南水北调中线蒲阳河倒虹吸管身混凝土防裂技术.pdf

第 8卷O 2 2 0 1 0年 7月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e T e c h n o l o g y Vo 1 8 S u p p J u 1 2 0 1 0 南水北调 中线蒲 阳河倒 虹吸管身混凝土防裂技术 王炳恒 ， 景 书达 ( 1 河北省水利工程局 ， 石家庄 0 5 0 0 2 1 ； 2 水利部河北水利水电勘测设计研究院， 天津 3 0 0 2 5 0 ) 摘要： 主要介绍了蒲阳河渠道倒虹吸管身混凝土结构设计 、 混凝土配合比优化、 施工瞬态温度场仿真模拟、 混凝土原材 料选择 、 浇筑工艺试验、 温度测量与控制及养护等， 采用综合控温防裂技术措施， 解决了倒虹吸管身混凝土裂缝问题， 为类似工程提供了有益经验。 关键词 ： 倒虹吸 ； 混凝土 ； 温控 ； 防裂 中图分类号 ： T V6 8 ； TV 6 7 2 文献标识码 ： B 文章编号： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 0 ) 0 0 2 0 0 1 3 0 3 No r t h W a t e r Tr a n s f e r I nv e r t e d Si p ho n Pi p e S ha f t Co n c r e t e Cr a c ki n g Te c hn o l o g y WANG B i n g - h e n g ， J I NG S h u - d a ( 1 He Wa t e rC o n s e r v a n c yE n g i n e e r i n gB u r e a u， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 2 1 ， C h i n a； 2 Mi n i s t r y o fWa t e rC o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e o f He b e i nn n j i n 3 0 0 2 5 0 ， Ch i na) Ab s t I _d c t ：Th i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e s d t h e Pu y a n g Ri v e r c h a n n e l i n v e r t e d s i p ho n c o nc r e t e i n s t r u c t u r a l d e s i g n， c o nc r e t e mi x o p t i mi z a t i o n s i mu l a t i 0 n o f t r a n s ie n t t e mp e r a t u r e f i e l d c o n s t r u c t i o n， c o n c r e t e ， a n d ma t e r i a l s e l e c t i o n， c a s t ing t e c h no l o g y t e s t ， t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t a n d c o n t r o l ， a n d ma i n t e n a n c e ， a n d s O O n，The n i nt e g r a t e d t e mp e r a t ur e c o n t r o l c r a c k t