泵閘工程大體積混凝土結構裂縫控制關鍵技術研究

潘 源

[上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海市200080]

0 引 言

普遍認為溫度荷載是導致泵站混凝土結構產生裂縫的主要原因之一[1-3]。泵閘底板、墩墻等結構一般屬于大體積混凝土范疇，澆筑初期由于水泥水化反應的作用，混凝土的溫度會不斷升高，因混凝土各部位散熱能力（或蓄熱能力）的差異，導致混凝土內部的溫度分布不均勻，整體上會表現為混凝土內部溫度高于表面溫度，即產生內外溫差，由此引起的混凝土內各部位變形不一致，通常在混凝土內部產生壓應力，在表面產生拉應力。泵站流道、墩墻結構復雜，沿長度方向的厚度變化不均勻，在較厚的部位容易產生較大的拉應力，同時在流道漸變段等特殊部位也容易出現表面裂縫。降溫階段，泵站混凝土的收縮變形因受基礎或底板的約束而產生拉應力，溫度降幅越大、混凝土彈性模量越大，則約束作用越強，產生的拉應力值越大。比如在對長江流域部分省份水利水電工程的泵站的調查中可以發現，大約60%的泵站存在著流道裂縫的問題[4]。上述問題已成為工程業主、設計和施工人員困惑和關注的重要問題。

目前眾多學者總結了泵閘開裂的大體積混凝土開裂因素[5-8]，提出采用延遲拆模、合理分縫、水管冷卻、吊空模板技術、后澆帶技術等措施防止泵閘結構開裂。在綜述前人研究工作和工程施工經驗的基礎上，現結合考慮上海奉賢區航塘港泵閘結構形式，研究分析航塘港泵閘大體積混凝土結構的溫控防裂綜合措施。

1 工程概況

航塘港項目是連接現航塘港及杭州灣新開河道，打通航塘港，形成區域重要的排澇通道。在新開河道入杭州灣側設泵閘一座，主要建筑物（水閘、泵站、外河翼墻等）為1 級水工建筑物，其中泵閘規模：水閘凈寬24 m，泵站單向排澇60 m3/s。

航塘港泵閘工程基礎上部為現澆鋼筋混凝土結構，主要包括底板、墩墻，以及上部建筑結構等。其中泵站底板長33 m,，寬26.3 m，厚度為1.8 m～3.56 m，混凝土強度為C35，工程量1 750 m3。水閘底板長33 m，寬30.2 m，厚度為1.5～2.5 m，混凝土強度為C35，工程量1 951 m3。圖1 為泵閘底板斷面圖。

圖1 泵閘底板斷面圖（單位：mm）

航塘港泵閘泵站及水閘底板、墩墻最小尺寸均超過1.0 m，屬于大體積混凝土結構。同時，底板基礎為長樁，對底板約束較強。因此，有必要對該工程內大體積混凝土的溫控抗裂問題展開全面的討論。底板混凝土尺寸如表1 所列。

表1 底板混凝土體積統計表

2 溫控防裂方法

2.1 材料措施

2.1.1 水泥種類

該工程選用低水化熱水泥，在大體積混凝土中適當摻石或采用低標號混凝土以減小混凝土水化熱（摻入量不大于30%，所拋塊石距構件邊界的距離不得小于50 cm）。

2.1.2 混凝土配合比要求

根據設計要求進行混凝土配合比設計，混凝土除應滿足抗壓強度、抗滲等要求外，對混凝土防裂要求較高的部位適當摻入混凝土防裂劑或抗裂纖維。該工程在泵閘1.5 m 高程以下部位（底板、側墻、隔墩及流道等）混凝土中摻加改性高純聚丙烯纖維，提高混凝土抗裂能力，技術參數為：

（1）使用摻量：按照1 m3混凝土摻入1 kg 改性高純聚丙烯纖維。

（2）材料：聚丙烯，白色束狀單絲。

（3）纖維性能：抗拉強度≥350 MPa，彈性模量≥3 500 MPa.

