淺析水利工程大體積混凝土分層分塊規劃

楊正勇

(中國水利水電第十四工程局有限公司 昆明 650041)

1 概述

現代建筑中時常涉及到大體積混凝土施工，如高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩等。大體積混凝土的主要特點是體積大、結構表面系數小、水泥水化熱釋放比較集中、內部溫升比較快。因此，大體積混凝土往往不能一次澆筑成型，為降低混凝土的水化熱，防止混凝土裂縫的出現，大體積混凝土的分層分塊規劃變得尤為重要。本文以水工建筑物大體積混凝土為例，從結構體型、溫度控制、設備配置、模板選用、施工進度、經濟比對等幾個方面來簡要分析大體積混凝土的分層分塊規劃，以期為其他類似工程提供一些幫助。

2 影響分層分塊規劃的因素

2.1 結構體型

大體積混凝土分層分塊施工縫，首先考慮按設計永久結構縫留置，如設計體型過大，則施工過程中應設置臨時施工縫。以混凝土壩為例，一般橫縫(垂直壩軸線)為永久變形縫，間距15～20m;縱縫為臨時設置的施工縫，間距15～30m。

混凝土分層厚度視基礎的約束條件考慮，基礎強約束區(0～0.2L，L系澆筑塊長邊)一般采用0.75～1m，基礎弱約束區(0.2～0.4L)可加大層厚至1.5～2m，脫離基礎約束區后由溫控、施工條件等決定層厚，一般為3～5m。

混凝土結構體型不規則或發生變化的部位，應按體型變化規律分層。如框架、廊道、懸臂、牛腿、建筑物混凝土倒角轉折等，應在適當位置分層，但應避免將施工縫設在應力集中位置。

混凝土分層還應考慮其他結構因素影響。如泄水閘閘墩施工，按溫度控制要求澆筑層厚可為4～5m，但由于鋼筋、埋件安裝工作量大，混凝土進料困難，澆筑層厚多為2m。

另外，混凝土縱縫布置優先考慮錯縫形式，盡量不采用由基礎至結構頂部的通縫，以提高整體性及抗滲效果，避免灌漿。

2.2 溫度控制

為避免澆筑塊體由于基礎溫差和內外溫差等發生溫度裂縫，溫控要求是決定澆筑層厚的一個主要依據。

水泥水化過程中，會產生水化熱。當結構截面尺寸小、熱量散失快時，水化熱可不可慮。但對大體積混凝土，混凝土在凝固過程中會導致內部熱量聚集，熱量散失很慢，常使溫度峰值很高。過高溫度易使結構物產生溫度變形，另外，如果混凝土內外溫差過大，使得混凝土內外質點間相互約束產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度，則會使混凝土出現溫度裂縫。

相關規范要求:混凝土最大絕熱溫升不宜大于50℃;混凝土結構構件表面以內40～80mm位置處的溫度與混凝土結構構件內部的溫度差值不宜大于25℃。

而不同的澆筑層厚與混凝土內部溫升有密切關系，澆筑層厚越小散熱越快，水化熱溫升值越低，反之則散熱越慢，溫升值越高。當混凝土澆筑層厚在5m以上時，混凝土實際溫升已接近絕熱溫升。

混凝土內部最高溫度可按下式計算:

式中 Tmax——混凝土內部中心最高溫度，℃;

T0——混凝土澆筑入模溫度，℃;

T(t)——在t齡期時混凝土的絕熱溫升，℃;

ξ——不同澆筑層厚的溫降系數，可按下表查用。

不同澆筑層厚與混凝土絕熱溫升的關系表(ξ值)

由此，我們可以通過上式來計算不同分層厚度下的混凝土內部最高溫度及內外溫差，以此來確定實際分層厚度。

另外，對整體性有要求的部位，如確需較大的分層厚度，則應采取其他有效的溫控措施來避免溫度裂縫的出現，如預埋冷卻水管降溫、覆蓋保溫被降低內外溫差等。

一般情況下，在低溫季節選擇3～5m的澆筑層厚，采取簡單的保溫措施即可滿足混凝土溫控要求;高溫季節一般應避免澆筑大體積混凝土，如需澆筑，分層厚度以不超過1.5～2m為宜。

