引嫩溢流坝施工质量控制因素分析

李严坤，屈明洋，王国志

(1. 黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆163316;2. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

0 前 言

尼尔基水利枢纽配套项目—黑龙江省引嫩扩建骨干工程是于2008年开工建设，是黑龙江省水利厅一号水利工程项目，即引蓄提相结合的综合利用的大型引水输水工程。黑龙江省引嫩工程管理处承担的工程项目位于嫩江干流中游三江口弯道江段，距上游尼尔基水利枢纽28 km，2009年工程实施内容为新建北引渠首工程，其中包括新建泄洪闸进水闸溢流坝工程。扩建前北引渠首最大引水能力为50 m3/s，多年平均可引水量5.71 ×108m3，一期工程建成后北引总干渠最大引水能力达到114 m3/s，渠首总供水量为15.18 ×108m3［1］。

该溢流坝工程于2012年开工建设，1 ～3 号溢流坝于当年进行试运行，4 ～7 号溢流坝于2014年开工建设并于当年全面运行。水工建筑物安全运行不仅与设计有关，施工过程控制也非常重要。如果溢流坝施工质量控制欠缺，解决措施又不完善，就会导致该建筑物结构遭到破坏。那么对应产生的损失主要反映在对结构的维护和修补方面，相应所需的维护或维修费用高和浪费资源严重［2］。若设计施工不当，很容易产生表面裂缝和深层裂缝，甚至是贯穿性裂缝，直接影响到工程的质量和工期［3］。

1 设计条件

前期设计委托省水利水电勘测设计研究院完成，该项目通过项目建议书和可行性研究报告。

1.1 工程地质条件

位于嫩江右侧漫滩上，地层为第四系全新统冲积层(alQ4)及中更新统冲击、湖积层(al +lQ2)，岩性主要为:低液限黏土、级配不良粗砂、级配良好细砾。溢流坝地基均为深厚的砂砾石地基，透水性较强，抗冲刷能力差，渗透稳定下差，基础采用振冲进行处理。按工程总布置，泄洪闸右侧101.5 m为溢流坝以满足枢纽引水要求，溢流坝坝高均较小，坝型采用混凝土溢流坝，为降低造价，对溢流坝混凝土进行分区处理。

地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层岩性为级配不良粗砂、级配良好细砾等，该区地表水、地下水对混凝土具有分解累碳酸型弱腐蚀。地基各层土容许承载力建议值为［R］=180KPa ～300 KPa。基础底板与地基土间的摩擦系数f =0.50，低液限黏土处J允=0.15。

1.2 设计型式

渠首布置方案中选定泄洪闸位置为核心，泄洪闸布设在主河槽，右侧布置溢流坝和固滩与内蒙古汉古尔堤防连接，减少壅水为原则;从投资上看，闸坝结合方案节省工程直接费用11.2%，从模型试验成果看，闸坝方案对江道现状影响小，并且利于泄洪排沙。

溢流坝段面形式为混凝土重力坝，外层为钢筋混凝土结构，强度c25f200，内层为四级配混凝土，强度c15。坝顶宽度为7.0 m与泄洪闸交通桥宽度相统一，考虑到泄洪闸右侧实体钢筋混凝土溢流坝承受嫩江主水流压力，水流条件较为复杂，上游铺盖采用厚度为0.5 m格宾石笼与钢筋混凝相结合的型式，格宾石笼下铺设100 mm砂砾石垫层，再下铺复合土工膜500 g/m2一层;溢流坝下游设0.5 m厚格宾石笼海漫段，海漫布置时主要考虑的原则为尽量减小开挖砂砾石量，在结构型式上在格宾石笼底部铺设100 mm砂砾石垫层，下铺长丝针刺无纺布400 g/m2。格宾石笼海漫段末端设堆石防冲槽，防冲槽底宽1.5 m，深1.6 m。溢流坝各分块之间以及混凝土铺盖与溢流坝之间均采用紫铜片止水，溢流坝与固滩交界处上下游均采用6 m长挡土墙连接。