e c h n i c a l me a s u r e s t o a d d r e s s t h e i n v e r t e d s i p h o n c o n c r e t e c r a c k p r o b l e m ， p r o v i d e u s e f u l e x p e r i e n c e i n s i mi l a r p r o j e c t s Ke y wo r d s ：i n v e r t e d s i ph o n； t h e c o n c r e t e ； t e m p e r a t u r e ； c r a c k 0 引言 混凝土结构出现裂缝不仅影响混凝土的外观质量， 而且 会导致结构的应力重分布， 降低结构的承载能力和耐久性。 由于产生裂缝的因素很多， 问题复杂， 因此这是一个大家都在 重点研究的工程关键技术难题。在蒲阳河倒虹吸设计和施工 阶段， 从结构设计、 混凝土配合 比优化、 施工瞬态温度场仿真 模拟、 混凝土原材料选择、 浇筑工艺试验、 温度测量与控制及 养护等多角度、 多层面进行了混凝土的温度控制和防裂控制， 取得了较好的效果 。 l 工程概述 蒲阳河渠道倒虹吸工程是南水北调中线京石段供水工程 中的一座 大型控制 性河渠 交叉建 筑物 。管 身段 长 2 4 0 1T I ， 三 孔一联钢筋混凝土箱型结构， 每孔净尺寸为 6 0 1 T I 6 0 r n 。 涵管总宽度 2 3 I n ， 高度 8 6 IT I ， 顶板、 底板、 边墙厚 1 3 I n ， 中 墙厚 1 2 In， 属于地下薄壁混凝土结构。施工期铺设在地面 上的倒虹吸管温度应力过大， 极易发生裂缝。而倒虹吸作为 承受水压力的小偏心受拉构件， 规范要求必须保持抗裂稳定， 不允许出现任何裂缝。因此， 采取有效地温度控制和防裂措 施非常必要。 2 温度控 制和 防裂措施 2 1 优 化 结构设 计 蒲阳河倒虹吸管身孔口大、 内外荷载压力大， 利用材料力 学和三维有限元法， 对结构抗裂、 应力状态进行了综合分析和 优化设计。按平面问题将管身视为弹性地基上的框架， 采用 文克尔假定， 按初参数求解法根据内力计算结构， 进行了承载 能力极限状态下 9种工况计算和正常使用极限状态下 7种工 况的演算。采用结构优化技术， 在参数空间形成空间有限元 网络， 按照移动渐进的方法使优化问题中的目标和约束函数 相接 近 ， 模拟实际的边界条 件按三维 有限元 结构进行复 核与 分析。 从降低地基不均匀沉降， 减少混凝土约束、 控制混凝土裂 缝的角度出发， 合理设置管身横向分缝间距为 1 5 2 0 m； 为 减少结构形状突变、 刚度急剧变化及宜保证混凝土施工质量， 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 6 0 1 修回 日期 ： 2 0 1 0 0 6 1 2 作者简介： 王炳恒 ( 1 9 5 8 一 ) ， 男 ， 河北孟村人， 高级工程师 ， 长期从事水利工程施工技术工作 。 1 3 冁瓤 憾| 瓣 | 挺 鞴 第 8卷 O 2南水北调与水利科技 2 0 1 0年 7月 合理选定倒虹吸管身为三孔一联的矩形箱涵结构 ； 求出最经 济配筋率， 在底板和顶板与墙体接缝处， 适当增加配筋率， 并 通过受力筋、 构造筋的优化布置有效地控制裂缝的产生。 2 2 施工期温度场及应力场仿真计算 通过对混凝土温度场和徐变应力场的非恒定时空复杂问 题的求解， 对整个施工过程进行严格意义上的数值仿真模拟， 计算出 昆 凝土的温度场。根据倒虹吸管身结构特点 ， 取管身 的 1 4进行计算， 基础底部取 1 m深， 宽度方向较管身宽 1 m， 长度方向与结构长度相同。