鄧 群,程 井

(1.上海市堤防泵閘建設(shè)運(yùn)行中心，上海 200080；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 20090)

泵閘作為主要的水工建筑物[1]，主要由底板、流道及墩墻等部分組成，目前底板的溫度裂縫基本得到控制，但墩墻及流道等部位產(chǎn)生裂縫的問題時常發(fā)生[2-3]。隨著高性能泵送混凝土的普及，因其溫升值高、溫升速率快等特點(diǎn)[4-5]，該問題更加嚴(yán)重，特別是在高溫季節(jié)澆筑泵閘墩墻時，若不采取溫控防裂措施，早期墩墻容易產(chǎn)生“由表及里”的裂縫，后期容易產(chǎn)生“由里及表”的貫穿性“棗核形”裂縫[6]，影響工程的安全性。目前泵閘結(jié)構(gòu)的溫控防裂方法主要有兩方面：①減小墩墻早期的內(nèi)外溫差值，該方法主要通過采取表面保溫加水管冷卻的措施[7-8]來實(shí)現(xiàn)。②減小后期底板對于墩墻的約束作用，該方法主要通過采取結(jié)構(gòu)溫控措施(合理設(shè)置后澆帶和吊空模板)[9-10]來減小底板對墩墻產(chǎn)生的強(qiáng)收縮變形約束作用。

由于泵閘總體工程量小，難以像大壩混凝土那樣采取嚴(yán)格的骨料預(yù)冷及通制冷水溫控措施。實(shí)際通水往往采用天然河水，且受氣溫及施工組織影響較大，在水源、水溫、流量方面具有較大的不確定性。本文以上海HTG泵閘工程為例，一方面通過不同溫控方案的仿真分析對比研究，探討了在高溫季節(jié)下混凝土的澆筑溫度及水管冷卻對于墩墻溫控防裂效果的影響；另一方面分析了現(xiàn)場溫控監(jiān)測成果并總結(jié)了在現(xiàn)場采取溫控措施過程中產(chǎn)生的問題，對后續(xù)高溫季節(jié)澆筑大體積混凝土提出了科學(xué)合理的溫控防裂建議。

1 工程概況

HTG泵閘位于杭州灣河口處，工程為1級水工建筑物，閘首口寬30.2m，水閘設(shè)置3孔口門凈寬8.0m的潛孔式平面直升門。水閘順河向長度33m，底板與高為1.3m的吊空模板(設(shè)置在水閘兩側(cè)邊墩處)連續(xù)性澆筑，水閘邊墩厚度1.5m，中墩厚度1.6m，閘墩高7m，邊墩中間位置設(shè)置0.8m的后澆帶。工程采用泵送混凝土的強(qiáng)度等級為C35。泵閘工程基坑較深[11]，工程地貌屬于潮坪地貌，場地最大勘測深度為60.5m，在此深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)沉積物，從其結(jié)構(gòu)特征、土體性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)上可劃分為5個工程地質(zhì)層及分屬不同層次的若干亞層，地基承載力表見表 1。泵閘基礎(chǔ)為直徑500mm的T-PC管樁，樁長為35m，分3節(jié)采用錘擊法施工，節(jié)間采用機(jī)械連接，底板外圍采用φ850@600樁長8m的三軸攪拌樁止水帷幕，泵閘結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 泵閘結(jié)構(gòu)平面圖

根據(jù)1959—2016年的氣象資料統(tǒng)計，工程所在地多年平均氣溫15.5℃，最高月平均氣溫為27.7℃，出現(xiàn)在7月；最低月平均氣溫為3.3℃，出現(xiàn)在11月份；極端最高溫度38.3℃，出現(xiàn)在8月份；絕對最低溫度為-10.8℃，出現(xiàn)在1月份。年平均氣溫時間序列如圖2所示。