1.3 模型计算成果

渠首主体工程按照多年水文系列资料，根据50 a一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核来计算。尼尔基调节后设计洪峰流量频率为1%，泄洪流量为11 200 m3/s;频率2%，泄洪流量为9 050 m3/s。

应用伯努利方程和动量方程等水力学公式:

当情况处于高淹没度(hs/H0＞0.9 )时，按下式计算:

式中:hs为下游水头。

当放生设计标准洪水时，泄洪闸、溢流坝和滩地全面过流行洪，回水水面线可采用简化稳定非均匀流公式推求，递推公式为:

式中:K 为上下断面平均流量模数;L滩为断面间洪水间距。

2013年北部引嫩渠首大江段经历50 a一遇洪水，已完1、2、3 号溢流坝工程经受住尼尔基泄洪以及诺敏河和讷漠尔河支流交汇10 000 m3/s洪水的考验，经过实践表明溢流坝设计成果满足渠首溢流坝工程的需要，是成功的。

2 原材料控制

该溢流坝主体工程主要由混凝土和钢筋组成。混凝土主要由水泥 骨料、水和外加剂等部分组成。

2.1 水泥

水泥采用P. O42.5 低碱蒙西水泥，水泥强度等级指标包括水泥的细度、凝结时问、烧失量和混合材料掺加量，3 d 抗折强度度为4.3 MPa ＞标准值3.5 MPa;抗压强度＞标准值19.8 MPa;初凝和终凝时间分别为165 min、250 min，均满足标准规定。

2.2 骨料

选用线膨胀系数小、级配良好的低碱活性骨料。细砂和卵石骨料产自拉哈镇办砂场，其含泥量＜0.3%，最大粒径＜40 mm，卵石骨料为5 ～40 mm连续粒级。

粗细骨料执行SL352—2006、DL/T5151—2011、GB/T14684—2011 规范标准。细骨料表观密度为2 610 kg/m3＞标准值2 500 kg/m3，含泥量为1.5%＜3.0%，细度模数F·M =2.7，该砂为中砂采用二级级配区。卵石表观密度2 680 kg/m3＞标准值2 500 kg/m3，含泥量为0.5% ＜1.0%，为5 ～40 mm连续级配，符合级配要求;卵石骨料粒径＜钢筋间最小净距15 cm，符合规范标准要求。

2.3 外加剂

外加剂采用SB—G 型混凝土引气剂，使用外加剂的混凝土与普通混凝土相比，用水量和水泥用量相应减少，早期强度增长快。该技术指标为减水率9%;泌水率≤70%;含气量为4.5%;混凝土强度比为7 d 达到设计强度的95%，28 d 达到设计强度的90%。

2.4 拌制混凝土用水

用于水泥水化作用和起到粗细骨料之间润滑剂作用，拌制用水应不含有害物质。根据施工组织设计采用就地打井措施，利用嫩江江水，拌合站旁设立3 m×1.5 m ×1.4 m集水箱，用于晾晒，提高水温。经化学物质检测，泥沙悬浮颗粒含量＜200 mg/L，水藻量值为0，游离CO2含量＜5%，氯离子含量＜1 200 mg/L，硫酸根离子含量＜2 700 mg/L。满足该泵送混凝土的可泵性。

3 项目工艺及指标

3.1 钢筋布设

受力直径14 mm 钢筋，其伸长率27%，用量16.805 t;直径20 mm钢筋，其伸长率为29%，其用量16.695 t;直径25 mm钢筋，其伸长率为30%，总用量11.181 t。

3.1.1 钢筋选用

采用热轧带肋螺纹钢筋HRB335，钢筋平直，无局部曲折，钢筋加工的尺寸符合设计要求。

钢筋弯折:该Ⅱ级钢筋弯起钢筋中间部位弯折处的弯曲直径，不小于钢筋直径的5 倍。以2 号堰面(F)直径14 mm钢筋为例，其钢筋布置在1 m宽堰面中，分布筋的里侧，起到受拉作用，弯曲角度为70.7°，见图1。