计算中考虑混凝土的浇筑温 度、 浇筑及养护期间的气温变化、 水泥水化热引起 的温度变 化。管身分三层施工 ， 第一层为底板及底抹角以上 2 0 c Y n的 墙体( 高 2 O m) ， 第二层为墙体( 高 4 2 m) ， 第三层为上抹角 下 6 0 c m 以上 的墙体极 顶板。计算 采用 国际通 用软 件 NAS YS完成， 有限元模型单元总数 8 3 2 0个， 节点总数为 1 O 7 1 0 个， 有限元模型采用 8节点六面体单元， 热分析采用 s o l i d 7 0 单元， 结构分析采用 s o l i d 4 5单元。 通过计算 ， 管身混凝土 由于水 化热 的作 用浇筑后 温度迅 速上升， 墙体、 底板、 顶板分别在 5 0 6 0 h达到最高值， 持续 后 6 1 O h开始下降， 混凝土的最高水化热温升在 2 8 3 2。 C， 浇筑温度为 2 5， 混凝土内部的最高温度为 5 3 5 7 。由于管身结构 厚度较 小 ， 散 热面 积较大 ， 温 度达到最 高后下降较快。从不同部位来看， 混凝土内部温度下降慢， 特 别是底板、 顶板与墙体的节点处， 温度下降较慢； 管身混凝土 内外壁表面温度下降较快。浇筑后 1 5 d之内， 混凝土的内外 温差比较大， 有的达 2 5以上。当外界气温较低时， 混凝土 表面温度受气温的影响也较低， 内外温差比较大。因此， 不但 要对气温较低时浇筑的混凝土采取保温措施， 而且对高温季 节特别是当昼夜温差较大时浇筑的混凝土采取保温措施也是 必要的。 由温度变化在混凝土中产生的应力状态看， 当混凝土内 外温差较大时， 大于 2 5， 混凝土表面的拉应力比较大； 底板 与墙体、 墙体与顶板分层部位的拉应力比较大， 底板混凝土浇 筑后约 1 5 d 最大正应力值达到 1 4 MP a 。此时， 底板混凝土 达到了较高的强度， 温度已经降低 ， 而上部墙体混凝土浇筑后 温度已经回落， 底板对墙体由于温度变化产生的变形具有一 定的约束 ， 因而产生拉应力。 通过温度场及应力场的仿真分析， 倒虹吸管身混凝土的 温度控制是必要的， 不仅要控制混凝土的浇筑温度， 缩短分层 之间的问歇时间， 而且更要控制内外温差。 2 3优化 混凝 土配合 比 先期开工的其他类似工程曾对管身混凝土配合比进行了 优化试验， 当水胶比为 0 4 9 、 减少水泥 2 0 k g m 3粉煤灰掺量 2 O 7 、 用水量 1 3 6 k g ( 比原来减少 6 k g ) 、 掺加 0 7 的高效 缓凝减水剂和 0 0 0 4 的引气剂时， 混凝土内部水化热温升 由原来的平均 3 5 5， 降低到平均 3 0。C， 温峰值 由原来的 3 3 4 7 h推迟到平均 6 0 h 。蒲阳河倒虹吸工程借鉴其配合 比优化试验的经验， 通过减少水泥用量、 提高粉煤灰掺量 、 降 低用水量、 掺加高效缓凝减水剂和引气剂， 进行混凝土配合比 1 4 攀 优化。经试验确定管身混凝土配合 比为： 水胶比为 0 4 3 、 水 泥用量 2 5 1 k g 、 粉煤灰掺量 2 O ( 6 3 k g ) 、 用水量 1 3 5 k g 、 掺加 0 7 的高效缓凝减水剂和 0 0 0 4 的引气剂。经实测混凝 土内部水化热温升 2 5 53 O， 温峰值 5 2 7 8 h 。 混凝土内部水化热温升的减少， 使温度应力相应减小， 温 峰值推迟， 使温度上升速度减慢， 延长散热时间， 防止混凝土 产生裂缝。优化后的配合比在充分保证混凝土各项设计指标 的基础上， 不仅改善了混凝土的工作性能， 而且大大降低了混 凝土 的防裂难度 。 