南水北調(diào)中線惠南莊泵站膨脹混凝土應(yīng)用技術(shù)研究

陸嚴(yán)

（南水北調(diào)中線建管局，北京 100038）

1 概述

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線工程總干渠唯一的一座大型加壓泵站，位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)惠南莊村東，與河北省涿州市相鄰，距北京市區(qū)約60 km，距南水北調(diào)中線工程總干渠終點(diǎn)——頤和園團(tuán)城湖約78 km。

泵站前池上游為北拒馬河暗渠，泵站出水鋼管后接雙排DN4000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）至大寧調(diào)壓池，長度約56km。泵站設(shè)計(jì)裝機(jī)流量60m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.20 m，總裝機(jī)容量58.4 MW。泵站屬大（1）型泵站，為I等工程。泵站共設(shè)8臺臥式單級雙吸離心泵機(jī)組，6工2備，單機(jī)流量10 m3/s，采用機(jī)組并聯(lián)及變頻調(diào)速相結(jié)合的運(yùn)行方式。泵站順?biāo)鞣较蛞来尾贾眠M(jìn)口閘、前池、進(jìn)水池、進(jìn)水管、主副廠房、出水管和小流量輸水管等主要建筑物。

泵站混凝土為常態(tài)混凝土，澆筑量較大，總量為14.888萬m3。其中，進(jìn)口閘4 155 m3，前池65 707 m3，進(jìn)水間22 159 m3，主廠房24 319 m3，副廠房9 807 m3，進(jìn)出水管及小流量自流管包封、鎮(zhèn)墩、閥井、測流井工程22 610 m3。

泵站前池最大凈跨23.8 m，最大凈高17.02 m，最大分塊長度52.8 m。泵站主廠房為大跨度半地下箱形結(jié)構(gòu)，樁箱基礎(chǔ)，凈跨28.5 m，埋深18.8 m，最大分塊長度35.50 m。根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，軟基室內(nèi)或地下環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)最大分縫長度為30 m，泵站工程前池與主副廠房的邊墻和底板均屬超長混凝土結(jié)構(gòu)。且主廠房底板厚度達(dá)3 m，邊墻為梯形斷面，最大厚度達(dá)到3.5 m，屬于大體積混凝土。混凝土干縮和冷縮使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土開裂。對此，一般是設(shè)置多條后澆帶，等40～50 d后再來填充。這樣一來，不但施工繁瑣，而且混凝土的整體性和防水難以保證。隨著混凝土材料科學(xué)和施工技術(shù)的發(fā)展，碾壓混凝土、膨脹混凝土等越來越廣泛地應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域，超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工在理論與實(shí)踐上成為可能，并逐漸被人們認(rèn)識和接受。根據(jù)南水北調(diào)中線工程惠南莊泵站工程的前池和主廠房的布置特點(diǎn)，采用膨脹混凝土布置超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無縫連續(xù)施工技術(shù)，同時(shí)增加混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自防水。這對減少施工步驟，縮短施工工期，節(jié)約工程投資，提高工程可靠度具有重要意義。

2 膨脹混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析

在混凝土中摻加適量的膨脹劑，通過與水泥的化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生適量膨脹，在鋼筋和鄰位結(jié)構(gòu)的限制下，在鋼筋混凝土中建立0.2～0.7 MPa的預(yù)壓應(yīng)力，可大致抵消混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止混凝土開裂。同時(shí)，水化反應(yīng)生成的鈣釩石晶體屬針狀、棒狀晶體，填充、切斷、堵塞混凝土的毛細(xì)孔，使混凝土的抗?jié)B能力大大提高，從而達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)自防水的目的。

下面，從收縮應(yīng)力角度對超長無縫施工裂縫控制進(jìn)行分析。

筏板式基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)的底板或樓板，其特點(diǎn)是厚度或高度（H）遠(yuǎn)小于長寬尺寸（L）。當(dāng)H/L≤0.2時(shí)，底板或樓板在溫度收縮變形作用下離開端部區(qū)域，全截面受拉應(yīng)力比較均勻，在地基約束下將出現(xiàn)水平法向應(yīng)力（σx）。從工程實(shí)踐可知，σx是設(shè)計(jì)主要控制應(yīng)力，是引起垂直裂縫的主要應(yīng)力，其最大值（σmax）出現(xiàn)在板截面的中點(diǎn)X＝0處，如圖1所示。

