南水北调中线惠南庄泵站膨胀混凝土应用技术研究

陆严

（南水北调中线建管局，北京 100038）

1 概述

惠南庄泵站是南水北调中线工程总干渠唯一的一座大型加压泵站，位于北京市房山区大石窝镇惠南庄村东，与河北省涿州市相邻，距北京市区约60 km，距南水北调中线工程总干渠终点——颐和园团城湖约78 km。

泵站前池上游为北拒马河暗渠，泵站出水钢管后接双排DN4000预应力钢筒混凝土管（PCCP）至大宁调压池，长度约56km。泵站设计装机流量60m3/s，设计扬程58.20 m，总装机容量58.4 MW。泵站属大（1）型泵站，为I等工程。泵站共设8台卧式单级双吸离心泵机组，6工2备，单机流量10 m3/s，采用机组并联及变频调速相结合的运行方式。泵站顺水流方向依次布置进口闸、前池、进水池、进水管、主副厂房、出水管和小流量输水管等主要建筑物。

泵站混凝土为常态混凝土，浇筑量较大，总量为14.888万m3。其中，进口闸4 155 m3，前池65 707 m3，进水间22 159 m3，主厂房24 319 m3，副厂房9 807 m3，进出水管及小流量自流管包封、镇墩、阀井、测流井工程22 610 m3。

泵站前池最大净跨23.8 m，最大净高17.02 m，最大分块长度52.8 m。泵站主厂房为大跨度半地下箱形结构，桩箱基础，净跨28.5 m，埋深18.8 m，最大分块长度35.50 m。根据水工混凝土结构设计规范，软基室内或地下环境混凝土结构最大分缝长度为30 m，泵站工程前池与主副厂房的边墙和底板均属超长混凝土结构。且主厂房底板厚度达3 m，边墙为梯形断面，最大厚度达到3.5 m，属于大体积混凝土。混凝土干缩和冷缩使混凝土产生拉应力超过材料抗拉强度，导致混凝土开裂。对此，一般是设置多条后浇带，等40～50 d后再来填充。这样一来，不但施工繁琐，而且混凝土的整体性和防水难以保证。随着混凝土材料科学和施工技术的发展，碾压混凝土、膨胀混凝土等越来越广泛地应用于土木工程的各个领域，超长混凝土结构设计与施工在理论与实践上成为可能，并逐渐被人们认识和接受。根据南水北调中线工程惠南庄泵站工程的前池和主厂房的布置特点，采用膨胀混凝土布置超长结构设计和无缝连续施工技术，同时增加混凝土结构的抗渗性能，实现结构自防水。这对减少施工步骤，缩短施工工期，节约工程投资，提高工程可靠度具有重要意义。

2 膨胀混凝土结构应力应变分析

在混凝土中掺加适量的膨胀剂，通过与水泥的化学反应，使混凝土产生适量膨胀，在钢筋和邻位结构的限制下，在钢筋混凝土中建立0.2～0.7 MPa的预压应力，可大致抵消混凝土收缩时产生的拉应力，防止混凝土开裂。同时，水化反应生成的钙钒石晶体属针状、棒状晶体，填充、切断、堵塞混凝土的毛细孔，使混凝土的抗渗能力大大提高，从而达到混凝土结构自防水的目的。

下面，从收缩应力角度对超长无缝施工裂缝控制进行分析。

筏板式基础、箱形基础的底板或楼板，其特点是厚度或高度（H）远小于长宽尺寸（L）。当H/L≤0.2时，底板或楼板在温度收缩变形作用下离开端部区域，全截面受拉应力比较均匀，在地基约束下将出现水平法向应力（σx）。从工程实践可知，σx是设计主要控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力，其最大值（σmax）出现在板截面的中点X＝0处，如图1所示。

当σmax超过混凝土的抗拉强度（Rt）时，板中部出现第一条垂直裂缝；开裂后，每块板的水平应力重新分布，最大应力（σx'）出现在每块板的中部，当σx'＞Rt时又形成第二批裂缝……如图2所示。这种裂缝的有序排列经常在工程中见到。为防止这种有序裂缝的出现，工程中靠设置后浇带来释放收缩应力。这是控制裂缝的主要措施之一。

后浇带只在较短的间距（L）范围对削减收缩应力（σmax）起显著作用，超过一定长度即使设后浇带也没有意义。按理论计算，削减σmax的有效间距为20～60m。所以，膨胀加强带间距应设在此范围内。

研究表明，膨胀混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋或邻位结构的约束下钢筋受拉、混凝土受压。当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时，则有如下计算公式：

配筋率的计算公式为：

由上述公式推导，则有如下计算公式：

式中：σc为混凝土预压应力（MPa）；Ac为混凝土截面积（m2）；σs为钢筋拉应力（MPa）；As为钢筋截面积（m2）；Es为钢筋弹性模量（MPa）；μ为配筋率（%）；ε2为混凝土的限制膨胀率即钢筋伸长率（%）。

从式（4）可见，σc与ε2成正比关系，限制膨胀率随膨胀剂的掺量增加而增加。所以，可以通过调整膨胀剂的掺量使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向应力曲线，设想在σmax处给予较大的膨胀应力（σc），而在两侧给予较小的膨胀应力，如图3所示，以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，从而控制有序裂缝的出现。

在收缩应力集中处，设膨胀加强带，其宽度2～3 m，两侧架设密孔铁丝网，目的是为防止两侧混凝土流入加强带，如图4所示。施工时，带外侧用小膨胀混凝土，浇筑到加强带时改用大膨胀混凝土，至加强带另一侧时又改为小膨胀混凝土浇筑。如此循环下去，可实现超长混凝土结构连续浇筑。

膨胀混凝土的限制膨胀率非常重要，根据初步计算，普通部位水中14 d的限制膨胀率0.015%～0.020%，空气中28 d限制收缩率小于0.03%；膨胀加强带水中14 d的限制膨胀率0.025%～0.045%，空气中28 d限制收缩率小于0.03%。

3 膨胀混凝土试验研究和应用效果

膨胀混凝土正式施工前，在结构单元规模较小的部位进行了专门的试验。试验目的是根据结构特点、施工情况及气候条件，结合其他温度控制手段，确定不同部位混凝土的限制膨胀率及不同限制膨胀率的混凝土施工配合比，监测混凝土内部温度、应力应变、混凝土开裂情况等，为大规模膨胀混凝土施工和温度控制积累经验，为进一步分析计算混凝土温度应力提供依据。试验段位置选定在前池进口渐变段H0+000—H0+035和前池H0+125—H0+ 140段。试验段观测包括混凝土表面外观检查和混凝土内部温度、应力应变观测。混凝土表面外观检查在脱模后至设计龄期每天检查1次；混凝土内部温度、应力应变观测在混凝土初凝后开始，从初凝至7 d龄期每4 h读取1次数据，从7 d龄期至设计龄期每天读取1次数据。每次读取混凝土内部温度、应力应变数据时，应同时记录环境温度、天气情况及养护记录。

目前，惠南庄泵站前池混凝土浇筑已基本完成，且大部分在夏季高温时节完成。由于采用膨胀混凝土技术及其他辅助温度控制措施，目前尚没有发现裂缝。