楊興階 李明偉 譚靚 湖北水總水利水電建設(shè)股份有限公司

1 前言

燈泡貫流式水電站中水輪機(jī)機(jī)組利用臥式布置，出水方向?yàn)檩S向貫通，流道形狀較為簡(jiǎn)單，施工較為便捷。但受施工工藝、機(jī)組分期安裝等因素影響，廠房流道混凝土多采用分期澆筑方式施工。以往對(duì)兩期混凝土面黏結(jié)質(zhì)量關(guān)注度不足，接縫面經(jīng)常出現(xiàn)開裂、剝離等情況，致使結(jié)構(gòu)無法正常使用。對(duì)此，應(yīng)深入探究新老混凝土接縫面的應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)其承載特性開展研究，并采取科學(xué)的施工方案提高工程效果。

2 工程概況

碾盤山水利水電樞紐工程位于漢江中下游干流，上距建設(shè)中的雅口航運(yùn)樞紐58km、丹江口水利樞紐壩址261km，下距鐘祥市區(qū)10km，是漢江中下游規(guī)劃開發(fā)梯級(jí)中的倒數(shù)第二級(jí)。該工程水庫正常蓄水位50.72m，對(duì)應(yīng)庫容8.77億立方米，死水位50.32m，混凝土連接壩最大壩高25.80m，具有日調(diào)節(jié)性能，河床徑流式電站總裝機(jī)180MW。本工程為Ⅱ等工程，航道渠化后，通航等級(jí)由Ⅳ級(jí)提高到Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，船閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為1000噸級(jí)。本電站為河床式廠房，廠房布置在混凝土連接壩段與泄水閘之間，共安裝6臺(tái)SFWG30-88/8300轉(zhuǎn)輪直徑7.50m的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，機(jī)組安裝高程為31.50m，單機(jī)容量30MW。

3 混凝土施工技術(shù)

3.1 模板規(guī)劃設(shè)計(jì)

在管形座上游和進(jìn)水口中間的結(jié)構(gòu)較為奇特，是由方變圓的漸變形構(gòu)成，下游為垂直面。對(duì)上游漸變段利用異型模板設(shè)計(jì)與拼裝，兩端和頂部均利用滿堂鋼管排架支撐，下游面利用組合鋼模板。模板利用鋼管支撐，全部拉緊和支撐架都不可焊接在周圍管形座上，而是要錨固到混凝土內(nèi)的預(yù)埋鋼筋骨架中，以免在澆筑、振搗期間使已經(jīng)安裝完畢的管形座變形。在立模完畢后，檢查好結(jié)構(gòu)尺寸，保證立模垂直度、平整度、縫隙等均可滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。模板材料應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)的鋼材、鋼混等材料，木材質(zhì)量應(yīng)超過Ⅲ等以上，腐朽嚴(yán)重的木材禁止使用。鋼模板厚度應(yīng)超過3mm，鋼板面應(yīng)光滑，禁止存在凹陷、褶皺等質(zhì)量問題，擁有足夠的剛度和承載能力。模板制作應(yīng)根據(jù)施工圖紙要求，在模板安裝前進(jìn)行測(cè)量放樣，允許偏差和密度均要滿足相關(guān)規(guī)定，即平面誤差不可大于5mm，個(gè)別不可大于1cm，盡可能地精確調(diào)整，為施工期間模板位移和變形預(yù)留寬容度。在模板安裝中，應(yīng)設(shè)置臨時(shí)固定設(shè)施，避免變形和傾覆；安裝好的模板應(yīng)有充足的新澆混凝土自重與側(cè)壓力。在模板工序完成后，由承包方自行檢驗(yàn)，再由監(jiān)理工程師進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收[1]。

