張涇河泵閘大體積混凝土精細化溫控研究

鄧 群，王雪豐，程 井

（1.上海市堤防泵閘建設運行中心，上海市 200080；2.河海大學，江蘇 南京 210098）

0 引言

我國每年有大量新建水利工程，其中泵閘工程是東部平原地區最為常見的水利工程，其數量眾多，在防汛除澇，水資源調度及水生態環境改善方面具有重要作用。泵閘結構復雜，閘墩等薄壁結構與大體積混凝土結構并存，若不采取合理有效的溫控措施，將很容易出現早期溫度裂縫[1-3]。泵閘結構中與水接觸部位的裂縫會使結構強度下降，大幅降低其抗滲性及耐久性；鋼筋混凝土出現裂縫將使混凝土對鋼筋保護作用減弱，鋼筋受到腐蝕后會降低結構整體抗拉性能，進一步加劇裂縫擴張，形成更大危害[4]。輕則影響建筑物的外觀、導致局部輕微漏水，重則可能形成貫穿裂縫嚴重影響結構強度和穩定性，工程無法長期穩定運行。因此，有必要對泵閘結構施工期溫控措施進行深入研究和優化，以減少裂縫問題的發生。本文以上海張涇河泵閘工程為例，對工程施工期溫控措施及相關經驗進行總結，為后續類似工程的溫控工作提供參考。

1 工程概況

1.1 樞紐布置

張涇河泵閘工程位于金山區金山新城，工程等別為I等。工程內容主要包括：（1）一條連通金山衛城河及張涇河出海閘的河道，河口寬度為40~50m，總長為2.15km；（2）泵閘主體工程，1級水工建筑物；（3）配合工程實施新建臨桂路橋等6座橋梁，翻建長約1.34km的衛二路及排水工程。泵閘主體結構平面布置情況見圖1。

圖1 張涇河泵閘主體結構平面布置圖（單位：mm）

泵閘主體采用“泵+閘”方案，泵站及水閘各集中布置在一側，水閘靠近大堤側。泵站設3臺泵，單泵流量30m3/s；閘采用3孔，單孔凈寬10m。泵房和閘室的橫斷面分別見圖2和圖3，混凝土等級為C30。站身閘首總寬65.02m。泵閘縱向總長約656m，從內河側到外河側各部位結構分別為：內河海漫段、前池及進水池、站身閘首段、外河出水池及消力池、外河海漫段、外河防沖槽、外河導堤及外河連接段。

圖2 泵房橫斷面圖

圖3 閘室橫斷面圖

1.2 地質條件及結構材料

1.2.1 地質條件

工程場地屬于湖沼平原（I－2）地貌類型。工程區地基土均屬第四紀沉積物，主要由填土、粘性土、粉性土及砂性土組成，成因類型主要為濱?！珳\海相、濱海～河口相等。

1.2.2 原材料及配合比

本工程選用低熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，并在滿足強度的前提下，減少水泥用量，以減少混凝土水化熱。細骨料選用中粗砂，細度模數2.6~3.2，含泥量不應大于3%；粗骨料選用粒徑5～31.5mm，連續級配，含泥量不應大于3%，非堿性骨料。

根據各部位混凝土性能要求，進行混凝土和砂漿配合比設計試驗，在滿足強度及防裂抗滲條件的前提下，減少水泥用量，確定最優配合比。泵閘主體工程采用的混凝土配合比見表1。

表1 泵閘主體工程配合比表 單位:kg/m3

2 溫控標準及精細化溫控措施

2.1 大體積混凝土溫控標準

泵閘結構大體積混凝土與薄壁結構并存，如張涇河泵站底板一次性混凝土澆筑方案達2883m3，需要符合現行國家標準《大體積混凝土施工標準GB 50496—2018》等有關規定[5-6]，其溫控指標應滿足下列條件：（1）混凝土在入模溫度基礎上的溫升值不應大于50℃；（2）混凝土里表溫差不應大于25℃；（3）前7d齡期內單日混凝土澆筑體的降溫速率不大于3.0℃/d；7~14d齡期混凝土澆筑體的降溫速率不大于2.0℃/d；（4）混凝土內外溫差不應大于25℃，拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與當地氣溫溫差不應超過20℃。

2.2 通水冷卻措施

對于底板、墩墻及進出水流道等泵閘工程中的關鍵部位，為減少其開裂風險，采用通水冷卻的方式控制混凝土的內部溫度。

以泵閘底板為例，說明冷卻水管的布置情況。泵站底板厚度為1.9m，底板轉折處厚度為5m，水閘底板厚度為1.8m，受厚度限制，除泵站底板轉折處布置有雙層水管，其余位置均按單層多回路布置。水管采用HDPE管，其內徑為32mm，外徑為40mm。水管豎直方向居中布置，水平間距均為1.0~1.2m。泵站及水閘底板的冷卻水管布置見圖4。

