南水北调东线万年闸泵站混凝土温控防裂措施解读

蒋育頠 李慧鹏 刘宇

【摘要】大型泵站底板及流道层混凝土温控及防裂是大型泵站施工中较为普遍和突出的技术难题。在南水北调万年闸泵站施工中，项目组结合国内类似泵站及中型水电站厂房施工经验，在采用了先进技术进行预模拟和试验监测的同时，从工程实际情况出发，对泵送混凝土施工的常规温控防裂措施加以改进。经实践检验，取得了良好的效果，为施工地较为偏僻的水利工程大型泵站采用常规泵送混凝土技术进行施工做出了一定的探索。

【关键词】大型泵站；泵送混凝土，温控防裂

1、选题背景

大型泵站建设50多年来，依托江水北调、引滦入津、引黄济青、南水北调等调水工程，国家兴建了超过500座大型泵站。在水工混凝土薄壁结构工程中，泵站因其进出水流道及水泵井空间形体各异，结构断面變化较大，是结构形式最为复杂、施工难度最大和最易出现裂缝的水工建筑物。特别是长江以北地区，多数泵站在施工过程中会或多或少地出现结构性裂缝，长期困扰工程的建设与运行。近二十年来，随着泵送混凝土施工技术的应用，大型泵站施工期混凝土开裂现象愈发严重，以至泵送混凝土施工技术在大型泵站建设中的应用受到专家质疑。现就采用泵送混凝土施工技术建设，经运行实践证实的南水北调万年闸泵站混凝土温控防裂措施进行统计、分析和解读。

2、工程概况

万年闸泵站枢纽位于山东省韩庄运河中段，是南水北调东线工程的第八级抽水梯级泵站。项目利用京杭运河原有万年闸节制闸挡水，通过扩挖韩庄运河主槽输水，在运河北岸新建引水渠、提水泵站、出水渠等建筑物，将万年闸下游台儿庄泵站（常态混凝土施工）来水提引到运河节制闸上游，与韩庄泵站（泵送混凝土施工）下游水位衔接。工程规模为大（Ⅰ）型，工程等级为Ⅰ级。泵站设计扬程5.49m，设计输水规模125m3/s，多年平均运行小时为4227h，共安装5台立式轴流泵，单机流量为31.5 m3/s，总装机容量1.4万kw。工程总投资2.45亿元，计划工期30个月。

3、设计与施工规划

站址区地层依次为第四系①、③、④层黏土，②层黏土夹姜石，⑤层砂质壤土，⑥层中粗砂夹土，以下为第三系粘土岩。泵站底板位于⑥层中粗砂夹土层上。站址区地下水位较高，泵站底板受有约15m承压水头。基面设10cm厚C10素混凝土垫层。底板共分左右两联， 1～3号机组段为右联， 4～5号机组段连接检修间底板为左联，联间设伸缩缝；流道层分联与底板相同。主要设计参数见下表：

为保证结构整体性，在流道层中部进水流道段与下游空箱段间设4.5m宽混凝土后浇带，在进水池空箱式挡土墙中部设0.8m宽后浇带，待进水流道和下游空箱混凝土收缩完成、气温降至年最低温度时，用提高防渗抗裂剂掺量的微膨胀混凝土回填。防渗抗裂剂掺量为水泥重量的10%～16%，膨胀率为0.04%。为提高材料抗裂性能，将保护层厚度降至35mm。并在混凝土中掺防渗抗裂剂。根据设计计算说明书，可补偿混凝土自身约4～60C的收缩变形。为保证施工合理性，根据设计要求、泵站体型及施工需要，横向按设计要求对混凝土进行分区，纵向按体型变化进行分层，具体纵断面形式及混凝土分层如图1所示。

4、配合比设计

4.1 原材料

胶凝材料的选择主要考虑了厂商实力及产品品质，水泥选用枣庄榴园水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，粉煤灰选用济宁邹城电厂生产的一级粉煤灰（球形灰）；砂选用临沂产沂河河砂，为山东境内最优质的河砂之一， 碎石采用当地张山子石料。混凝土防渗抗裂剂、减水引气剂、聚丙烯网状纤维（PPMF）采用山东水务混凝土外加剂厂产品，拌合用水采用站区地下深井水。

