500 kV同塔四回路西江大跨越基础大体积混凝土施工技术

陈志辉

(广东火电工程总公司，广州市，510735)

0 引言

随着国内电网工程建设的电压等级及规模不断增大，为满足重要电气设备及杆塔基础承载要求，基础型式越来越多采用大体积混凝土结构，大体积混凝土基础裂缝控制技术成为决定施工质量的关键［1-3］。500 kV狮洋—五邑送电线路工程是粤西电力外送的重要骨干通道，西江大跨越是其中的核心组成部分，采用“耐—直—直—耐”典型方式跨越西江干流，大跨越段长1.927 km，按同塔四回路设计，新建四回路跨越塔2基，双回路耐张锚塔4基。同塔四回路西江大跨越工程跨越塔基础承台具有结构尺寸大、混凝土连续浇筑量大等特点，为大体积混凝土结构，施工方案需按大体积混凝土工程设计。本文将介绍西江大跨越工程跨越塔基础承台大体积混凝土施工的成功经验，为今后类似工程施工提供参考。

1 工程概况

西江大跨越工程跨越塔基础采用组合钻(冲)孔灌注桩加承台型式，如图1所示。

单个承台由底板及主柱2部分联合组成，底板部分尺寸(长×宽×高)为16.8 m×13.8 m×2.7 m，主柱部分尺寸(长×宽×高)为3.2 m×3.2 m×2.2 m，混凝土量达648.5 m3，混凝土强度等级按C25设计，施工时要求一次连续浇筑成型，并需考虑水泥水化热影响等问题。

2 大体积混凝土温控指标

大体积混凝土通常为混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土［4］。大体积混凝土工程施工必须解决的关键技术问题是通过有效的温控技术措施控制混凝土中胶凝材料的水化热温升，防止有害裂缝产生。

大体积混凝土工程施工前，需进行施工阶段大体积混凝土浇筑体裂缝控制的热工计算，并确定施工阶段大体积混凝土浇筑体的温升峰值、里表温差及降温速率等控制指标，作为制定相应温控技术措施的依据。施工阶段大体积混凝土浇筑体的温控指标宜符合下列规定［4］:

图1 跨越塔基础承台结构Fig.1 Structure of Crossing Tower Pile Foundation

(1)混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃;

(2)混凝土浇筑体的里表温差(不含混凝土收缩的当量温度)不宜大于25℃;

(3)混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃/d;

(4)混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。

3 大体积混凝土热工计算及施工方案选取

3.1 混凝土拌和温度计算

混凝土拌和温度(出机温度)To计算式为

式中:m为各种材料的质量，kg;C为各种材料的比热，kJ/(kg·K);Ti为各种材料的初始温度，℃。本工程中混凝土拌合温度计算表见表1。由表1数据计算得混凝土拌和温度To=21.8℃。

3.2 混凝土入模温度计算

混凝土入模温度(浇筑温度)Tp计算式为

式中:Ta为混凝土运输和浇筑时的室外气温，℃;θ1、θ2…θn为温度损失系数，与混凝土装卸和运转次数、运输时间、浇筑时间有关;n为流水号。

本工程计算工况为:(1)混凝土装料、卸料、泵送各1次，混凝土采用搅拌运输车由搅拌站运至现场时间约30 mim，混凝土浇筑时间约15 min/车，由文献［5］分别查得 θ1=0.096、θ2=0.126、θ3=0.045;(2)混凝土运输和浇筑时的室外平均气温为27.5℃。由以上参数计算得混凝土入模温度Tp=23.3℃。

表1 混凝土拌和温度计算表Tab.1 Concrete Mixing Temperature Calculation

3.3 混凝土水化热温升值计算

混凝土的水化热绝热温升值T(t)以及混凝土的最终绝热温升值Th计算式为

式中:mc为每m3混凝土中胶凝材料(水泥、掺和料)的用量，kg/m3;Q为每kg胶凝材料的水化热量，kJ/kg;C为混凝土的比热，为0.84～1.05 kJ/(kg·K)，一般取0.96 kJ/(kg·K);ρ为混凝土的质量密度，kg/m3;e为常数，取2.718;α为与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，一般取0.2～0.4 d-1;t为龄期，d。