（4）斷裂延伸率：10%～30%。

為了保證下層混凝土初凝前上層混凝土及時覆蓋，擬采取摻加緩凝劑的方式延緩混凝土初凝時間。混凝土初凝時間適當延長有利于降低混凝土水化熱產生溫度峰值。

混凝土配合比設計試驗報告待監理審批后方可使用。在確定混凝土配合比時，應根據混凝土的絕熱溫升、溫控施工方案的要求等，提出混凝土制備時粗細骨料和拌和用水及入模溫度控制的技術措施。

2.2 溫控措施

2.2.1 總體溫度控制標準

根據《大體積混凝土施工規范》（GB 50496—2018）“3 基本規定”：

（1）大體積混凝土工程除滿足設計規范、生產工藝的要求和結構配筋滿足結構強度和構造要求外，還結合大體積混凝土的施工方法配置控制溫度和收縮的構造鋼筋。

（2）溫控指標符合下列規定：

a. 混凝土澆筑塊體的里表溫差不大于25℃；

b. 混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20℃；

c. 進水溫度15℃～20℃；

d. 進、出水溫差3℃～6℃（參考值）。

2.2.2 冷卻水降溫

2.2.2.1 水管布置形式

航塘港工程閘泵站底板厚度1.8 m，閘室底板厚1.5～2.5 m。根據《大體積混凝土溫度測控技術規范》（GB/T 51028—2015），當混凝土厚度大于2 500 mm時，宜采用水冷卻方式控制大體積混凝土溫度。

泵閘邊墩最薄處厚度為1.5 m，最厚處厚度為3 m，中墩最薄處厚 度為1.5 m ，最厚處厚度為3 m，且在4 月底澆筑，澆筑溫度較高，采取水冷卻方式控制大體積混凝土的溫度。水冷卻管擬采用多層多回路布置，冷卻水管采用直徑φ40 mm 的鋼管，水平間距與垂直間距均為1 m。流速控制在0.8～1 m/s，水流方向每1-2 d 變換一次最終水管布置如圖2- 4 所示。

圖2 底板冷卻水管布置圖（單位：mm）

圖3 邊墩水管布設俯視圖（上圖）和側視圖（下圖）（單位：mm）

圖4 中墩水管布設俯視圖（上圖）和側視圖（下圖）（單位：mm）

2.2.2.2 溫度記錄及測溫曲線

為了全面準確地反映大體積混凝土內最高溫升、里表溫差、降溫速率及環境溫度，擬在底板、邊墩與中墩內部布置溫度測點。

（1）在大體積混凝土施工過程中，監測混凝土拌合物溫度、內部溫度、環境溫度、冷卻水溫度，同時監控混凝土表里溫差和降溫速率。溫差控制值應符合表2 規定。

表2 混凝土表里溫差控制值一覽表

（2）混凝土入模溫度、表里溫差、降溫速率及環境溫度的測量記錄頻次應符合下列規定：a. 混凝土入模溫度的測量頻次每臺班不少于2 次；b. 測溫觀測頻率前3 天為：1 次/1～2 h，第4～6 天為：1 次/6 h，第7～14 天為：1 次/12 h。

（3）在溫度監測過程中，當出現降溫速率、表里溫差超過表2 規定值時應自動報警，并及時調整和優化溫控措施。

2.2.2.3 通水冷卻方案

（1）混凝土冷卻水管按1 m 間距布置，按中間偏下布置并固定牢靠。通水流量2～4 m3/h，隨外界氣溫升高加大通水流量。

（2）冷卻水管使用前，按照4 m3/h 的流量進行水壓試驗，管道不得漏水、阻水；混凝土澆筑開始前即開始通井水，流量為4 m3/h，每隔2 h 變換一次通水方向；如果采取河水應保證河水溫度不高于25 ℃，且水質清澈不致堵塞管道；待內部溫度升到最高溫度3 天后可適當減小通水流量，但不得低于2.5 m3/h。

