航运枢纽工程泄水闸大体积混凝土浇筑分层工艺参数优化探讨

宣俊旭

摘要：文章以平陆运河青年枢纽项目为依托，选取泄水闸底板为主要研究对象，基于理论计算和施工配合比分析，使用有限元模拟分析软件建立泄水闸底板模型并进行温度场模拟。通过构建的泄水闸底板仿真模型，设置上下层不同浇筑时间间隔、不同分层厚度两种工况，进行底板开裂风险仿真分析，进而探讨泄水闸大体积混凝土浇筑分层工艺参数优化策略，为泄水闸建设工程中大体积混凝土浇筑工艺参数提供理论依据。

关键词：大体积混凝土；分层厚度；浇筑间隔时间；约束应力；抗裂安全系数

中图分类号：U615.4 A 12 031 5

0 引言

水利工程在现代社会中扮演着重要的角色，对水资源的调控和防洪抗灾具有不可替代的意义［1］。泄水闸作为水利工程的重要组成部分，承担着调节水流、防洪排涝的重要职责［2］。在泄水闸主体建设中，大体积混凝土浇筑是一项关键工艺，其质量和稳定性直接影响工程的安全运行。

随着现代技术的发展，对于水利工程建设的要求越来越高。传统的混凝土浇筑方法难以满足大体积混凝土结构的施工需求，因此分层浇筑成为一种重要的施工方法［3-5］。通过分层浇筑，可以控制混凝土的温度，减少温度裂缝的产生，提高混凝土的整体性能。而分层厚度和浇筑时间间隔作为分层工艺的核心参数，直接关系到混凝土的浇筑质量和效率［6-10］。因此，优化分层厚度和浇筑时间间隔，以达到最佳的结构性能，仍然是亟待解决的问题。

本文旨在通过综合研究分析，探讨泄水闸大体积混凝土浇筑分层工艺参数的优化策略，从分层厚度与浇筑时间间隔两类工艺参数展开讨论，通过仿真数据以及平陆运河泄水闸工程案例的分析，探究分层工艺参数的优化策略，为泄水闸大体积混凝土浇筑工艺提供科学合理的建议，为运河枢纽工程领域的技术进步和工程实践的创新提供参考。

1 工程概况

平陆运河是西部陆海新通道骨干工程，始建于2022年8月，建设内容包括航道工程、航运枢纽工程、沿线跨河设施工程及配套工程。按内河Ⅰ级航道标准建设，从上游至下游建设马道、企石、青年三个梯级枢纽。其中青年枢纽是平陆運河规划三座梯级中的最下游梯级，主要施工内容包括：双线船闸、泄水闸、电站、连接坝和鱼道，而泄水闸目前为青年枢纽主体建设重点。

针对泄水闸混凝土结构的工艺参数，设计文件中规定了关键的浇筑分层工艺参数。综合考虑散热效应和施工工作面情况，大体积混凝土层间间歇期控制在5～10 d；基础强约束区混凝土分层厚度为1.5～2.0 m，其他部位为2.0～3.0 m。

泄水闸底板最大边尺寸为35 m，当其直接浇筑在基岩或结构处于混凝土强约束区，且不采取任何控裂措施，混凝土结构的开裂风险均较高。为此，本文选取了开裂风险较大的底板进行浇筑工艺参数优化探讨。

2 评估方法及配合比

2.1 开裂风险评估方法

参照《大体积混凝土施工标准》（GB 50496-2018）附录B的方法，计算底板混凝土的自约束拉应力和外约束应力，结合对应龄期下的混凝土抗拉强度，计算得到混凝土的自约束应力抗裂安全系数Kz和外约束应力抗裂安全系数Kw。

2.2 混凝土配合比

底板混凝土配合比如表1所示。

原材料性能指标如下：

（1）水泥：中热硅酸盐水泥P·MH 42.5，氯离子含量0.03%，碱含量0.36%，3 d水化热247 kJ/kg，7 d水化热257 kJ/kg。

（2）粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰，细度8.4%，烧失量1.90%，需水量比91%，三氧化硫含量1.04%。

（3）矿渣粉：S95粒化高炉矿渣粉，比表面积406 m2/kg。

（4）砂：机制砂，细度模数2.8，亚甲蓝值1.0 g/kg，氯离子含量0，泥块含量0.2%，石粉含量8.7%。

（5）碎石：碎石5～20 mm，表观密度2 720 kg/m3，总含泥量0.7%，泥块含量0.1%，压碎值9.0%，针片状颗粒含量8%，含泥量≤2.0%；碎石20～40 mm，表观密度2 730 kg/m3，含泥量0.4%，泥块含量0.0%，针片状颗粒含量5%；碎石40～80 mm，表观密度2 740 kg/m3，总含泥量0.2%，泥块含量0.0%，针片状颗粒总含量0。

（6）抗侵蚀增强剂（CPA）：比表面积≥300 m2/kg，抗蚀系数≥0.90 K。

（7）减水剂：聚羧酸（缓凝型）高性能减水剂，减水率27%，含固量14.51%，氯离子含量0.06%，总碱含量0.67%。

（8）水：钦江水。

3 建立仿真模型及工况仿真分析

3.1 有限元模型

选取的泄水闸底板尺寸为长×宽×高=35 m×16.5 m×3 m，依据实际尺寸建立有限元模型，结果如图1所示。

3.2 工况设置及参数取值

针对泄水闸底板设置了两个工况，分别研究浇筑时间间隔和分层厚度对混凝土开裂风险的影响，工况设置如表2所示。

根据不同工况进行6#坝段底板的温度场有限元模拟计算，建立系列温度场云图，见图2和图3。

依据中热硅酸盐水泥3 d和7 d的水化热数据，即Q3=201 kJ/kg、Q7=248 kJ/kg，计算得到水泥水化热总量为Q0=300.7 kJ/kg，将该值作为有限元模拟计算用值。模拟计算参数取值，如表3所示。