图1 堰面受拉构造筋

3.1.2 钢筋焊接

热轧钢筋的焊接采用电弧焊，焊条型号为J506。一根钢筋采用通常钢筋或者1个接头的钢筋焊接接头，在同一面内，焊接接头相互错开，搭接长度为600 mm，接头的钢筋截面面积占钢筋总截面面积的百分率，最高为50%。焊接接头距钢筋弯曲处至少0.5 m，符合≥10 倍直径的要求。经现场取样检测，得出屈服强度在590 ～465 MPa，抗拉强度为625 ～770 MPa，在标准值范围内，为了满足混凝土坝体应力和外部受力条件该钢筋均布置在1 m宽的堰面中。

3.2 模板工程

钢模板符合《普通碳素钢钢号和一般技术条件》(GB700—79)中规定的3 号钢标准。符合具有足够的强度、刚度和稳定性，能承受浇筑混凝土的重量和侧压力，以及相应的荷载;便于钢筋绑扎与安装以及混凝土的养护;模板接缝严密，不漏浆。

符合《钢筋混凝土工程施工于验收规范》。分层进行模板安装固定时，事先插入现浇溢流坝混凝土的Φ8mm 拉筋与模板电弧焊连接，保证模板定位和不变形。

模板拆除时:侧模板不承重，在浇筑完毕后8 小时进行拆除，以保证溢流坝混凝土表面和棱角不因拆除模板而受到损坏。

对于溢流坝177.0 m高程过水涵洞顶板，由于承担上部混凝土的自重以及其他施工荷载，达到同期养护混凝土强度达到12.5 MPa时，进行拆除。拆除模板时混凝土表观质量好，未出现裂缝。

3.3 混凝土配合比要求

试验依据《混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011，混凝土配合比的选择应保证混凝土的标号和施工和易性要求，合理使用材料、节省水泥。质量检测项目主要包括骨料颗粒级配、密度、表观密度以及抗压强度和抗冻强度等。其混凝土塌落度18 ～22 cm，含气量3.5% ～4.5%，

混凝土施工配合比:选用恰当的水灰比和水泥用量，挑选使混凝土密度最大，与混凝土水灰比和石子最大粒径相适应的砂率，也就是达到最佳的配合比，W/C =0.45，根据如下公式可得:

式中:R标为混凝土标号;σ0为施工单位混凝土标准差的历史统计水平(千克力/平方厘米)，这里取50。

配合比用量见表1。从表1 中可以看出该配合比特点是:低水泥用量、外加剂掺量较少，相应用水量也较低。砂和卵石的质量是分别是水泥的5 倍、4倍，可见砂石所占的重量在配合比中比例最高，影响因素所占比重大，同时也满足低水泥用量的要求。

表1 单方混凝土用量表 kg

3.4 温度量测指标

TC—02 混凝土温度测量仪，该仪器性能指标如下:①测量范围:－50℃～ +300℃;②灵 敏 度:－19.9℃～ +199.9℃时 ±0.1℃，其它情况下为1℃;③测量精度:±1℃;④环境温度:－10℃～ +50℃;⑤传感器连接最大长度为50 m。性能参数满足该溢流坝工程温度测定监控的需要。

4 施工质量控制

4.1 拌合及运输

采用PLD—800 型自动配料机，强制拌合机进行混凝土搅拌，采用泵送混凝土输送方式，扬程18 m，理论最大送混凝土量60 m3/h。泵管直径采用22 cm，减少弯头数量，尽量采用直管，四周用草袋包裹住，并且始终保持湿度，以降低泵送混凝土入仓温度。