圖2 奉賢區(qū)年平均氣溫時間序列圖

HTG水閘主體結(jié)構(gòu)采用C35泵送混凝土，配合比見表 2，計算所需主要的熱學(xué)與力學(xué)參數(shù)見表 3。室內(nèi)絕熱溫升[12]過程線如圖3所示，考慮到室內(nèi)拌和情況及測試儀器方法，會有3℃左右的誤差。

表2 泵送混凝土配合比

表3 泵送混凝土熱學(xué)與力學(xué)參數(shù)

圖3 絕熱溫升過程線

2 溫季節(jié)泵閘結(jié)構(gòu)溫控措施

HTG泵閘工程的澆筑計劃見表4，實(shí)際施工進(jìn)度相比初步計劃有所推遲，水閘墩墻及泵站出水流道澆筑時環(huán)境溫度偏高。施工前期依據(jù)現(xiàn)場測溫布置圖，布置好溫度測控單元，對高溫季節(jié)下泵閘工程的建議溫控措施如下：大體積混凝土采取表面保溫和內(nèi)部通水冷卻相結(jié)合的方式，同時延長混凝土的拆模時間；通過加冰拌合方式來降低混凝土的澆注溫度；在現(xiàn)場水源條件充足時冷卻水源要采用非循環(huán)用水；現(xiàn)場通過霧炮機(jī)噴霧形成施工倉面的低溫小氣候環(huán)境；減小底板對墩墻和流道的約束作用，采取設(shè)置吊空模板和后澆帶的結(jié)構(gòu)性溫控措施。

表4 HTG泵閘工程澆筑計劃

3 溫控仿真及方案對比研究

泵送混凝土的骨料粒徑小，膠凝材料的用量大，在高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，水化熱受溫度影響較為明顯，環(huán)境溫度及澆筑溫度越高，前期溫升速率越快，溫升值越高。如果過早拆模[13]或不進(jìn)行內(nèi)部通水冷卻降溫，前期會造成混凝土內(nèi)外溫差過大，相應(yīng)的內(nèi)外變形約束過大，混凝土表面容易產(chǎn)生裂縫，后期混凝土內(nèi)部降溫幅度和速率也過大，使內(nèi)部混凝土收縮變形，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生貫穿性裂縫[14]。

選水閘墩墻作為高溫季節(jié)溫控方案對比分析的研究對象，分析了澆筑溫度、內(nèi)部通水冷卻降溫及采取結(jié)構(gòu)性溫控措施對高溫季節(jié)大體積混凝土溫控防裂的影響。

3.1 HTG水閘模型及計算參數(shù)

泵站和水閘有限元模型如圖4所示，研究對象水閘從下至上依次為地基、墊層、底板、吊空模板、墩墻及后澆帶，整體有限元模型均采用六面體單元進(jìn)行空間離散，單元共計36962個，節(jié)點(diǎn)共計42870個。

圖4 泵閘整體有限元模型

進(jìn)行溫度場仿真計算時，地基底部及四周按絕熱邊界處理。施工前期底板及墩墻的四周為有木模板的第三類放熱邊界，上表面為有塑料保濕膜、土工布及草席的第三類放熱邊界；混凝土拆模后為裸露的第三類放熱邊界。進(jìn)行溫度應(yīng)力場計算時，取地基底面為全約束，地基四周施加法向約束，其他邊界作為自由邊界。

HTG水閘所在地區(qū)的年平均溫度為15.7℃，氣溫年變幅12.2℃，氣溫邊界條件采用的余弦函數(shù)為式(1)。

(1)

式中，t—時間變量，月；Ta(t)—t時刻的氣溫，℃。

HTG水閘墩墻澆筑時間為8月中旬，氣溫高、澆筑間歇長，混凝土內(nèi)部溫度控制難度大，墩墻混凝土開裂風(fēng)險大。為此綜合采取了通水冷卻的溫控措施及設(shè)置后澆帶與吊空模板的結(jié)構(gòu)措施。邊墻后澆帶及吊空模板如圖5所示。對高溫季節(jié)澆筑水閘墩墻采取的不同溫控方案進(jìn)行對比。對于推薦通水工況1，水管垂直間距1m，0～4d通水流量4m3/h，4～14d通水流量1 m3/h，通水溫度26℃；相對工況1，工況2的澆筑溫度升高到34.5℃，模擬在高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r澆筑溫度偏高的情況；工況3相較于工況1，不采取任何通水冷卻措施。