胶凝材料水化热量Q=kQo，Qo为每kg水泥水化热量，与水泥类型、标号有关，P.II 42.5R硅酸盐水泥水化热量取461 kJ/kg;k为不同掺量掺合料水化热调整系数，粉煤灰掺量占胶凝材料总量25%时，由文献［4］查得k=0.94。计算得混凝土的最终绝热温升值Th=66.9℃。

根据式(3)～(4)计算的水化热温升值为绝热状态下的混凝土温升值，实际混凝土浇筑体并非完全处于绝热状态，而是处于散热状态，且与浇筑体的厚度有关。不同龄期混凝土由水化热引起的实际温升值Tm以及混凝土内部中心最高温度Tmax计算式为

式中:ζ为不同浇筑体厚度的温降系数。

大体积混凝土浇筑体厚度为2.7 m(承台底板厚度)时，由文献［5］查得不同龄期的温降系数见表2。

表2 不同龄期的温降系数Tab.2 Pouring temperature drop coefficient for different ages

不同龄期混凝土由水化热引起的实际温升值以及混凝土内部中心最高温度计算结果见表3。

表3 不同龄期混凝土水化热实际温升值以及内部中心最高温度计算结果Tab.3 Actual temperature rise of concrete hydration heat T mand maximum temperature at the center T max under different ages

3.4 施工方案选取

根据对西江大跨越工程跨越塔基础承台大体积混凝土结构的热工计算结果，承台中心的混凝土水化热温升峰值达67.5℃，混凝土表面采用单一保温养护措施时，难以实现混凝土里表温差不大于25℃、表面与大气温差不大于20℃的温控指标，因此，对承台大体积混凝土结构采用“内散外蓄”综合养护方案。

此外，在承台大体积混凝土结构施工准备、混凝土浇筑阶段分别采取了混凝土配合比优化、混凝土入模温度控制、混凝土分层浇筑等一系列技术措施，以有效削减混凝土内部的水化热温升［6-10］。

4 主要技术措施及注意事项

4.1 优化混凝土配合比

(1)水泥选用中热P.II 42.5R硅酸盐水泥，在确保混凝土满足强度等级、耐久性及工作性要求前提下，适当降低单位混凝土水泥用量。水泥用量控制在265 kg/m3以内，采用粉煤灰替代部分水泥用量。

(2)选用级配良好的骨料，粗骨料选用5～31.5 mm连续级配碎石，细骨料选用质量优良的II区中砂，并严格控制砂、石料的含泥量。砂、石料含泥量分别控制在2%、1%以内，可大大改善混凝土的和易性。

(3)采用双掺技术:1)按水泥质量掺入一定比例的粉煤灰，即可节约水泥用量，降低水化热温升，同时可增加混凝土的密实度，改善混凝土的工作度;2)掺入缓凝型减水剂，由于混凝土配合比中的水灰比越大，混凝土内的孔隙率及干缩量也随之加大，一般用水量每增加1%，混凝土的干缩率相应增加2%～3%，因此，掺入适量的缓凝型减水剂，在降低水灰比的同时又可以延缓混凝土的初凝时间，有利于混凝土泵送施工。

4.2 降低混凝土入模温度

降低混凝土入模温度有利于控制大体积混凝土结构的后期温升。本工程施工期间正值夏季高温季节，为降低混凝土入模温度，需采取措施有效降低混凝土的拌和温度，并减少混凝土在运输期间的温度损失。

4.2.1 降低砂、石、水泥的初始温度

对露天堆放的砂、石料采用遮阳网遮盖，避免阳光直晒。石子在拌和前洒冷水降温，水泥应存放在阴凉处并经贮存散热，避免使用温度过高的新出厂水泥。

4.2.2 冷却水拌和混凝土

由于水的比热较大，混凝土拌和用水应采用冰块进行冷却，使拌和用水温度降至7.5℃以内。

4.2.3 优化混凝土的运输时间

施工前对商品混凝土的运输距离、时间进行调查，尽可能减少混凝土的运输时间，减少降温后的混凝土在运输过程中与外界热交换产生的温度损失。

4.3 混凝土分层浇筑

根据承台大体积混凝土结构平面尺寸特点，混凝土采用整体分层连续浇筑施工方式。混凝土分层浇筑，可增大散热面、延长散热时间、降低混凝土的水化热温升。本工程中采用的具体措施如下:

(1)在整个模板范围内，将承台分成若干个厚度相等的浇筑层，浇筑区面积为整个承台平面面积，浇筑混凝土时从短边开始，沿长边方向推进浇筑。

(2)分层厚度宜为每层500 mm，第1层浇筑完毕后浇筑第2层，如此逐层持续进行。在浇筑过程中，上层混凝土浇筑要在下层混凝土初凝前完成。

(3)混凝土浇筑时采用汽车泵进行推进式布料，避免在同一处连续布料所带来的泛浆、分层离析等质量缺陷。

4.4 混凝土振捣

(1)混凝土振捣推进方向应与混凝土浇筑推进方向相同。

(2)振捣器根据混凝土浇筑自然流淌及振捣形成的坡度分坡顶、坡背、坡脚3个段落布置，在坡顶泵管出料口处布置1台振捣器，将出料堆积处的混凝土振捣密实并将堆积的混凝土摊开，促使形成流淌坡度;坡背及坡脚处各布置1台振捣器，将流淌的混凝土振捣密实。

(3)振捣器在振捣时要做到快插慢拔，每处插点振捣时间控制在15～30 s为宜，以混凝土表面泛浆并不再出现气泡为准。

(4)混凝土分层浇筑时，上层混凝土振捣时振捣器应插入下层混凝土5～10 cm，以消除混凝土层间的接缝。

4.5 混凝土泌水处理

大体积混凝土在浇筑过程中骨料和水泥浆下沉、水分上升，混凝土表面析出水分产生泌水。在浇筑过程中应及时将泌水排到承台一端或两端，用泥浆泵抽出，以消除泌水对混凝土层间黏结能力的影响，提高混凝土的密实度及抗裂性能。

4.6 混凝土表面处理

混凝土的表面处理是减少表面干缩裂缝、控制基础顶面标高和平整度的重要措施，大体积混凝土表面水泥浆较厚，在混凝土浇筑后应先刮去其表面多余浮浆，用滚筒滚压密实，再用木抹子按设计标高抹平。在混凝土初凝前应在其表面进行2次抹平，以消除混凝土干缩、沉缩产生的表面裂缝。

4.7 混凝土养护

承台大体积混凝土结构采用“內散外蓄”综合养护方案，即采用在混凝土结构内部预埋冷却水管循环冷却水降温、表面蓄水保温综合养护方案。混凝土终凝后8～12 h开始进行养护，养护持续时间不少于14 d。

4.7.1 蓄水保温养护

混凝土表面蓄水保温养护为大体积混凝土工程常用的保温养护措施之一，其原理为利用水的导热系数较低，在混凝土表面存蓄一定厚度的水，以达到隔热保温的效果。

(1)混凝土浇筑终凝后即可进行蓄水保温养护，蓄水深度不小于50 cm。

(2)混凝土浇筑前，应沿承台大体积混凝土结构四周修筑挡水墙，其高度应高出蓄水设计深度10～15 cm。

(3)蓄水保温养护时将混凝土内部冷却水管出水口接至承台顶面，利用经混凝土内部升温后排出的温水对混凝土表面进行养护，以减缓混凝土表面与蓄水的热交换，降低混凝土表面降温速率，缩小混凝土里表温差。

(4)为防止大气气温变化或降雨雨水流入造成蓄水温度突降，现场应配备水加热及雨水隔离设备。

4.7.2 测温监控

(1)采用便携式建筑电子测温仪测温，通过测量承台大体积混凝土结构内部各测点温度变化，及时有效调整温控措施，使其里表温差、表面与大气温差、降温速率满足温控指标要求。

(2)混凝土浇筑前，在承台混凝土结构内部设置测温点，测温点平面布置按梅花状每隔6 m左右布点，各点位在深度方向布置3个带有测温线的温度传感器，分别位于承台结构中部及距上、下混凝土面50 mm以内，用于监测承台混凝土结构上、中、下部温度。温度传感器绑扎固定在承台纵向支撑筋上，其固定处与钢筋之间做隔热处理。测温线插头引出混凝土表面1 m左右(混凝土表面采用蓄水养护时，需保证测温线插头露出水面)，用塑料薄膜包裹保护并标识好待用。测温时将测温线插头插入电子测温仪插座中，即可读取并记录相应部位的温度数据。