2 4 严格控制原材料的选择使 用 水泥选用河北省鹿泉市东方鼎鑫水泥有限公司产“ 鼎鑫” 牌 P 04 2 5 低碱 、 中热、 早期强度较低的散装水泥， 实测 2 8 d 强度为 4 7 5 1 MP a ， 标准稠度用水量一般在 2 7 左右， 细度 小于 3 2 ； 粉煤灰选用国华定州电厂 级以上粉煤灰， 细度 小 于 1 9 ， 烧失量小 于 2 3 ； 粗骨料选用永胜石场生产的石 灰岩质 自然连续级配、 无碱活性的石子， 分类为 5 2 0 I T I I T I 、 2 0 4 0 n 1 I n两个级配 ， 表观密度为 2 6 3 5 2 7 8 0 k g ma ， 含泥 量、 针片状含量、 有机质含量、 泥块含量、 超逊径等均满足规范 要求； 细骨料选用沙河安顺砂场产细度模数在 2 6 2 9范围 内、 无碱活性的中、 粗砂 ， 表观密度为 2 5 9 0 2 6 7 0 k g m 3 ， 坚 固性小于 3 ， 含泥 量 、 云母含量 、 泥块含 量 、 有 机质 含量 、 硫 化物含量等均满足规范要求； 外加剂选用河北省混凝土外加 剂厂产 DH4 t 缓凝高效减水剂、 DH3 G高效减水剂、 D H9 引气剂， 掺量分别为 0 7 、 0 7 、 0 0 0 4 。 严格按混凝土施工配合比进行配料， 混凝土搅拌时间必 须达到 7 5 S ， 坍落度控制在 4 8 c i n 。每班检测砂石料， 根据原 材料的含水量、 粒径等因素及时对混凝土配合比进行调整， 每 盘混凝土需经试验人员同意后才能出厂。混凝土拌和站定期 校正称量 系统 ， 保证对混凝土的称量精度和混凝 土的均匀性 。 2 5凝 土 浇筑工 艺试验 通过混凝土浇筑工艺试验和借鉴其他类似工程经验教 训， 确定管身混凝土分三次浇筑 ： 第一次浇筑底板 ， 浇筑高度 到底板倒“ 八” 字以上 2 0 c m； 第二次浇筑墙体， 浇筑高度到顶 板八字以下 6 0 c mi 第三次浇筑剩余的墙体和顶板。底板和 顶板混凝土采用台阶法浇筑， 墙体采用平铺法浇筑。通过混 凝土浇筑工艺试验确定了台阶法浇筑的台阶宽度、 台阶厚度、 振捣棒振捣间隔和排距， 以控制即把上层混凝土振捣密实， 又 对下层混凝土在适当的时间内进行二次加密振捣， 但又不会 造成多次振捣； 确定了底板倒八字处混凝土减小铺层厚度、 用 小振捣棒振捣、 增加倒八字模板外辅助振捣排气的施工工艺， 从而保证混凝土质量 。 2 6温度测 量与控 制 每天检测混凝土组料的温度和环境温度， 利用检测温度 值进行热工计算， 计算出混凝土的出机口温度、 入仓温度及混 凝土内部温度， 为制定和实施混凝土组料温度控制措施提供 支撑数据。 2 6 1 低温季节的温控措施 在浇筑混凝土前， 提前用棉被覆盖浇筑仓面和内外模板， 王炳恒等 南水北调中线蒲阳河倒虹吸管身混凝土防裂技术 保证仓面的表面温度为正温； 浇筑前用风枪进行仓面吹扫。 控制混凝土出机温度和浇筑温度不小于 8。对露天骨 料用塑料布包裹棉被覆盖， 防止骨料形成冻块。在混凝土拌 制过程中， 派专人负责看护配料机皮带上的骨料 ， 以清除砂石 的冻块。采用聚苯乙烯保温板把拌和主机周边封闭， 减少混 凝土搅拌过程中的温度散失。配备 4 t 水箱 2 个 ， 直接烧煤炭 加热拌和水。延长混凝土拌和时间， 较正常时间延长 2 0 2 5 。搅拌车外罩保温套， 布料机用塑料布包裹棉被全部封 闭， 里面生火炉。混凝土入仓后， 以尽最快的速度浇筑完毕仓 块 ， 以减少 浇筑温度 的散失 。 2 6 2 高温季节的温控措施 堆高砂石骨料的堆积高度。 在砂石骨料场的上方 搭设遮阳棚。利用骨料场隔墙上预先埋设的埋件， 焊接 6 IT I 长的脚手管， 形成遮阳棚骨架， 骨架上方铺设防晒网， 形成骨 料遮阳棚。同时对骨料洒水冷却。 混凝土搅拌运输车的 罐体部分加盖白色保温罩。 