南水北調東線萬年閘泵站混凝土溫控防裂措施解讀

蔣育頠 李慧鵬 劉宇

【摘要】大型泵站底板及流道層混凝土溫控及防裂是大型泵站施工中較為普遍和突出的技術難題。在南水北調萬年閘泵站施工中，項目組結合國內類似泵站及中型水電站廠房施工經驗，在采用了先進技術進行預模擬和試驗監測的同時，從工程實際情況出發，對泵送混凝土施工的常規溫控防裂措施加以改進。經實踐檢驗，取得了良好的效果，為施工地較為偏僻的水利工程大型泵站采用常規泵送混凝土技術進行施工做出了一定的探索。

【關鍵詞】大型泵站；泵送混凝土，溫控防裂

1、選題背景

大型泵站建設50多年來，依托江水北調、引灤入津、引黃濟青、南水北調等調水工程，國家興建了超過500座大型泵站。在水工混凝土薄壁結構工程中，泵站因其進出水流道及水泵井空間形體各異，結構斷面變化較大，是結構形式最為復雜、施工難度最大和最易出現裂縫的水工建筑物。特別是長江以北地區，多數泵站在施工過程中會或多或少地出現結構性裂縫，長期困擾工程的建設與運行。近二十年來，隨著泵送混凝土施工技術的應用，大型泵站施工期混凝土開裂現象愈發嚴重，以至泵送混凝土施工技術在大型泵站建設中的應用受到專家質疑。現就采用泵送混凝土施工技術建設，經運行實踐證實的南水北調萬年閘泵站混凝土溫控防裂措施進行統計、分析和解讀。

2、工程概況

萬年閘泵站樞紐位于山東省韓莊運河中段，是南水北調東線工程的第八級抽水梯級泵站。項目利用京杭運河原有萬年閘節制閘擋水，通過擴挖韓莊運河主槽輸水，在運河北岸新建引水渠、提水泵站、出水渠等建筑物，將萬年閘下游臺兒莊泵站（常態混凝土施工）來水提引到運河節制閘上游，與韓莊泵站（泵送混凝土施工）下游水位銜接。工程規模為大（Ⅰ）型，工程等級為Ⅰ級。泵站設計揚程5.49m，設計輸水規模125m3/s，多年平均運行小時為4227h，共安裝5臺立式軸流泵，單機流量為31.5 m3/s，總裝機容量1.4萬kw。工程總投資2.45億元，計劃工期30個月。

3、設計與施工規劃

站址區地層依次為第四系①、③、④層黏土，②層黏土夾姜石，⑤層砂質壤土，⑥層中粗砂夾土，以下為第三系粘土巖。泵站底板位于⑥層中粗砂夾土層上。站址區地下水位較高，泵站底板受有約15m承壓水頭。基面設10cm厚C10素混凝土墊層。底板共分左右兩聯， 1～3號機組段為右聯， 4～5號機組段連接檢修間底板為左聯，聯間設伸縮縫；流道層分聯與底板相同。主要設計參數見下表：

為保證結構整體性，在流道層中部進水流道段與下游空箱段間設4.5m寬混凝土后澆帶，在進水池空箱式擋土墻中部設0.8m寬后澆帶，待進水流道和下游空箱混凝土收縮完成、氣溫降至年最低溫度時，用提高防滲抗裂劑摻量的微膨脹混凝土回填。防滲抗裂劑摻量為水泥重量的10%～16%，膨脹率為0.04%。為提高材料抗裂性能，將保護層厚度降至35mm。并在混凝土中摻防滲抗裂劑。根據設計計算說明書，可補償混凝土自身約4～60C的收縮變形。為保證施工合理性，根據設計要求、泵站體型及施工需要，橫向按設計要求對混凝土進行分區，縱向按體型變化進行分層，具體縱斷面形式及混凝土分層如圖1所示。

4、配合比設計

4.1 原材料

膠凝材料的選擇主要考慮了廠商實力及產品品質，水泥選用棗莊榴園水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰選用濟寧鄒城電廠生產的一級粉煤灰（球形灰）；砂選用臨沂產沂河河砂，為山東境內最優質的河砂之一， 碎石采用當地張山子石料。混凝土防滲抗裂劑、減水引氣劑、聚丙烯網狀纖維（PPMF）采用山東水務混凝土外加劑廠產品，拌合用水采用站區地下深井水。