2.3 設備配置

混凝土澆筑倉位的大小，還應與混凝土生產、運輸、澆筑等設備的能力相適應。

例如:某電站混凝土溢流壩設計橫縫間距20m，壩基礎最大長度51m，計劃采用一臺BLJ600×40履帶式布料機進行混凝土布料入倉，澆筑方式采用平鋪法，則壩基礎分層分塊規劃應按如下考慮:BLJ600×40履帶式混凝土布料機設計輸送能力為80～120m3/h，考慮施工中其他因素的影響，實際輸送能力約為45～60m3/h。大壩混凝土澆筑采用平鋪法施工，每層鋪料厚度0.5m，允許鋪料間歇時間4h，按每小時澆筑混凝土60m3計，則一次最大允許澆筑面積為60×4/0.5=480m2。溢流壩橫縫間距為20m，則縱縫間距應不大于480/20=24m。由此，壩基礎51m方向應劃分為3段進行澆筑。壩基分層按其所處約束區位置確定。

另外，如果上述壩基混凝土采用臺階法澆筑，則可選擇較大的分塊長度。但采用臺階法，澆筑層厚一般為1.0～1.5m，最大不超過2m。

以上是按混凝土澆筑設備的能力計算最大澆筑倉位，如果混凝土生產、運輸等設備的能力不能與澆筑設備能力相匹配，或受其他一些因素影響(如道路交通條件)，則應按效率最低設備的供應能力核算最大混凝土澆筑倉位。

2.4 模板選用

混凝土分層分塊規劃還應與所選模板的型式尺寸相一致。

為提高混凝土澆筑質量，加快施工進度，許多水利工程均開始采用多種新型模板，例如多卡模板、翻轉模板等。這類模板，一般均有其定型尺寸。如多卡模板DK2033、DK3033等，面板尺寸 2.0m ×3.3m、3.0m ×3.3m，只適應于3m層厚以下的混凝土澆筑。此類模板用于斜面混凝土澆筑，分層厚度應保證斜面高度小于模板高度。

另外，對于一些定制模板，如弧形模板、轉角模板等，為保證安裝運輸方便，也不能選擇過大的結構尺寸。故混凝土的分層分塊應結合模板定制尺寸綜合考慮。

一般情況下，混凝土分層應以3m以下為主，因其能適應多種模板的型式尺寸。

2.5 施工進度

大體積混凝土澆筑后，為滿足混凝土強度或溫度控制要求，需要一定的停等時間才可進行下一層混凝土澆筑，一般為5～10天。

如選擇過多的分層分塊，將會使停等時段增多，施工縫面處理工程量增加，施工進度滯后。因此，在滿足溫控及其他施工條件的情況下應盡可能選擇較大的分塊長度、分層厚度，能通倉澆筑的盡量通倉澆筑。

而且，選擇合理的澆筑順序，也能減少澆筑停等時間，加快施工進度。如采用跳塊澆筑、臺階狀分層澆筑等，使得在停等時間內有其他塊段的 混凝土可以澆筑。

2.6 方案比對

混凝土分層分塊較小，溫控條件容易滿足，利于保證混凝土澆筑質量，因此可以降低與混凝土溫控相關的一些措施費用，但材料周轉、縫面處理、接縫灌漿等方面的費用及工期將增加。混凝土分層分塊較大，對資源利用、施工進度控制有好處，但與混凝土溫控相關的措施費用及工期將增加，如混凝土加冰、預冷骨料、水管冷卻等方面的費用及混凝土保溫養護時間的延長等。

顯然，上述規劃因素的選擇有其有利和不利的方面，在實踐中需要綜合考慮。為在技術可行的條件下，尋求以上因素的最優組合，可以有多種規劃方案，這里簡要介紹兩種。一種是以相對造價最低為原則的規劃，另一種是以澆筑溫度最高為原則的規劃。前者是在保證質量的前提下更多地考慮經濟因素，后者則不嚴格考慮經濟因素，而是爭取在施工中采取盡量少的措施。以上兩種規劃均可以通過數學模型建立目標函數及約束條件來進行求解，但由于其數學規劃為非線性關系，其各變量間也存在特殊限制，求解過程往往過于復雜。目前主要采用計算機編程的方式予以解決，此處不再贅述。

3 結語

對于一般工程量較小的混凝土施工項目，通過經驗或參考其他類似工程的混凝土分層分塊規劃，已能基本滿足設計及規范要求。但對于較大的工程項目，尤其是對混凝土溫控有特殊要求的部位，合理的分層分塊不僅能提高混凝土澆筑質量，還能節省投資、縮短工期。

1 江正榮.建筑施工計算手冊［M］.(第二版).北京:中國建筑工業出版社，2007.

2 水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

3 GB 506666—2011混凝土結構工程施工規范［S］.

4 DL/T 5144—2001水工混凝土施工規范［S］.