水泥罐、 粉煤灰罐、 混凝土输 送带、 蓄水池顶部搭设遮阳棚。 使用深机井水源， 浇筑混 凝土前 1 h开始抽水。 避开高温时段 ， 利用傍晚的低温时 段开盘浇筑， 并在上午 9点前结束浇筑。 混凝土层问间歇 时间最低不得少于 5 d ， 以利于下层混凝土充分的散热。 2 7混凝 土养 护 低温季节在洞身混凝土浇筑过程中及完 毕后， 采用塑料 布、 棉被、 土工布、 彩条布等保温材料相互组合的方式进行内 外保温。内外模板不拆除。洞口用棉被和彩条布封堵后， 洞 身内生火炉。垫层浇筑采用搭设暖棚 ， 暖棚内生火炉， 并辅助 电暖器升温。 高温季节加强混凝土的养护， 拆模后， 对立面混凝土立即 涂刷养护剂， 并覆盖塑料布防止水分散失， 对水平面( 包括分 层处) 混凝土采取铺设棉被洒水的养护方式， 对不拆除下层模 板而直接向上支立模板的部位同样进行洒水养护。 经常对仓面和周围用雾状喷头喷雾， 增加湿度和降温 ， 改 善小气候。 按时进行温度监测， 做好温度监测记录， 根据温度监测成 果随时调整温度控制措施， 使倒虹吸管身混凝土内外温差， 始 终控制在 2 5以下 ， 防止混凝土产生裂缝。 3 结语 蒲阳和渠道倒虹吸工程， 通过采用综合控温防裂缝技术 措施， 大大减少了混凝土裂缝发生几率， 提高了混凝土抗裂能 力， 降低了混凝土内部温升， 有效地避免了裂缝的发生， 工程 建成并经过临时通水， 至今未发现裂缝。这说明， 只要采取有 效地温度控制和防裂措施， 就能避免混凝土裂缝的发生。 参考文献： 1 景书达， 牛桂林， 刘爱军， 等， 南水北调中线倒虹吸薄壁结构混凝 土防裂技术研究口 水科学与工程技术， 2 0 0 7 ， ( 5 ) ( 上接 第 9页) 个方 面。 养护工作。根据不同气温时段分别采取人工洒水和 布花管流水养护的措施 ， 实际过程中， 按设计 、 业主和监理要 求， 大多数部位的混凝土外表面处于长流水养护状态。 保温工作。根据丹江口气温昼夜温差大的特点， 为减 少混凝土坝体内外温差 ， 降低混凝土表面温度梯度， 避免出现 坝体混凝土表面裂缝， 混凝土收仓和拆模后立即在混凝土平 面和侧面临时覆盖 2 0 c m厚聚乙烯卷材进行保温， 直至被下 层混凝土覆盖 ； 贴坡混凝土下游面和永久外露面的保温采用 3 0 c m厚聚苯板材， 苯板在模板拆除后铺设， 粘贴剂按配合 比配制， 保证苯板与混凝土面粘贴牢靠， 并做到拼缝平整严 密， 对于破损部位及时进行修补或更换， 安排专人负责并每日 检查 ， 发现问题及时处理， 廊道孔 口则采用 2 0 c m厚聚乙烯 卷材进行封 闭。 消缺工作f要求施工单位组织专门的质量消缺队伍， 精心施工、 严格工艺管理， 确保外观质量达到优良标准。 4 结语 综上所述， 丹江口大坝加高工程贴坡混凝土施工质量在 参建各方的紧密监督下， 总体上处于受控状态。从事前、 事 中、 事后控制三个方面严格做好现场混凝土施工的质量控制 工作， 严格执行 “ 三检制” 、 “ 开仓申报制” 、 “ 工程质量一票否 决制” ， 做好各工序的质量控制及验收工作， 混凝土施工质量 符合规范和设计要。 参考文献： + 1 D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 ， 水工混凝土施工规范 S 2 D L T 5 1 6 9 2 0 0 2 ， 水工混凝土钢筋施工规范 S 3 D L T 5 1 1 0 2 0 0 0 ， 水电水利工程模板施工规范 S 4 3 三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究编辑委员会 三峡水利 枢纽混凝土工程温度控制研究 M 北京 ： 中国水利水电出版 社 ， 2 0 0 1 7 1 8 1