4.2 配合比設計

鑒于泵送混凝土施工技術在大型泵站施工中已有成功案例，經綜合考慮建筑體型、施工工藝、施工時段及材料等因素，確定采用泵送混凝土進行施工，為進一步提高混凝土表面抗裂能力，在流道層及以上重點部位摻入0.9kg/m3的聚丙烯網狀纖維。設計配比如下：

經現場試配試驗論證，在確保混凝土和易性的基礎上，進一步對拌合用水量進行了調減，確定在蓄水池標準水位±500mm的儲水范圍內，將拌合站注水時間固定為12s。施工時，實測出機口及倉面坍落度均值為120mm（±20mm），含氣量大于5%；施工時段，原材料分別通過現場檢測及委托檢測，各項指標均符合水利及電力行業規范要求。施工期主要材料實測參數見下表：

5、混凝土施工

5.1 施工時段

泵站底板施工時段為氣溫較高的6月下旬至8月下旬，流道層施工時段為氣溫相對較低的10月下旬至12月下旬，期間按規劃合理地完成了進水池擋土墻和前池剩余擋土墻的施工任務，有效地使流道層混凝土避開高溫施工時段；并在各部位施工中較好地實施了溫控防裂措施， 未出現裂縫；

5.2施工措施

混凝土拌合系統主要由攪拌系統（2座強制式攪拌機JS-1000/750，容量分別為1m3/0.7m3）、配料系統（PLD-1000電子配料機及螺旋輸送機）、供水系統（20m水井、深井泵、蓄水池及拌合系統水泵）、儲料系統（1000m3*3料倉及2臺120t整體罐）及混凝土運輸系統（2臺HBT-60拖式泵）五部分組成。混凝土拌制時骨料和膠凝材料分別由裝載機和螺旋輸送機上料至配料系統。外加劑因計量精度較高，采用人工單獨定量添加。摻聚丙烯網狀纖維混凝土拌合時，先將骨料和聚丙烯網狀纖維干拌2min，再投入膠凝材料、外加劑和水拌合90s，出料經檢測合格后，泵送入倉。

底板采用臺階法澆筑，流道層采用通倉薄層法澆筑，層厚按0.4m進行控制。施工時，人工引接泵管分層鋪料、平倉、振搗。流道弧線切面區采用對拉鋼絞線做引漿處理，收倉采用抹二、壓三的收面方式。收面檢查合格后對混凝土外露面進行覆蓋保護，覆蓋材料結構為：塑料薄膜、厚氈布一至二層；澆筑完成后，待混凝土內部實測溫度超過2000C時開始通水降溫（地下深井水，水溫約140C）。在混凝土降溫階段嚴控降溫速度。

5.3 溫控防裂措施

1）原材料溫控：拌合用水采用常年溫度穩定在140C左右的深層地下水，取水深度15m。施工時對儲水池按標準水位做好計量，隨抽隨用，盡可能減少水溫回升。高溫季節拌合用水在進入攪拌罐時水溫可控制在20～210C。骨料采用高堆深取法儲存和使用，最大堆高8m；料倉上設塑料遮陽篷。高溫施工時段，根據試驗室要求對骨料采取噴淋地下水的方式進行降溫。水泥采用出爐一個月以上，溫度趨于穩定的散裝水泥，且流道混凝土使用的膠凝材料為一次備足的整倉用量，避免了連續供料導致的水泥穩定性降低；

2）拌合及運輸溫控：拌合站采用搭設塑料遮陽棚，泵管外包厚氈布的方法進行保溫，并在高溫時段定時灑水降溫。經實測，混凝土泵送溫升可控制在0.5-10C之間。

3）倉面溫控：根據天氣預報及時調整澆筑時段。澆筑時，通倉搭設遮陽棚。經實測，高溫時段可降低倉內氣溫20C～2.50C。澆筑開倉選擇在氣溫較低時段（TMAX≤320C）。

4）混凝土澆筑防裂措施：嚴格控制澆筑速度與澆筑質量，預先布置好混凝土卸料點和卸料次序，確保混凝土澆筑的有序性、連續性和內部質量均一。施工時混凝土連續入倉，確保層間覆蓋時間小于2h，振搗密實、層間結合良好，防止混凝土內部出現薄弱面或初始裂縫；