3.2 鋼筋加工安裝

在鋼筋材料加工中，因構(gòu)件存在差異，加工需求也不盡相同。在正式加工前需分析圖紙內(nèi)容，掌握不同構(gòu)件的加工需求，保障生產(chǎn)的鋼筋構(gòu)件能夠順利投入使用，避免材料浪費(fèi)。在鋼筋綁扎期間，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙放樣，施工前試制對(duì)應(yīng)編號(hào)的待用鋼筋，嚴(yán)格把控施工工序，在確保試件符合需求后再正式生產(chǎn)。該項(xiàng)目二期混凝土鋼筋包裹在管形座外圈，采用兩層環(huán)向鋼筋網(wǎng)進(jìn)行包裹，上游漸變段環(huán)向鋼筋每根的尺寸、形狀均不盡相同。在鋼筋加工期間，應(yīng)根據(jù)管形座的外圈形狀進(jìn)行計(jì)算，在條件允許情況下，還可繪制三維圖檢驗(yàn)鋼筋尺寸，保障加工數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

在鋼筋材料搬運(yùn)中，還要注意周圍是否有障礙物，小心規(guī)避電氣設(shè)備、電線等，避免出現(xiàn)觸電事故。在鋼筋起吊時(shí)，應(yīng)保證規(guī)格統(tǒng)一，長(zhǎng)短不同的材料，不可一次性起吊，應(yīng)分類后進(jìn)行起吊。在安裝前應(yīng)當(dāng)進(jìn)行試焊，當(dāng)試件各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足需求后才可開展焊接工作，還要處理好鋼筋接頭位置，將成品整齊堆放，保障物料安全。為了減少焊接接頭，環(huán)向鋼筋應(yīng)將上下兩段分開加工，堅(jiān)持先下后上原則，在所有鋼筋都澆筑完畢后進(jìn)行安裝，便于混凝土順利入倉。

3.3 分層施工

因二期混凝土施工工期有限，支撐件數(shù)量較多，對(duì)變形控制要求較高，且腹部振搗密實(shí)度難以保障；結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，經(jīng)過參建主體各方研究，決定采用分層施工法開展?jié)仓?。按照設(shè)計(jì)圖上的要求，將二期混凝土澆筑分成兩個(gè)部分，即先澆塊、后澆塊。在先澆塊施工完畢后安裝管形座，在基礎(chǔ)板下的定位螺栓孔灌注一級(jí)配微膨脹混凝土，最后根據(jù)施工順序進(jìn)行混凝土澆筑。因管形座屬于特殊位置，為了避免座體下方特定范圍內(nèi)澆筑期間產(chǎn)生上浮力導(dǎo)致變形，二期管形座下澆筑層厚度應(yīng)控制得當(dāng)，如若超過混凝土的上浮力范圍，可逐漸增加厚度。該項(xiàng)目管形座中軸線下方混凝土的分層厚度控制在1.5m以內(nèi)，上方分層厚度不超過2.0m，共計(jì)分成15個(gè)澆筑層，實(shí)施分層澆筑施工。

3.4 澆筑、振搗與養(yǎng)護(hù)