4.2 配合比设计

鉴于泵送混凝土施工技术在大型泵站施工中已有成功案例，经综合考虑建筑体型、施工工艺、施工时段及材料等因素，确定采用泵送混凝土进行施工，为进一步提高混凝土表面抗裂能力，在流道层及以上重点部位掺入0.9kg/m3的聚丙烯网状纤维。设计配比如下：

经现场试配试验论证，在确保混凝土和易性的基础上，进一步对拌合用水量进行了调减，确定在蓄水池标准水位±500mm的储水范围内，将拌合站注水时间固定为12s。施工时，实测出机口及仓面坍落度均值为120mm（±20mm），含气量大于5%；施工时段，原材料分别通过现场检测及委托检测，各项指标均符合水利及电力行业规范要求。施工期主要材料实测参数见下表：

5、混凝土施工

5.1 施工时段

泵站底板施工时段为气温较高的6月下旬至8月下旬，流道层施工时段为气温相对较低的10月下旬至12月下旬，期间按规划合理地完成了进水池挡土墙和前池剩余挡土墙的施工任务，有效地使流道层混凝土避开高温施工时段；并在各部位施工中较好地实施了温控防裂措施， 未出现裂缝；

5.2施工措施

混凝土拌合系统主要由搅拌系统（2座强制式搅拌机JS-1000/750，容量分别为1m3/0.7m3）、配料系统（PLD-1000电子配料机及螺旋输送机）、供水系统（20m水井、深井泵、蓄水池及拌合系统水泵）、储料系统（1000m3*3料仓及2台120t整体罐）及混凝土运输系统（2台HBT-60拖式泵）五部分组成。混凝土拌制时骨料和胶凝材料分别由装载机和螺旋输送机上料至配料系统。外加剂因计量精度较高，采用人工单独定量添加。掺聚丙烯网状纤维混凝土拌合时，先将骨料和聚丙烯网状纤维干拌2min，再投入胶凝材料、外加剂和水拌合90s，出料经检测合格后，泵送入仓。

底板采用台阶法浇筑，流道层采用通仓薄层法浇筑，层厚按0.4m进行控制。施工时，人工引接泵管分层铺料、平仓、振捣。流道弧线切面区采用对拉钢绞线做引浆处理，收仓采用抹二、压三的收面方式。收面检查合格后对混凝土外露面进行覆盖保护，覆盖材料结构为：塑料薄膜、厚毡布一至二层；浇筑完成后，待混凝土内部实测温度超过2000C时开始通水降温（地下深井水，水温约140C）。在混凝土降温阶段严控降温速度。

5.3 温控防裂措施

1）原材料温控：拌合用水采用常年温度稳定在140C左右的深层地下水，取水深度15m。施工时对储水池按标准水位做好计量，随抽随用，尽可能减少水温回升。高温季节拌合用水在进入搅拌罐时水温可控制在20～210C。骨料采用高堆深取法储存和使用，最大堆高8m；料仓上设塑料遮阳篷。高温施工时段，根据试验室要求对骨料采取喷淋地下水的方式进行降温。水泥采用出炉一个月以上，温度趋于稳定的散装水泥，且流道混凝土使用的胶凝材料为一次备足的整仓用量，避免了连续供料导致的水泥稳定性降低；

2）拌合及运输温控：拌合站采用搭设塑料遮阳棚，泵管外包厚毡布的方法进行保温，并在高温时段定时洒水降温。经实测，混凝土泵送温升可控制在0.5-10C之间。

3）仓面温控：根据天气预报及时调整浇筑时段。浇筑时，通仓搭设遮阳棚。经实测，高温时段可降低仓内气温20C～2.50C。浇筑开仓选择在气温较低时段（TMAX≤320C）。

4）混凝土浇筑防裂措施：严格控制浇筑速度与浇筑质量，预先布置好混凝土卸料点和卸料次序，确保混凝土浇筑的有序性、连续性和内部质量均一。施工时混凝土连续入仓，确保层间覆盖时间小于2h，振捣密实、层间结合良好，防止混凝土内部出现薄弱面或初始裂缝；