(3)为严格监测混凝土温度变化，养护期间应24 h连续测温，监测频次:养护期第1～7天，每2 h测温1次;养护期第8天至结束，每4 h测温1次。

(4)监测混凝土结构内部温度变化的同时，应同步监测混凝土表面蓄水温度、冷却水管进出口水温及大气气温，为及时有效调整温控措施提供依据。

(5)当混凝土内外自然温差降至25℃以内且降温趋于稳定后，即可停止监测。

4.7.3 内部冷却系统运用

采用在承台混凝土结构内部埋设冷却水管，通入循环冷却水，带出混凝土结构内部积蓄的热量，降低混凝土结构内部的水化热温升，并通过调整冷却水的入水温度和流量，控制混凝土结构的里表温差。

冷却水管采用φ48 mm镀锌钢管，在承台混凝土结构内部分3层设置，层间距为0.75 m，如图2所示。

图2 冷却管立面布置示意Fig.2 Facade layout of cooling water pipe

(1)单层冷却管采用S形布置，每层冷却管均可独立工作，设单独的进、出水口，以防止水管中某处出现堵塞而造成整个冷却水管系统的不能使用，如图3所示。

(2)钢筋绑扎到相应位置，即进行冷却水管安装，冷却水管在钢筋骨架内用点焊焊接或铁丝绑扎牢固，冷却水管应定位准确，并保证管道不变形、不漏水，安装完成后应通水试压。混凝土振捣过程中应避免振捣器碰到冷却水管。

图3 冷却水管平面布置示意Fig.3 Layout of cooling water pipe

(3)冷却系统运作时，首先由水池将冷却水抽入冷却水管内，经过混凝土内部升温后，温水排出至混凝土表面作为蓄水保温用水，满足蓄水深度要求后，多余部分温水再由混凝土表面排回水池内，形成一个完整的循环工作系统。

(4)根据温度监测情况，控制并合理调整冷却水管的入水流量和温度，为防止混凝土结构内部因降温过快而导致产生收缩裂缝，混凝土内部最高温度与冷却水入水温度温差应控制在20℃左右。如入水温度与混凝土内部温差小于15℃，可加大循环水量，并在水池内补充抽入部分凉水以加大温差，增强冷却效果;如入水温度与混凝土内部温差大于25℃，则需减小入水量。

(5)承台内部的冷却水管在使用完成后，将管道内部余水排干，采用与承台混凝土同等级水泥砂浆对冷却水管进行压力灌浆回填，并将露出混凝土表面的管头截除整平。

4.7.4 主柱保湿保温养护

承台主柱拆模时间应适当延缓，利用模板自身的保温性能对主柱进行养护，拆模后在主柱四周及表面由里而外依次覆盖“1层塑料薄膜+1层草袋+1层塑料薄膜”进行保温保湿养护。养护期间应随时检查主柱混凝土表面的干湿情况，及时浇水保持混凝土表面湿润。

5 结论

(1)大体积混凝土工程施工前，应通过试算施工阶段大体积混凝土浇筑体的升温峰值、里表温差等关键参数，制定相应的温控技术措施，科学有效地指导施工，避免大体积混凝土有害裂缝的产生。

(2)大体积混凝土配合比设计时宜采用双掺技术，特别是掺入粉煤灰替代部分水泥后，对减少混凝土中胶凝材料的水化热量、降低温升峰值，进而降低混凝土结构的里表温差起到了良好的作用。

(3)夏季高温季节进行大体积混凝土施工时，应尽量选择在夜间进行浇筑，混凝土拌和前应对原材料进行降温预处理，尽量降低混凝土的入模温度，有利于控制大体积混凝土结构的后期温升。

(4)大体积混凝土采用蓄水保温养护时，可使混凝土结构表面完全处于高温高湿养护状态，避免了采取其他保温材料出现覆盖不足的可能，但需采取措施以防止外界气温变化或降雨雨水流入致使蓄水温度突降，造成混凝土里表温差、表面与大气温差出现超标的情况。

(5)测温数据显示，承台大体积混凝土结构各龄期实测温度明显小于理论计算温度，混凝土内部中心最高温度为59.4℃，升温持续时间1～3 d，说明循环冷却水管的运用对降低混凝土结构内部的水化热温升作用明显。

(6)在整个养护期间，承台大体积混凝土结构未出现里表温差、表面与大气温差及降温速率超标情况，混凝土未出现有害裂缝，工程质量符合设计及施工规范要求。

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