在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，該水電站采用P·O42.5水泥，粉煤灰為Ⅱ級(jí)，加強(qiáng)混凝土溫度控制，采用低坍落度的混凝土，管形座二期采用C30二級(jí)配常態(tài)混凝土，坍落度在140cm～160cm之間，腹部以下利用高流態(tài)一級(jí)配C30混凝土，坍落度在160mm～180mm之間，減少水泥用量，以免產(chǎn)生過多的水化熱。（1）澆筑。在正式澆筑前，先要準(zhǔn)備好攪拌機(jī)、布料機(jī)、吊罐、振搗棒等設(shè)備，所有機(jī)具在施工之前檢查完好，并考慮到故障時(shí)修理時(shí)間，配備專職人員隨時(shí)檢修；管形座安裝后內(nèi)部臨時(shí)支撐保留，外部為永久支撐，且在管座底部下半圓布設(shè)直徑為100mm的孔，不但便于底部澆筑時(shí)空氣排出，還適用于后期接觸灌漿。在澆筑前做好上述孔洞的清理與保護(hù)，在振搗密實(shí)后將孔內(nèi)混凝土刮平，再設(shè)置灌漿管，用于后續(xù)接觸灌漿?；炷猎诎韬驼景柚仆戤?，再由攪拌車運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)，常態(tài)混凝土利用塔機(jī)配立罐入倉，泵送混凝土利用混凝土泵入倉。在澆筑過程中，澆筑順序?yàn)橄认掠?、后上游，通常薄層水平澆筑，兩端?duì)稱下料，下料期間禁止沖擊管形座、支撐件等，兩端高差應(yīng)低于30cm，鋪料層厚度在50cm以內(nèi)，澆筑速度控制在30cm/h以內(nèi)，液態(tài)混凝土高度應(yīng)控制在60cm以內(nèi)，兩端分層對(duì)稱振搗，不可出現(xiàn)過振、漏振等情況，也不可接觸到支撐、預(yù)埋件等。嚴(yán)格控制混凝土的密實(shí)性、均勻性，一旦發(fā)現(xiàn)拌合物均勻性出現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)處理。將拌合物運(yùn)送到澆筑地點(diǎn)后，檢驗(yàn)其稠度，應(yīng)與施工要求相符，出現(xiàn)混凝土離析、分層現(xiàn)象時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行二次攪拌，將拌合物運(yùn)送到澆筑地點(diǎn)時(shí)的溫度，最高不要超過35℃，最低不應(yīng)小于5℃，澆筑季節(jié)宜在低溫季節(jié)進(jìn)行，夏季高溫時(shí)段要做好降溫措施。（2）振搗。振搗時(shí)間以混凝土表面無氣泡、沒有明顯下沉、開始泛漿為準(zhǔn)，插入點(diǎn)整齊，間距為振搗器半徑的1.5倍，插入下層混凝土中深度為5cm～10cm之間；振搗一次性完成，插入方向和角度相同，避免漏振；振搗棒應(yīng)盡可能垂直插入混凝土中，堅(jiān)持快插慢拔原則，振搗中泌水應(yīng)及時(shí)刮除，不再模板上開洞引水自流；振搗器與模板垂直距離應(yīng)超過振搗器半徑的1/2。對(duì)底部?jī)蓚?cè)混凝土振搗完畢后，待側(cè)壁前混凝土初凝，將混凝土緊貼管壁堆高20cm～30cm，形成反坡面，確保下層澆筑時(shí)能夠完美結(jié)合，以免在管壁側(cè)面出現(xiàn)銳角，難以實(shí)現(xiàn)堆筑與振搗。（3）養(yǎng)護(hù)。在澆筑完畢后，初凝過程應(yīng)采用表面沖毛作業(yè)，要沖到表面無乳皮的程度，且骨料微露，再用低壓力水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。由專人負(fù)責(zé)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24h不間斷，養(yǎng)護(hù)要求表面保持濕潤(rùn)，不能時(shí)干時(shí)濕。該項(xiàng)目采用電熱法進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，保證混凝土溫度均勻，加熱時(shí)間設(shè)定應(yīng)保證混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%，并滿足以下要求。一是在加熱時(shí)混凝土外露面應(yīng)全部覆蓋；二是采用交流電，對(duì)于鋼混結(jié)構(gòu)，應(yīng)將電壓降低到50V～110V之間；三是混凝土最高溫度不應(yīng)超過規(guī)定要求，進(jìn)而設(shè)置自動(dòng)控溫裝置、用電安全保險(xiǎn)裝置等，在加熱期間，密切觀察混凝土表面濕度，一旦出現(xiàn)干燥情況應(yīng)立即停電，并用溫水將表面潤(rùn)濕。