5） 混凝土分倉防裂措施：嚴控各倉組織籌備時間，確保混凝土層間間隔時間控制在7～10d，盡可能縮短層間間歇時間，保證混凝土工程的連續施工，以減少層間變形約束。

6）溫度監控：埋設溫度感應計，實時監控混凝土內外各區域溫度及溫差；

6、混凝土養護

6.1 倉面防護措施：由于混凝土一般在澆筑后20～64h內部溫升達到峰值，而終凝后由于齡期短，抗裂性能差，極易因溫差和干縮產生表面裂縫。因此，在收倉后，采用濕氈布、塑料膜、厚氈布各一層的順序依次對外露面進行覆蓋保護，以達到保濕和快速提高混凝土表面溫度，減小內外溫差的效果，從收倉環節開始避免混凝土表面干縮裂縫的出現；

6.2 拆模及養護措施：由于混凝土立面及弧面養護難度較大，現場采取延遲拆模保水和覆蓋灑水相結合的方法進行養護。拆模時間平立面為3d，流道曲面為不少于14d。考慮到模板拆除后，混凝土表層水分快速蒸發，局部易出現因干縮應力和溫度應力相疊加而導致拆模瞬間形成表面微裂。因此，拆模一般選擇在氣溫較高的下午進行。拆模選用逐層剝離法，即首先拆除模板外保溫材料，1-2天后，拆除對拉螺桿和外部支撐，使模板與混凝土墻面分離，開始養護。再間隔1-2天，將模板全部拆除，充分覆蓋及養護；混凝土立面采用頂部設塑膠灑水管（灑水孔間距20cm）向覆蓋物持續均勻補水；

6.3 通水降溫措施：進水流道預設間排距1m×1m的φ50mm鋼制冷卻水管，循環水溫為170C～190C。混凝土澆筑時，當混凝土溫度超過冷卻水溫時開始通水冷卻。經左聯底板首倉澆筑實踐論證，剩余部位未繼續使用循環水進行混凝土內部降溫；

6.4 防風措施：混凝土保溫保濕養護完成后，在流道口設防風簾，以減少流道內空氣流動和溫度變化；

7、溫度與應力觀測

沿泵組進水流道下游側軸線預埋溫度探頭3個，兩側預埋溫度探頭15個。在有代表性的進水流道弧面切線中點處、弧面中部，流道接空箱處預埋應變計。經過對高溫季節澆筑的首倉泵站底板混凝土的溫度觀測結果可知，混凝土最高入倉溫度27.50C，最高澆筑溫度28.00C，養護期內部最高溫度達62.90C，內外最大溫差220C。均接近或略高于河海大學針對該“底板澆筑溫控有限元數值仿真計算分析”的建議值或預測控制值上線。

8、結語

8.1 大型泵站一般位于偏遠地區，能夠在原材料及施工質量符合電力行業施工規范要求的前提下，僅采取常規防護措施，應用泵送混凝土施工工藝進行快速施工；

8.2 本工程流道施工中沒有采用預埋冷卻水管進行通水降溫，也沒有設置制冷設備進行預冷混凝土的制備，而是通過精細化管理采用常規溫控措施進行施工控制。在滿足施工質量要求的前提下，有效地降低了施工成本。

8.3 鑒于大型泵站是近年來引調水工程建設項目中的關鍵性工程，同時考慮到各類泵站混凝土工程在結構體型、施工條件及生產環境等方面的相似性。我們認為對南水北調大型泵站在常規施工條件下的施工技術，特別是高溫條件下的施工控制方法及參數進行總結和分析很有必要，對將要興建的各類引調水泵站工程具有現實的對比分析和借鑒指導意義；

參考文獻：

[1] 南水北調工程建設技術叢書-泵站工程[M]中國水利水電出版社，2012

[2] 劉有志，水工混凝土溫控和濕控防裂方法研究[J]河海大學學報，2006

[3] 張海濤，瞿瀟，南水北調工程山東萬年閘泵站泵送混凝土施工防裂方法研究[J]山東大學學報，2009

[4] 郭紹春，對萬年閘泵站模型試驗結果的分析[J]中國農村水利水電，2006

[5]南水北調萬年閘泵站Ⅱ標施工組織設計、施工方案及試驗資料；