圖4 冷卻水管布置圖（單位：mm）

2.3 泵閘大體積混凝土精細化溫控要求

大體積混凝土散熱慢、溫升高，且容易發生早期表面裂縫及后期內部開裂。對于平原軟基上的泵閘工程，還存在水化熱速率快、結構體形復雜、施工工期短、結構內部不同部位間相互約束大等特點，因此，與常規大壩混凝土有本質的區別?；趶垱芎庸こ?，開展了平原地區泵閘工程的精細化溫控研究，對通水冷卻、拆模保溫及溫控監測進行了探討和總結。

2.3.1 通水冷卻及保溫要求

（1）水池及冷卻水源。冷卻水管建議配置專門的水池，水池容量依據大體積混凝土最大澆筑強度確定，水池示意見圖5。對于大型泵閘工程，容積應不小于40m3并覆蓋遮陽篷以避免陽光直射；水池水源可取自附近河水或自來水，若選用河水則水溫應不高于25℃且水質清澈不致堵塞管道。通水途中確保水源供應，盡量不使用循環水，避免中途斷水。

圖5 冷卻水池示意圖

（2）冷卻水管布置。冷卻水管布設方案應依據溫控計算分析確定；水管應均勻分布于混凝土結構中，底部冷卻水管可適當加密。水管現場布置完成后，應由監理單位對水管材料(鋼管、塑料管)、冷卻水管布置形式(布置層數、綁扎情況)、水管的豎直與水平間距等內容進行驗收，并對布置不當的問題進行調整。水閘底板冷卻水管布置實物見圖6。

圖6 水閘底板冷卻水管布置圖

（3）預通水試驗。冷卻水管布設完成后，應在混凝土澆筑前1d進行預通水試驗，檢查水管接口部位的漏水情況并處理。通水流量可通過仿真分析確定，一般在3~6m3/h。若水管材質為塑料管，在混凝土澆筑前管道內可預先注滿冷卻水，使管道內部具有一定壓力，避免水管遭受外力擠壓從而降低過水能力，影響通水冷卻效果。

（4）通水冷卻。通水時間一般為10~14d，當后期混凝土內部平均溫度與大氣溫度相差在10℃以內，可考慮停止通水。

（5）加冰拌和。高溫季節進水溫應保持在20~24℃。若水源水溫較高，為保證通水冷卻效果，宜采取加冰措施以降低進水溫。加冰拌和實物見圖7。

圖7 冰塊投放實物圖

（6）在夏季或氣溫較高環境下澆筑混凝土，選擇夜晚或清晨澆筑以降低澆筑溫度。

（7）待澆筑完成且倉面混凝土具有一定強度后，立即鋪設薄膜及覆蓋土工布，進行保溫保濕養護，表面保溫情況見圖8。拆模工作應選在白天氣溫較高時段進行，側模拆除后，應依據內外溫差情況考慮是否需及時覆蓋保溫板。

圖8 水閘底板保溫情況

2.4 通水冷卻溫控監測

為全面反映混凝土的最高溫度、降溫速率、里表溫差及表面與大氣溫差等指標，在各澆筑部位預埋溫度傳感器。根據各澆筑部位的特點，選取能夠反映混凝土情況的典型測區，并截取相應長度的鋼筋，根據設計的測溫布置圖將溫度傳感器固定于鋼筋。將測溫鋼筋埋入木模板居中位置，待混凝土開始澆筑后，實時監測混凝土內部溫度。另外布置溫度傳感器監測進、出水溫及氣溫，并為每組水管安裝電磁流量計以監測流量。將以上數據傳輸至云服務器供后續研究分析。當混凝土溫度指標超出合理范圍時，將自動報警，以便現場工作人員及時調整溫控措施。以張涇河為例，水閘底板的測溫布置見圖9。

圖9 水閘底板測溫布置圖（單位：m）

3 張涇河溫控成果及反饋

3.1 泵閘主體工程澆筑及溫控情況

張涇河泵閘主體工程各部位采取的溫控措施及澆筑溫度等特征溫度匯總見表2?；緶乜卮胧橥ê铀鋮s，本站底板采用外徑48mm鋼管，其他部分采用外徑40mmHDPE管；對于高溫季節澆筑的泵站進水流道、水閘底板、泵站出水流道下部，對入池河水進行加冰，冰塊尺寸為長寬高：0.7m×0.2m×0.4m，單塊冰塊體積為0.056m3。每次投放量為40~50塊，水溫降至24℃以下時停止投放冰塊。表3為水閘底板澆筑時冰塊投放的詳細記錄。圖10為加冰拌和期間水池進水溫的變化過程線。