當(dāng)σmax超過混凝土的抗拉強(qiáng)度（Rt）時(shí)，板中部出現(xiàn)第一條垂直裂縫；開裂后，每塊板的水平應(yīng)力重新分布，最大應(yīng)力（σx'）出現(xiàn)在每塊板的中部，當(dāng)σx'＞Rt時(shí)又形成第二批裂縫……如圖2所示。這種裂縫的有序排列經(jīng)常在工程中見到。為防止這種有序裂縫的出現(xiàn)，工程中靠設(shè)置后澆帶來釋放收縮應(yīng)力。這是控制裂縫的主要措施之一。

后澆帶只在較短的間距（L）范圍對削減收縮應(yīng)力（σmax）起顯著作用，超過一定長度即使設(shè)后澆帶也沒有意義。按理論計(jì)算，削減σmax的有效間距為20～60m。所以，膨脹加強(qiáng)帶間距應(yīng)設(shè)在此范圍內(nèi)。

研究表明，膨脹混凝土在硬化過程中產(chǎn)生膨脹作用，在鋼筋或鄰位結(jié)構(gòu)的約束下鋼筋受拉、混凝土受壓。當(dāng)鋼筋拉應(yīng)力與混凝土壓應(yīng)力平衡時(shí)，則有如下計(jì)算公式：

配筋率的計(jì)算公式為：

由上述公式推導(dǎo)，則有如下計(jì)算公式：

式中：σc為混凝土預(yù)壓應(yīng)力（MPa）；Ac為混凝土截面積（m2）；σs為鋼筋拉應(yīng)力（MPa）；As為鋼筋截面積（m2）；Es為鋼筋彈性模量（MPa）；μ為配筋率（%）；ε2為混凝土的限制膨脹率即鋼筋伸長率（%）。

從式（4）可見，σc與ε2成正比關(guān)系，限制膨脹率隨膨脹劑的摻量增加而增加。所以，可以通過調(diào)整膨脹劑的摻量使混凝土獲得不同的預(yù)壓應(yīng)力。根據(jù)水平法向應(yīng)力曲線，設(shè)想在σmax處給予較大的膨脹應(yīng)力（σc），而在兩側(cè)給予較小的膨脹應(yīng)力，如圖3所示，以便結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力得到大小適宜的補(bǔ)償，從而控制有序裂縫的出現(xiàn)。

在收縮應(yīng)力集中處，設(shè)膨脹加強(qiáng)帶，其寬度2～3 m，兩側(cè)架設(shè)密孔鐵絲網(wǎng)，目的是為防止兩側(cè)混凝土流入加強(qiáng)帶，如圖4所示。施工時(shí)，帶外側(cè)用小膨脹混凝土，澆筑到加強(qiáng)帶時(shí)改用大膨脹混凝土，至加強(qiáng)帶另一側(cè)時(shí)又改為小膨脹混凝土澆筑。如此循環(huán)下去，可實(shí)現(xiàn)超長混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)澆筑。

膨脹混凝土的限制膨脹率非常重要，根據(jù)初步計(jì)算，普通部位水中14 d的限制膨脹率0.015%～0.020%，空氣中28 d限制收縮率小于0.03%；膨脹加強(qiáng)帶水中14 d的限制膨脹率0.025%～0.045%，空氣中28 d限制收縮率小于0.03%。

3 膨脹混凝土試驗(yàn)研究和應(yīng)用效果

膨脹混凝土正式施工前，在結(jié)構(gòu)單元規(guī)模較小的部位進(jìn)行了專門的試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖歉鶕?jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工情況及氣候條件，結(jié)合其他溫度控制手段，確定不同部位混凝土的限制膨脹率及不同限制膨脹率的混凝土施工配合比，監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度、應(yīng)力應(yīng)變、混凝土開裂情況等，為大規(guī)模膨脹混凝土施工和溫度控制積累經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步分析計(jì)算混凝土溫度應(yīng)力提供依據(jù)。試驗(yàn)段位置選定在前池進(jìn)口漸變段H0+000—H0+035和前池H0+125—H0+ 140段。試驗(yàn)段觀測包括混凝土表面外觀檢查和混凝土內(nèi)部溫度、應(yīng)力應(yīng)變觀測。混凝土表面外觀檢查在脫模后至設(shè)計(jì)齡期每天檢查1次；混凝土內(nèi)部溫度、應(yīng)力應(yīng)變觀測在混凝土初凝后開始，從初凝至7 d齡期每4 h讀取1次數(shù)據(jù)，從7 d齡期至設(shè)計(jì)齡期每天讀取1次數(shù)據(jù)。每次讀取混凝土內(nèi)部溫度、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)同時(shí)記錄環(huán)境溫度、天氣情況及養(yǎng)護(hù)記錄。

目前，惠南莊泵站前池混凝土澆筑已基本完成，且大部分在夏季高溫時(shí)節(jié)完成。由于采用膨脹混凝土技術(shù)及其他輔助溫度控制措施，目前尚沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。