圖5 水閘邊墩側(cè)視圖(后澆帶及吊空模板)

3.2 墩墻仿真結(jié)果分析

計算分析所采用的特征點(diǎn)位于每段墩墻沿順河向的二分之一截面處，墩墻自下向上0.95m處的特征點(diǎn)用L1～L4來表示，2.4m處的特征點(diǎn)用H1～H4來表示(墩墻特征點(diǎn)從內(nèi)部到表面的編號順序?yàn)?～4，1號點(diǎn)為墩墻內(nèi)部點(diǎn)，4號點(diǎn)為墩墻表面點(diǎn))；所有工況下墩墻的養(yǎng)護(hù)時間均為14d，養(yǎng)護(hù)完畢后，墩墻的外表面均暴露在空氣中。

3.2.1高溫季節(jié)下澆筑溫度的影響

Case1工況在高溫季節(jié)將澆筑溫度控制在26℃，為推薦理想工況，特征點(diǎn)用L1～L4表示；而Case2工況則模擬了因混凝土攪拌罐車運(yùn)輸時間長及沒有采取遮陽等措施情況下混凝土澆筑溫度偏高(設(shè)置為34.5℃)的工況，特征點(diǎn)用L1’～L4’表示。澆筑溫度對墩墻溫度、應(yīng)力過程線的影響如圖6所示，在高溫季節(jié)較高的澆筑溫度工況下，墩墻內(nèi)部的溫度峰值提升了6.5℃，達(dá)到59.2℃，且達(dá)到溫度峰值的時間提前了近5個小時，相應(yīng)地后期降溫幅度也明顯增大，最大內(nèi)外溫差值相比工況1增加了3℃，增大了沿墩墻厚度方向的溫度梯度。從順河向應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，在前2.5d，墩墻內(nèi)部點(diǎn)處于受壓狀態(tài)，后期內(nèi)部壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，Case2的后期拉應(yīng)力相比Case1明顯增大，增大了后期墩墻的開裂風(fēng)險。

圖6 澆筑溫度對墩墻溫度、應(yīng)力過程線的影響

3.2.2墩墻內(nèi)冷卻水管冷卻

不通水工況Case3內(nèi)部最高溫度可達(dá)到61.6℃，相比推薦工況的溫度峰值增大了8.69℃，內(nèi)外溫差值增大了4.2℃，達(dá)到17.2℃。在第30d，墩墻0.95m高度處的內(nèi)部順河向拉應(yīng)力值達(dá)到3.1Mpa，超過了混凝土的相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度，墩墻內(nèi)部會開裂并延伸到表面，通水冷卻對墩墻溫度、應(yīng)力過程線的影響計算結(jié)果如圖7所示(Case3工況的特征點(diǎn)用L1’～L4’表示)。

圖7 通水冷卻對墩墻溫度、應(yīng)力過程線的影響

4 實(shí)際施工情況及溫控成果

4.1 實(shí)際施工及溫度監(jiān)測情況

泵閘結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工情況及典型測區(qū)溫控監(jiān)測成果見表5，典型測區(qū)的溫度監(jiān)測過程線如圖8所示，由監(jiān)測結(jié)果可以看出在相同季節(jié)澆筑混凝土，混凝土的最高溫度與澆筑溫度密切相關(guān)，最高溫度隨著澆筑溫度的升高而增大，最大內(nèi)外溫差值也相應(yīng)增大，達(dá)到最高溫度需要的齡期也會提前，因此控制好澆筑溫度是大體積混凝土溫控防裂的關(guān)鍵一步。