圖10 水閘底板冷卻水加冰拌和期間水溫變化過程線

表2 泵閘主體工程各部位溫控統計表

表3 冰塊投放量

由上述圖表可知：（1）澆筑時間對混凝土最高溫度影響很大。泵站底板在12月底澆筑，澆筑溫度較低，最高溫度也較低，約為50℃。而夏季澆筑的進水流道上部及出水流道下部，受氣溫影響，澆筑溫度較高，最高溫度均在60℃以上甚至接近70℃，對溫控防裂不利。因此，高溫季節澆筑混凝土應避開高溫時段，并采取相應措施降低混凝土澆筑溫度，避免出現過高的最高溫度。（2）對于主體結構，在高溫季節（5~9月）澆筑時，受澆筑進度影響，部分混凝土澆筑溫度高于28℃，因此采取冷卻水加冰拌和方案，以控制進水溫在20℃~24℃。（3）加冰后水池水溫降幅在2℃~6℃，平均降溫幅度為3.4℃，加冰效果明顯，能夠使進水溫保持在合理范圍之內。

3.2 水閘溫度場反演反饋分析

泵閘結構溫控仿真的主要流程包括三個階段：（1）通過室內試驗或參考配合比情況，獲得混凝土的熱力學參數初始值；（2）依據實際原材料及配合比、冷卻水管及保溫材料，開展了現場大體積混凝土通水[1]及不通水試驗，基于實測混凝土溫度及氣溫、水溫監測數據，開展了保溫條件下的表面散熱系數及混凝土導溫系數的反演分析；（3）利用反演結果，對泵閘整體施工過程開展混凝土溫度場反饋分析。

圖11和圖12分別給出了張涇河水閘底板B02測區的實測溫度過程線及反饋對比值。反饋成果顯示各測點混凝土的溫度計算值與實測值變化趨勢一致，最高溫度與達到最高溫度齡期也基本一致。由于現場條件較為復雜，對保溫保濕及通水效果的模擬與實際情況存在一定差距，各測點的反饋值與實測值誤差在5℃以內，在可接受范圍，表明所用計算方法及參數能夠滿足工程精度要求。

圖11 水閘底板B02測區反饋值與實測值對比圖

圖12 水閘底板B02測區反饋值與實測值對比圖

4 冷卻水管選擇

泵送混凝土（商品混凝土）水化熱高，早期溫升極快，在澆筑后1~2d就會達到溫度峰值，與外界形成較大溫差，此時混凝土強度尚未發展完全，容易產生溫度裂縫，因此有必要盡早通水來控制混凝土內部溫度以降低里表溫差[7-8]。此時水管材質、水管管徑、水管間距等對于混凝土降溫效果均有較大影響。仍以本工程水閘底板為例，參考實際可用管材，模擬分析不同材質、管徑及壁厚對冷卻效果的影響。水管豎直及水平間距均取為1.0m，單根水管長度均為200m，水溫均為24℃，對比結果見表4。

表4 溫控效果匯總表

由表4可以看出，同管徑（管徑/壁厚=40mm/3.0mm）同流量(4m3/h)下采用鋼管和采用HDPE管的混凝土最高溫度分別為56.82℃和58℃，鋼管比HDPE管削峰效果要大1℃~2℃；水管材質相同時，大管徑水管的降溫效果更好，主要體現在接觸面及通水流量的加大和進出口水溫的減小。另外鋼管不易發生變形，且更有利于保證后期降溫速率，縮短通水冷卻時間，節省施工成本。

5 總結與建議

針對上海等平原地區泵閘工程商品大體積混凝土，以張涇河泵閘工程為試點開展了施工期精細化溫控防裂理論及措施研究，通過嚴格的通水冷卻及溫度監測，取得了良好的防裂效果。主要研究成果及結論如下：

（1）澆筑溫度與后期最高溫度呈正比關系，高溫時段澆筑會提高混凝土的澆筑溫度，使得混凝土最高溫度過大。建議澆筑溫度不大于28℃，應盡量避免在高溫季節或時段澆筑大體積混凝土，可考慮夜間澆筑。

（2）對于深基坑部位的結構底板，進行大體積混凝土通水冷卻時，受高程變化影響，冷卻水沿程阻力較大。為保證充足的流量，外部引水管應采用外徑40mm以上的粗管并增大進水口處的壓力；通水前應進行試驗，確保管路接口的密封性，防止接口處水壓過大而爆裂。

（3）對不同材質及尺寸的冷卻水管對比仿真分析結果表明，采用大管徑鋼管能夠更好地控制混凝土內部溫度，有效降低最高溫度，控制里表溫差。

（4）將智能化監測控制技術與反饋仿真分析相結合，應用于泵閘結構的實時溫控，能夠降低人為因素造成的誤判，有效提高溫控的效率，是未來泵閘溫控發展的趨勢。