5） 混凝土分仓防裂措施：严控各仓组织筹备时间，确保混凝土层间间隔时间控制在7～10d，尽可能缩短层间间歇时间，保证混凝土工程的连续施工，以减少层间变形约束。

6）温度监控：埋设温度感应计，实时监控混凝土内外各区域温度及温差；

6、混凝土养护

6.1 仓面防护措施：由于混凝土一般在浇筑后20～64h内部温升达到峰值，而终凝后由于龄期短，抗裂性能差，极易因温差和干缩产生表面裂缝。因此，在收仓后，采用湿毡布、塑料膜、厚毡布各一层的顺序依次对外露面进行覆盖保护，以达到保湿和快速提高混凝土表面温度，减小内外温差的效果，从收仓环节开始避免混凝土表面干缩裂缝的出现；

6.2 拆模及养护措施：由于混凝土立面及弧面养护难度较大，现场采取延迟拆模保水和覆盖洒水相结合的方法进行养护。拆模时间平立面为3d，流道曲面为不少于14d。考虑到模板拆除后，混凝土表层水分快速蒸发，局部易出现因干缩应力和温度应力相叠加而导致拆模瞬间形成表面微裂。因此，拆模一般选择在气温较高的下午进行。拆模选用逐层剥离法，即首先拆除模板外保温材料，1-2天后，拆除对拉螺杆和外部支撑，使模板與混凝土墙面分离，开始养护。再间隔1-2天，将模板全部拆除，充分覆盖及养护；混凝土立面采用顶部设塑胶洒水管（洒水孔间距20cm）向覆盖物持续均匀补水；

6.3 通水降温措施：进水流道预设间排距1m×1m的φ50mm钢制冷却水管，循环水温为170C～190C。混凝土浇筑时，当混凝土温度超过冷却水温时开始通水冷却。经左联底板首仓浇筑实践论证，剩余部位未继续使用循环水进行混凝土内部降温；

6.4 防风措施：混凝土保温保湿养护完成后，在流道口设防风帘，以减少流道内空气流动和温度变化；

7、温度与应力观测

沿泵组进水流道下游侧轴线预埋温度探头3个，两侧预埋温度探头15个。在有代表性的进水流道弧面切线中点处、弧面中部，流道接空箱处预埋应变计。经过对高温季节浇筑的首仓泵站底板混凝土的温度观测结果可知，混凝土最高入仓温度27.50C，最高浇筑温度28.00C，养护期内部最高温度达62.90C，内外最大温差220C。均接近或略高于河海大学针对该“底板浇筑温控有限元数值仿真计算分析”的建议值或预测控制值上线。

8、结语

8.1 大型泵站一般位于偏远地区，能够在原材料及施工质量符合电力行业施工规范要求的前提下，仅采取常规防护措施，应用泵送混凝土施工工艺进行快速施工；

8.2 本工程流道施工中没有采用预埋冷却水管进行通水降温，也没有设置制冷设备进行预冷混凝土的制备，而是通过精细化管理采用常规温控措施进行施工控制。在满足施工质量要求的前提下，有效地降低了施工成本。

8.3 鉴于大型泵站是近年来引调水工程建设项目中的关键性工程，同时考虑到各类泵站混凝土工程在结构体型、施工条件及生产环境等方面的相似性。我们认为对南水北调大型泵站在常规施工条件下的施工技术，特别是高温条件下的施工控制方法及参数进行总结和分析很有必要，对将要兴建的各类引调水泵站工程具有现实的对比分析和借鉴指导意义；

参考文献：

[1] 南水北调工程建设技术丛书-泵站工程[M]中国水利水电出版社，2012

[2] 刘有志，水工混凝土温控和湿控防裂方法研究[J]河海大学学报，2006

[3] 张海涛，瞿潇，南水北调工程山东万年闸泵站泵送混凝土施工防裂方法研究[J]山东大学学报，2009

[4] 郭绍春，对万年闸泵站模型试验结果的分析[J]中国农村水利水电，2006

[5]南水北调万年闸泵站Ⅱ标施工组织设计、施工方案及试验资料；