表5 泵閘結(jié)構(gòu)實(shí)際施工情況及典型測區(qū)溫控監(jiān)測成果匯總表

圖8 泵閘工程典型測區(qū)溫度過程線

4.2 實(shí)際高溫季節(jié)溫控措施

4.2.1天然河水冷卻

工程現(xiàn)場水源達(dá)不到通水穩(wěn)定性及流量要求時，采用可控非智能循環(huán)通水冷卻系統(tǒng)對大體積混凝土進(jìn)行通水降溫，如圖9所示，本工程中泵閘底板、泵站進(jìn)出水流道均采用了該循環(huán)通水冷卻系統(tǒng)。循環(huán)水源為天然河水，當(dāng)內(nèi)部循環(huán)水水溫過高時，可向蓄水桶內(nèi)加冰及定期補(bǔ)充新的循環(huán)水源來達(dá)到降低循環(huán)水溫的目的。水閘墩墻在高溫季節(jié)澆筑，為了保證通水冷卻效果，采取非循環(huán)天然河水通水降溫的方式。

圖9 可控非智能循環(huán)通水冷卻系統(tǒng)

針對通水降溫過程提出了幾點(diǎn)建議：①現(xiàn)場應(yīng)該配置備用水泵，防止通水過程中水泵損壞而影響混凝土的降溫；②混凝土澆筑前一定要進(jìn)行試通水試驗(yàn)，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)、滿足通水降溫條件及水管沒有漏水問題；③高溫季節(jié)下水源應(yīng)盡量保證為非循環(huán)用水，若因條件限制使用循環(huán)水進(jìn)行降溫，應(yīng)做好熱量平衡分析，確定水箱大小、數(shù)量及換水頻率，現(xiàn)場應(yīng)配置一定數(shù)量的冰塊對循環(huán)用水進(jìn)行降溫；④當(dāng)后期混凝土內(nèi)部平均溫度與近3日平均氣溫相差在10℃以內(nèi)且冷卻水管進(jìn)出口溫差相差在5℃以內(nèi)時，可考慮停止通水。⑤冷卻水應(yīng)采用金屬管(本工程采用直徑42.4mm，壁厚2.5mm的鋼管，冷卻水管間距在1.0～1.5m)。

4.2.2加冰拌和及拆除模板

水閘墩墻在夏季高溫季節(jié)澆筑，室外最高氣溫38℃，室外原材料料堆表面溫度35℃，棚內(nèi)骨料內(nèi)外溫差不大，在30.5 ～ 31℃。為了控制澆筑溫度，采取了加冰拌和。未摻冰前拌和水初始溫度為30～35℃，按水的1/4質(zhì)量摻和冰后，拌和水溫度降至25℃左右。由于配合比中水量占比小，總體澆筑溫度可降低2～3℃；實(shí)際出機(jī)口溫度如圖10所示，實(shí)際最高澆筑溫度為34.12℃。運(yùn)輸過程時長1h20min。運(yùn)輸過程冷量損失嚴(yán)重。

圖10 澆筑當(dāng)天混凝土出機(jī)口溫度

針對高溫季節(jié)澆筑混凝土提出了幾點(diǎn)建議：①高溫季節(jié)建議夜間澆筑，氣溫高于30℃時，不得澆筑混凝土；②高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，可考慮加冰拌合混凝土以降低混凝土的澆筑溫度，澆筑溫度應(yīng)控制在28℃以內(nèi)；③需要綜合考慮商品泵送混凝土的運(yùn)輸時長來控制混凝土的澆筑溫度；④高溫季節(jié)前期混凝土內(nèi)部溫度較高，若提前拆除模板，特別是夜間溫度降低時，會造成較大的內(nèi)外溫差，因此適當(dāng)延遲拆模時間也是控制溫度裂縫的關(guān)鍵措施。