外约束应力计算取值如表4所示。

3.3 结果分析

3.3.1 工况一：不同浇筑时间间隔下底板开裂风险分析

分层厚度为3 m时，在不同浇筑时间间隔下（3 d、7 d、10 d），底板混凝土的内表温差、上下层加权温差、自约束应力和外约束应力抗裂安全系数的变化趋势见图4～7。

如图4所示，随着浇筑时间间隔的增加，新浇筑混凝土的内外温差下降。这是因为上下层混凝土的浇筑间隔时间越长，下层混凝土产生的热量对上层混凝土整体温度的增加作用越小。

如图5所示，随着浇筑时间间隔的增加，上下层混凝土的加权平均温度差增大。最大温差分别为4.4 ℃、7.4 ℃和8.9 ℃。温差越大，混凝土的不均匀收缩越大。

如图6所示，新浇筑混凝土7 d抗裂安全系数最小值分别为5.41、5.82和6.10。7 d抗裂安全系数全部＞1.15。

如图7所示，30 d抗裂安全系数最小值分别为1.78、1.47和1.32。30 d抗裂安全系数全部＞1.15。

可见，固定分层厚度不变，在浇筑间隔时间为3 d、7 d、10 d时，随着泄水闸底板的浇筑时间间隔的减小，虽然新混凝土的内外温差增大，混凝土的自约束应力抗裂安全系数降低，但也远大于1.15的限值；而上下层混凝土的温差减小，混凝土的外约束应力抗裂安全系数增大。为了保证底板有较好的抗裂性能，应尽量选择较短的分层浇筑时间间隔。

3.3.2 工况二：不同分层厚度下底板开裂风险分析

由前文分析可知，对混凝土抗裂性能影响最大的是外约束应力。自约束应力导致混凝土产生裂缝的可能性非常小。因此，本工况下主要分析不同分层厚度下混凝土外约束拉应力对混凝土抗裂安全系数的影响规律。

图8～11为分层厚度分别1.5 m、2.25 m和3.0 m情况下，混凝土的中心温度、内表温差、降温速率和抗裂安全系数的变化趋势图。表5为不同分层厚度下底板的温控参数。

如图8所示，分层厚度为1.5 m、2.25 m和3 m时的底板中心温度随时间的增加呈现先上升后下降的趋势，且极值点均为t=3 d，极大值温度约为51.8 ℃。当底板浇筑分层厚度从1.5 m增大到3 m后，温度随着分层厚度的增加而上升，且底板混凝土的中心最高温度升高了0.8 ℃，见表5。

如图9和表5所示，分层厚度为1.5 m、2.25 m和3 m时的底板最大内表温差分别为3.7 ℃、7.1 ℃和8.3 ℃。随着分层厚度增加，内表温差呈现先上升后下降趋势，但整体温度均小于25 ℃这一限值。

如图10和表5所示，当分层厚度为1.5 m的底板降温速率最大为0.71 ℃/d，分层厚度为2.25 m时，底板最大降温速率为0.39 ℃/d，相比于1.5 m厚的底板，降温速率下降了45%以上，且随着厚度的减少，降温速率呈现增加趋势。

如图11所示，不同分层厚度下底板的抗裂安全系数随龄期的增加呈现下降趋势。如表5所示，分层厚度为1.5 m的底板在11 d时抗裂安全系数＜1.15，分层厚度为2.25 m和3 m的底板分别在14 d和18 d时抗裂安全系数＜1.15。由此可得，分层厚度增大，底板的抗裂能力提高，降低了底板的开裂风险。

综上，固定浇筑间隔时间不变，在分层厚度为1.5 m、2.25 m、3.0 m时，随着分层厚度的增大，底板混凝土的降温速率变小，抗裂安全系数提高。虽然增大分层厚度，会提高了混凝土的中心温度和内表温差，但提升幅度较小，而随着降温速率降低，外约束拉应力抗裂安全系数提高，混凝土的开裂风险降低。但底板的开裂风险仍较大，应采取分段浇筑或降低约束的措施（如滑动层）或进一步降低入模温度，减小底板的开裂风险。因此，建议在保证浇筑能力的情况下，尽量选择分层厚度较厚的浇筑方式进行浇筑。

4 结语

本文通过对不同浇筑时间间隔和不同分层厚度下的底板混凝土结构进行开裂风险分析，探讨了底板混凝土结构的浇筑工艺参数，总结如下：

（1）上下层混凝土浇筑时间间隔越短，上下层混凝土的温差越小，底板的外约束应力抗裂安全系数越大，混凝土的开裂风险越小。

（2）底板混凝土的分层厚度越大，混凝土的外约束应力抗裂安全系数越大，混凝土的开裂风险越小。

（3）为了确保结构的稳定性，在现场施工过程中，建议控制大体积混凝土的浇筑时间间隔≤10 d，分层厚度≤3 m。同时采取分段浇筑、降低入模温度或减少约束等措施，以进一步减小底板开裂的潜在风险。

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收稿日期：2023-10-08