（3）前7 天齡期內單日混凝土澆筑體的降溫速率不大于3.0 ℃/d；7～14 天齡期，混凝土澆筑體的降溫速率不大于2.0 ℃/d。

（4）混凝土澆筑完成并具備條件時，上表面即鋪設薄膜進行保濕，并上覆保溫被。保溫被等效表面放熱系數不低于20 kJ/m2·h·℃。定時檢查上表面混凝土的濕度情況，如局部表面較干需要及時灑水養護。當氣溫低于入倉溫度10 ℃時，且持續時間超過一天，需要在表面加蓋一層保溫板（施工單位需要做好氣溫驟降的保溫預案）。

（5）水冷卻降溫結束后，及時用水泥漿對冷卻水管進行壓漿封堵。

3 結構措施

改善約束措施的主要目的是盡可能地減弱混凝土結構與外部結構、各混凝土結構、混凝土結構內部等之間的變形不協調性。對于水閘這種特殊的墻體結構而言，來自底板的約束是造成上部閘墩后期開裂的主要原因，而底板對墻體的約束程度與底板和墻體尺寸、間歇時間，以及相對彈性模量密切相關。底板越長、閘墩越高、間歇時間越長、底板彈性模量越大，約束作用越明顯。該工程結構措施考慮兩個方面：

3.1 層間間歇時間應滿足早期防裂等條件

間歇時間過長，易受氣溫驟降等影響而出現裂縫。此外，長間歇混凝土成為老混凝土對上層新混凝土約束區不利，因而提倡短間歇連續均勻上升。因此，應盡量縮短底板與墩墻及進水流道混凝土澆筑的間隔時間。

3.2 設置后澆帶

當墻體澆筑塊長度過長時，為減弱溫降過程中底板對其約束，以及減小溫度收縮應力，可以將其人為分成兩段或多段澆筑。在澆筑結束一段時間后，再用摻有一定量膨脹劑的混凝土將各段連接成整體。通過對泵閘側墻設置垂直河向兩道800 mm 厚后澆帶減少施工期的基礎約束長度來防止溫度裂縫的出現。

4 管理措施

4.1 重視施工前期準備工作

工程在施工前期應該重視混凝土溫度控制方面的準備工作：一是在設計階段就開始溫控方案的優化工作（包括配合比優化），并將其與結構設計的優化工作協調開展；二是要重視混凝土溫度控制方面的準備工作，如制冷機的安裝調試，冷卻水管及保溫材料的準備等等。

在設計階段就考慮溫控方案的優化，可以在施工招標時就明確施工期的溫控防裂成本，避免施工開始后參建各方因溫控防裂成本問題不斷推諉扯皮，影響施工進度和防裂效果。

4.2 提升溫控智能化水平

為了防止裂縫，除了嚴格控制混凝土溫度外，還需要加強管理、提高混凝土施工質量。由于溫控工作的專業性較強，而施工過程中部分管理人員和部分一線工作人員的認知水平和專業素質難以達到精準進行溫度監測和溫度控制的要求，因此，近年來用自動化機器替代人工進行大體積混凝土溫控工作已經成為新的趨勢，提高了施工期溫控管理工作的便利性、精準性、高效性。

5 結 論

（1）泵閘溫控防裂應著重關注進出口流道、底板、墩墻結構，對于結構厚度大的位置，應結合通水冷卻措施做好溫控防裂工作，同時需要嚴格監控混凝土表里溫差和降溫速率。

（2）對于泵閘大體積混凝土結構，可采用低熱水泥，降低混凝土早期水化熱產生，結合外摻高純聚丙烯纖維進一步提高材料抗裂性能。

（3）盡量縮短底板與墩墻及進水流道混凝土澆筑的間隔時間，同時通過對泵閘側墻設置后澆帶等措施減少施工期的基礎約束，降低開裂風險。

（4）應該提前進行溫控方案的優化和溫度控制方面的準備工作，加強施工管理，采用自動化機器，提升大體積混凝土溫度控制管理質量。