4.3溫控防裂效果

通過現(xiàn)場裂縫情況的檢查，發(fā)現(xiàn)HTG泵站底板、水閘底板基本沒有裂縫出現(xiàn)，水閘墩墻、泵站流道出現(xiàn)少量微小表面裂縫(裂縫均沿著墻面的相鄰錨桿處垂直向擴(kuò)展，如圖11所示)，現(xiàn)場采取的溫控措施對于控制大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生具有較好的效果，若現(xiàn)場在冷卻水流量、冷卻水水溫及澆筑溫度有進(jìn)一步完善及保障的前提下，可進(jìn)一步降低本工程水閘墩墻及泵站流道結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險。

5 結(jié)論

泵站結(jié)構(gòu)大體積混凝土通常需要采取通水冷卻溫控措施以降低開裂風(fēng)險。限于施工條件，很多工程難以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格通水水溫及流量控制。本文以實(shí)際工程為例，從仿真及實(shí)踐兩方面，探討了天然河水通水冷卻條件下的泵閘結(jié)構(gòu)溫控的效果及存在的問題，得出以下結(jié)論和建議。

圖11 HTG泵站墻體表面裂縫圖

(1)澆筑溫度對泵送混凝土溫升過程及最高溫度的影響較大，因此，控制澆筑溫度對于溫控防裂至關(guān)重要。①高溫季節(jié)泵送混凝土的澆筑溫度應(yīng)控制在28℃以下；②在夏季或氣溫較高的環(huán)境下澆筑混凝土，應(yīng)避免正午高溫時段澆筑，選擇夜晚或清晨時段；③高溫季節(jié)混凝土拌合站采用加冰拌合時，可有效降低混凝土出機(jī)口溫度2～3℃，但應(yīng)注意運(yùn)輸途中的冷量損失。

(2)若底板與墩墻的澆筑間歇時間過長，可以采取結(jié)構(gòu)溫控措施(設(shè)置后澆帶和吊空模板)來減小底板對墩墻的變形約束作用，改善墩墻內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)及降低拉應(yīng)力水平。在實(shí)際工程中，當(dāng)墩墻在順河向的長度較大時，可設(shè)置一定寬度的后澆帶將墩墻分成幾部分，每部分不超過15m；當(dāng)?shù)装屙敳扛叱逃凶兓瘯r，可設(shè)置一定高度的吊空模板，從而改善后澆墩墻的受力條件。

(3)采取表面保溫和內(nèi)部通水冷卻相結(jié)合的方式能夠明顯降低混凝土的早期內(nèi)外溫差和后期的溫降幅度；高溫季節(jié)通水冷卻的一般性要求：①分期通水冷卻的方式可以控制住內(nèi)外溫差、降低前期溫升和后期溫降幅度；②水溫建議在20～25℃；水溫不滿足要求時，冷卻水源要采用非循環(huán)用水并加冰；③冷卻水管以蛇形方式均勻布置在墩墻內(nèi)部(底部位置水管布置可適當(dāng)加密)，垂直向水管間距建議布置在1～1.2m；④單根冷卻水管長度不宜超過200m，通水時長一般不少于10天；⑤冷卻水管布置完成后應(yīng)開展試通水試驗(yàn)，確保通水流量及水溫滿足要求。

(4)現(xiàn)場溫控過程中容易產(chǎn)生的問題：①混凝土罐車運(yùn)輸過程較長會導(dǎo)致澆筑溫度升高，因此要規(guī)劃好車輛的行駛路線，同時在混凝土運(yùn)輸過程中，采取防曬措施；②水泵損壞會影響混凝土的降溫，需要在現(xiàn)場應(yīng)配置備用水泵；③冷卻水源不充足，采用循環(huán)水進(jìn)行通水降溫使導(dǎo)致循環(huán)水溫過高，現(xiàn)場需要依據(jù)澆筑方量提前預(yù)定一定數(shù)量的冰塊來解決前期循環(huán)水溫過高的問題，冰塊應(yīng)分批逐步放入，每次投入后循環(huán)水降溫幅度控制在2～5℃為宜。