4 混凝土施工承載特性研究

4.1 接觸理論與剪切強(qiáng)度

在常規(guī)施工環(huán)境下，一、二期混凝土接縫位置在未受力情況下黏結(jié)，當(dāng)荷載開始逐漸提升，接縫面開始滑移甚至開裂。在上述狀態(tài)變化期間，接縫面抗力從黏結(jié)力變成摩擦力，產(chǎn)生接觸非線性問題。采用ABAQUS中的接觸模塊，在模型內(nèi)設(shè)置等效剪應(yīng)力進(jìn)行模擬，當(dāng)接縫面剪應(yīng)力最大值超過設(shè)定值時(shí)，結(jié)構(gòu)便開始滑動(dòng)。通過Rand1研究結(jié)果可知，新老混凝土接縫面的抗剪力可用公式表示如下。

式中，V1代表的是黏結(jié)力；Vm代表的是抗剪摩擦力；Vd代表的是鋼筋消栓作用力；ξ1代表的是粗糙度影響系數(shù)，取值為0.048；ξ2代表的是界面劑影響系數(shù)，取值為1.8；Ac代表的是接縫面積；p代表的是植筋率；μ代表的是摩擦系數(shù)；β代表的是抗剪力系數(shù)；Fy代表的是鋼筋屈服強(qiáng)度[2]。

4.2 計(jì)算模型

該水電站的構(gòu)成要素較多，包括泄水建筑物、廠房、泄洪壩段等，廠房布置在混凝土連接壩段與泄水閘之間，共安裝6臺(tái)SFWG30-88/8300轉(zhuǎn)輪直徑7.50m的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，機(jī)組安裝高程為31.50m，單機(jī)容量30MW。每個(gè)機(jī)組段朝著縱軸線方向?qū)挾葹?5.2m，廠房地基與進(jìn)水口間的距離為40.0m。因廠房基巖會(huì)干擾到整體結(jié)構(gòu)，可在建基面下方相距120m的位置朝著上下游分別延伸120m。模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)，橫軸為下游方向；縱軸為左岸，Z軸為鉛直向上，在機(jī)組安裝高程和2號(hào)機(jī)組軸線相交位置設(shè)置原點(diǎn)。利用ABAQUS內(nèi)的三維單元，將B31梁?jiǎn)卧摻钤贓MBEDDED指令下埋入實(shí)體單元內(nèi)。該項(xiàng)目做出以下假定：一是在機(jī)組段之間設(shè)置永久分封，各段獨(dú)立承載，可對(duì)某個(gè)段進(jìn)行單獨(dú)分析；二是混凝土、鋼筋屬于線彈性材料，在植入后不拔出；三是忽視溫度產(chǎn)生的影響。

4.3 計(jì)算方法

在常規(guī)工況下，施加荷載由設(shè)備自重、流道內(nèi)水壓、樓面荷載以及上下游面水壓力構(gòu)成，其中上游正常蓄水位為50.72m，下游設(shè)計(jì)洪水位為48.52m。該項(xiàng)目中兩期混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30，板梁柱結(jié)構(gòu)所用混凝土強(qiáng)度為C30，對(duì)比一、二期接縫面位置、處理方式產(chǎn)生的影響，共計(jì)制定四種計(jì)算方案，具體如下。第一種：混凝土整體澆筑，沒有接縫面，與其他方案進(jìn)行對(duì)比；第二種：采用分期施工，接縫面涂刷水泥凈漿，粗糙度影響系數(shù)為0.070、界面劑影響系數(shù)為1.5；第三種：采用分期施工，接縫面不但涂刷水泥凈漿，還植入鋼筋，粗糙度影響系數(shù)為0.070、界面劑影響系數(shù)為1.5，植筋率為0.2，探究植筋對(duì)一期、二期混凝土整體性的強(qiáng)化效果；第四種：采用分期施工，優(yōu)化接縫位置，涂抹水泥凈漿，粗糙度影響系數(shù)為0.070、界面劑影響系數(shù)為1.5；將二期混凝土嵌入到一期中，只在接縫位置涂抹凈漿，探究一、二期接縫面位置對(duì)整體性產(chǎn)生的影響。

4.4 有限元分析

按照計(jì)算結(jié)果，對(duì)四種計(jì)算方式下的接縫面接觸狀態(tài)、應(yīng)力分布、水流位移距離等進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如下。

