能力約為45～60m3/h。大壩混凝土澆筑采用平鋪法施工，每層鋪料厚度0.5m，允許鋪料間歇時(shí)間4h，按每小時(shí)澆筑混凝土60m3計(jì)，則一次最大允許澆筑面積為60×4/0.5=480m2。溢流壩橫縫間距為20m，則縱縫間距應(yīng)不大于480/20=24m。由此，壩基礎(chǔ)51m方向應(yīng)劃分為3段進(jìn)行澆筑。壩基分層按其所處約束區(qū)位置確定。

另外，如果上述壩基混凝土采用臺(tái)階法澆筑，則可選擇較大的分塊長(zhǎng)度。但采用臺(tái)階法，澆筑層厚一般為1.0～1.5m，最大不超過2m。

以上是按混凝土澆筑設(shè)備的能力計(jì)算最大澆筑倉位，如果混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備的能力不能與澆筑設(shè)備能力相匹配，或受其他一些因素影響(如道路交通條件)，則應(yīng)按效率最低設(shè)備的供應(yīng)能力核算最大混凝土澆筑倉位。

2.4 模板選用

混凝土分層分塊規(guī)劃還應(yīng)與所選模板的型式尺寸相一致。

為提高混凝土澆筑質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，許多水利工程均開始采用多種新型模板，例如多卡模板、翻轉(zhuǎn)模板等。這類模板，一般均有其定型尺寸。如多卡模板DK2033、DK3033等，面板尺寸 2.0m ×3.3m、3.0m ×3.3m，只適應(yīng)于3m層厚以下的混凝土澆筑。此類模板用于斜面混凝土澆筑，分層厚度應(yīng)保證斜面高度小于模板高度。

另外，對(duì)于一些定制模板，如弧形模板、轉(zhuǎn)角模板等，為保證安裝運(yùn)輸方便，也不能選擇過大的結(jié)構(gòu)尺寸。故混凝土的分層分塊應(yīng)結(jié)合模板定制尺寸綜合考慮。

一般情況下，混凝土分層應(yīng)以3m以下為主，因其能適應(yīng)多種模板的型式尺寸。

2.5 施工進(jìn)度

大體積混凝土澆筑后，為滿足混凝土強(qiáng)度或溫度控制要求，需要一定的停等時(shí)間才可進(jìn)行下一層混凝土澆筑，一般為5～10天。

如選擇過多的分層分塊，將會(huì)使停等時(shí)段增多，施工縫面處理工程量增加，施工進(jìn)度滯后。因此，在滿足溫控及其他施工條件的情況下應(yīng)盡可能選擇較大的分塊長(zhǎng)度、分層厚度，能通倉澆筑的盡量通倉澆筑。

而且，選擇合理的澆筑順序，也能減少澆筑停等時(shí)間，加快施工進(jìn)度。如采用跳塊澆筑、臺(tái)階狀分層澆筑等，使得在停等時(shí)間內(nèi)有其他塊段的 混凝土可以澆筑。

2.6 方案比對(duì)

混凝土分層分塊較小，溫控條件容易滿足，利于保證混凝土澆筑質(zhì)量，因此可以降低與混凝土溫控相關(guān)的一些措施費(fèi)用，但材料周轉(zhuǎn)、縫面處理、接縫灌漿等方面的費(fèi)用及工期將增加?；炷练謱臃謮K較大，對(duì)資源利用、施工進(jìn)度控制有好處，但與混凝土溫控相關(guān)的措施費(fèi)用及工期將增加，如混凝土加冰、預(yù)冷骨料、水管冷卻等方面的費(fèi)用及混凝土保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)等。

顯然，上述規(guī)劃因素的選擇有其有利和不利的方面，在實(shí)踐中需要綜合考慮。為在技術(shù)可行的條件下，尋求以上因素的最優(yōu)組合，可以有多種規(guī)劃方案，這里簡(jiǎn)要介紹兩種。一種是以相對(duì)造價(jià)最低為原則的規(guī)劃，另一種是以澆筑溫度最高為原則的規(guī)劃。前者是在保證質(zhì)量的前提下更多地考慮經(jīng)濟(jì)因素，后者則不嚴(yán)格考慮經(jīng)濟(jì)因素，而是爭(zhēng)取在施工中采取盡量少的措施。以上兩種規(guī)劃均可以通過數(shù)學(xué)模型建立目標(biāo)函數(shù)及約束條件來進(jìn)行求解，但由于其數(shù)學(xué)規(guī)劃為非線性關(guān)系，其各變量間也存在特殊限制，求解過程往往過于復(fù)雜。目前主要采用計(jì)算機(jī)編程的方式予以解決，此處不再贅述。

3 結(jié)語

對(duì)于一般工程量較小的混凝土施工項(xiàng)目，通過經(jīng)驗(yàn)或參考其他類似工程的混凝土分層分塊規(guī)劃，已能基本滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。但對(duì)于較大的工程項(xiàng)目，尤其是對(duì)混凝土溫控有特殊要求的部位，合理的分層分塊不僅能提高混凝土澆筑質(zhì)量，還能節(jié)省投資、縮短工期。

1 江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)［M］.(第二版).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

2 水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

3 GB 506666—2011混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范［S］.

4 DL/T 5144—2001水工混凝土施工規(guī)范［S］.