4.2 仓面浇筑

验仓合格后进行混凝土浇筑，泵送混凝土每次0.35 m3，时间间隔90 s，然后用插入振捣器，在振捣棒1.5 倍作用范围内进行振捣，防止过振;同时应插入下层50 mm，消除2 层混凝土间的暗缝，促进层面结合。同时采取备用电源和混凝土泵车各一台，保证其连续浇筑防止冷缝的出现。同时要保证层面结合质量，例如混凝土连续浇筑过程中，电源中断4h，经现场观察发现混凝土已经初凝，为了保证结合处混凝土质量，采取对已完成混凝土表面进行凿毛，同时隔一米插入0.3 m高度Φ12 连接筋的措施，防止冷缝的出现同时又加强混凝土之间的结合强度。

4.3 质量检测

取试块抗压试块尺寸150 mm × 150 mm ×150 mm，抗冻试块100 mm ×100 mm ×400 mm。标准养护28 d，经试验测得堰面C25 抗压强度实际龄期值为28.9 MPa，堰体C15 实际龄期值为17.1 MPa，分别达到设计强度的116%、114%。混凝土抗冻试验检测结果见表2。该相对动弹模量≥初始值的60%;质量损失率≤5%。

此施工措施能够补偿混凝土的收缩，因此能够降低混凝土产生裂缝的概率，经实践是有效可行的措施。

表2 冻融试验成果表

4.4 温度控制

温度对水泥水化热反应有着非常重要的影响，主要表现为温度越高，相应的水化热反应越快。在大体积混凝土工程施工中，要严格控制混凝土浇筑过程中由于水泥水化热引起的温度升高、混凝土内部与表面温度差及采取降温措施后引起的降温速度，防止混凝土出现有害的温度裂缝是混凝土施工技术的关键问题。

该TC—02 混凝土温度测量仪的检测结果能及时反馈现场溢流坝混凝土浇筑块内温度和表面温度变化的实际情况，据此所采用的施工技术措施，部份补偿其混凝土的收缩，减少了混凝土的裂缝。保证溢流坝施工过程质量得到保证。在施工过程中，所产生的温度应力场同样受到太阳辐射热、水泥水化热、浇筑温度等因素的影响作用。

4.5 养护措施

根据施工组织设计，溢流坝混凝土分块分区后，进行养护时要进行热工计算，分别覆盖400 g/m2无纺布和单层草帘，使混凝土表面始终处于水养状态，保湿效果好，主要为了防止混凝土浇水后水分快速蒸发、失水过快，起到保水作用。根据现场实测数据和计算后，养护第7 d时先撤换单层草帘，然后在无纺布上继续浇水进行养护第13 d后再撤除无纺布。

5 结论及建议

1)采用符合区域地质条件等方面抗裂设计方法以及根据原材料性能进行优化混凝土配合比。此工程位于北方严寒地区，可以为类似地区、项目在施工中怎样控制施工质量，能够为在冬季负温下施工的技术和新型材料的研究提供参考，进一步提高适应大体积混凝土施工的快速性和适用性。

2)对省西部半干旱地区天然砂石骨料有了深刻的认识，砂子细度模数从2.5 ～3.0，卵石颗粒为5 ～40 mm连续粒级，深人研究了其骨料品质对混凝土的影响，更进一步揭示了骨料品质对混凝土各项性能的影响。

3)工程项目施工前应该进行系统的施工组织设计，特别是“斜向分层、梯级浇筑、一次浇底”的施工方式以及加强施工管理环节，及时采取措施及相应对措，能够有效防止大体积混凝土裂缝和施工缝的产生。

4)今后大体积混凝土施工过程中，重点应研究相应区域和类似工程项目其温度应力场随时间变化的分布规律，对前期设计和施工过程采取相应组织措施均有一定的参考价值。

［1］黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 渠首可行性研究报告［R］. 哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.

［2］刘亚基，苏志敏. 大体积混凝土浇筑块温度应力场直接耦合法仿真计算［J］. 科学技术与工程，2010，16(10):4057.

［3］任锋. 拌合用水对混凝土性能的影响［J］. 山东建材，1996(06):25 －26.