（1）接觸狀態(tài)分析。根據(jù)兩期接觸面的不同處理方法，在四種計(jì)算方式下開展接觸狀態(tài)分析，具體如下。第一種，采用整體澆筑的方式，混凝土整體受力，不會(huì)出現(xiàn)接縫面；第二種，只涂抹水泥凈漿，大多數(shù)接縫面為張開狀態(tài)，腰部滑動(dòng)，只有底部閉合，兩期混凝土中間滑動(dòng)顯著，為整體受力帶來阻礙；第三種，在接縫面植筋，使閉合范圍增加，但仍存在張開的區(qū)域；第四種，兩期接縫面位置進(jìn)行優(yōu)化，閉合范圍增加，但腰部接縫位置閉合范圍有所降低。綜合分析上述接觸狀態(tài)，與前兩種相比，后兩種的應(yīng)用可使兩期混凝土整體性顯著增強(qiáng)。（2）應(yīng)力分布分析。在常規(guī)荷載作用下，二期混凝土在不同計(jì)算方式下水流向應(yīng)力不盡相同，結(jié)合應(yīng)力等值線圖，可得出應(yīng)力分布情況如下。第一種方式的混凝土整體性最佳，拉應(yīng)力與分布范圍均較小，在立柱孔上游出現(xiàn)局部拉應(yīng)力集中情況，且流道周圍水流向拉應(yīng)力的最大值為0.395MPa；第二種因兩期混凝土間產(chǎn)生了滑移，接縫面只有很小面積為接觸狀態(tài)，難以發(fā)揮出一期混凝土承載力，致使二期拉應(yīng)力增加，達(dá)到3.851MPa，開裂面積增加，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不符；第三種是在兩期接縫面植筋，使混凝土整體性進(jìn)一步增強(qiáng)，一期聯(lián)合承載作用全部發(fā)揮出來，二期拉應(yīng)力與第二種相比有所降低，最大值為1.524MPa；第四種是對(duì)兩期接縫面位置優(yōu)化處理，一期能夠產(chǎn)生更多抗力，為二期拉應(yīng)力降低提供諸多助力，拉應(yīng)力最大值降為1.264MPa，與第三種相比收效更佳。（3）位移距離分析。在常規(guī)工況下，二期混凝土受流道內(nèi)水壓影響向下游變形，結(jié)合位移等值線圖，可得出位移距離信息。第一種計(jì)算方式為整體澆筑，受上游水壓力影響，位移距離較小，在1.24mm～1.86mm范圍內(nèi)，頂部位移小于1.95mm；第二種是在兩期混凝土間涂抹水泥凈漿，單純依靠摩擦力增加抗滑能力，使二期混凝土能夠受荷載影響，增加水流向位移，使移動(dòng)距離超過第一種，上游整體接觸面基本能夠脫開。在該方式應(yīng)用下，二期頂部水流向位移距離為10.3mm，這意味著單純?cè)黾咏涌p面摩擦力難以顯著增強(qiáng)混凝土的整體性；第三種是在兩期接縫面中間植筋，與第二種相比，二期水流向位移距離顯著降低，頂部移動(dòng)距離為2.5mm，與第二種相比較低，但超過第一種；第四種是對(duì)兩期接縫面優(yōu)化處理，單純?cè)诮涌p面上涂抹泥漿，頂部水流向位移最高為2.4mm，與第三種相比較低，意味著兩期接縫面的優(yōu)化成效超過單純植筋。

5 結(jié)束語

綜上所述，在水電站混凝土施工期間，應(yīng)嚴(yán)格把控模板規(guī)劃設(shè)計(jì)、鋼筋加工安裝、分層施工、澆筑、振搗與養(yǎng)護(hù)等各個(gè)方面，使混凝土澆筑質(zhì)量得以保障，整體性得到增強(qiáng)。通過二期混凝土嵌入一期，并植入鋼筋等方式，充分發(fā)揮一期混凝土承載力，整體工程更加穩(wěn)固牢靠，為后續(xù)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。