水工襯砌混凝土施工期溫度裂縫綜合控制技術

(中國長江三峽集團公司，北京 100038)

水工隧洞作為水利水電工程的主要建筑物之一，其建設與運行安全直接關系到工程安全和上下游人民的生命財產安全。與公路、鐵路、地鐵等行業相比，水工襯砌結構大多是過水的，運行環境更為惡劣，建設要求更高。由于承受高速水流脈動水壓力作用，襯砌鋼筋混凝土一般與圍巖連成整體，按聯合受力設計。特高拱壩的泄洪洞過水流速高達50m/s，大泄量、高流速和高安全性要求混凝土具備高抗沖磨、高強度等特性。高強度薄壁襯砌混凝土水化熱量大、溫升高、溫降幅度和內表溫差大而且溫降快，受到圍巖極強的約束，極易在施工期產生危害性貫穿裂縫，在高速水流脈動壓力等作用下可能導致結構破壞，影響結構整體性和壽命，甚至威脅高壩樞紐和社會經濟安全。

1999年以前，水利建設者們對于地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制認識不夠，有關規范的技術要求簡單，沒有明確的溫控標準，實踐中也都沒有進行專門溫控設計和采取專門的溫控措施，都是自然入倉澆筑混凝土。三峽永久船閘輸水洞和地下電站引水洞早期澆筑的襯砌混凝土發生規律性貫穿裂縫，引起水電界高度重視。

在三峽、溪洛渡、向家壩等大型水利水電工程中，針對水工襯砌混凝土施工期溫度裂縫的控制，從優化襯砌結構與混凝土溫控防裂性能、革新施工工藝等方面入手進行系統深入的研究，形成了水工襯砌混凝土溫度裂縫綜合控制技術。

1 研制低熱防控裂高性能混凝土

1.1 研發使用90天齡期混凝土強度等級

在三峽永久船閘地下輸水工程中，考慮到隧洞工程是在建成90天齡期后運用，經過耐久性和安全性等方面的論證，將襯砌結構混凝土設計齡期由28天調整為90天(當時的設計規范規定采用28天設計齡期)的措施，同等條件下能減少膠凝材料用量14.7%(見圖1)，降低混凝土溫升4～6℃。并于2000年5月邀請了水工鋼筋混凝土結構設計規范編寫組的專家對此項研究成果進行充分的論證，得到一致肯定。此后在向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德等大型水電站地下工程全面推廣。

圖1 齡期28天優化到90天膠凝材料用量變化

1.2 研發使用20%～30%的高摻粉煤灰混凝土

在三峽永久船閘地下輸水工程，研發使用了摻20%粉煤灰混凝土，當時的《水工混凝土結構設計規范》(SL/T 191—1996)沒有允許摻粉煤灰的條款。降低絕熱溫升5～7℃和混凝土內部溫升3～5℃。溪洛渡水電站泄洪洞龍落尾段研發使用了高摻粉煤灰(30%)的C9060F150W8高強抗沖耐磨混凝土，此項成果進一步超越《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》(DL/T 5055—2007)中20%的限制，相比原配合比方案(摻粉煤灰10%)，減少了水泥用量約90kg/m3，大大降低了水化熱量和延緩放熱速率(見圖2)，可降低最高溫升約9℃，而且混凝土180天后強度有所提高。

圖2 不同粉煤灰摻量下水化熱對比

1.3 研發采用高強度抗沖磨低熱水泥混凝土

在溪洛渡水電站泄洪洞工程中，研發低熱水泥應用于龍落尾段硅粉高強C9060抗沖磨混凝土，降低混凝土絕熱溫升5.8℃，延緩放熱速率(見圖3)，降低混凝土溫升4℃，而且混凝土最高溫度出現時間滯后6～8h，減少50%溫度裂縫。

圖3 中熱水泥與低熱水泥水化熱和絕熱溫升對比

1.4 研制新設備

研制一體化臺車，大斷面邊墻澆筑常態混凝土。在溪洛渡水電站泄洪洞工程中，研制“垂直提升、橫向輸送、多點下料”的自動升送帶式混凝土供料系統，見圖4，成功實現了大斷面高隧洞邊墻的常態混凝土機械化快速澆筑。相比泵送混凝土，常態混凝土減少水泥用量30～50kg/m3，降低混凝土最高溫升3～5℃，大大減少了溫度裂縫，節省了工程投資。

圖4 邊墻常態混凝土一體化臺車

2 革新施工工藝

2.1 澆筑預冷混凝土

通過計算，澆筑溫度增高，混凝土最小抗裂安全系數減少，見圖5，混凝土更容易產生溫度裂縫，因此，在施工中應盡可能適當降低澆筑溫度。在混凝土拌和系統使用風冷骨料和加冰拌和的方式生產預冷混凝土，出機口溫度控制在夏季不大于14℃、春秋季不大于12℃，冬季則采用不預冷的自然溫度混凝土。夏季相比非預冷混凝土可降低出機口溫度10℃以上，相應降低混凝土最高溫升近10℃。

圖5 邊墻中部代表點最小抗裂安全系數與澆筑溫度關系曲線

2.2 采用通水冷卻

溪洛渡泄洪洞襯砌混凝土全部埋設冷卻水管通水降溫，水管采用PE管，平行于水流方向蛇形均勻鋪設，間距1.0m，冷卻水管單根布置長度不大于150m，見圖6。夏季通水的溫度為：夏季龍落尾、出口明渠和挑坎段為人工制冷水，水溫按18～20℃控制；有壓段和無壓段通常溫水，混凝土內部最高溫度與水溫之差不超過22℃。通水流量，初期(1～3天)按照設計建議的2.0m3/h控制；后期根據觀測成果，為了避免降溫階段的降溫速率過快導致溫度收縮裂縫，進一步細化為升溫階段按33～35L/min控制，降溫階段按20～25L/min控制。通水冷卻時間為：當混凝土內部溫度上升至高于水溫時開始通水冷卻，通水時間通常為7～15天，至少保證通水至混凝土溫度下降、內表溫差減小為止。

圖6 通水冷卻

2.3 制定個性化的保濕養護措施

底板采用花管長流水養護，邊墻白天流水養護、夜間間歇式保濕養護，氣溫大于25℃時不間斷流水養護，見圖7。

圖7 邊墻花管流水養護

2.4 掛設多重保溫門簾

通過計算可知，在洞口掛保溫簾可提高洞內冬季氣溫2℃左右，減少混凝土內部和表面拉應力約0.43MPa，提高抗裂安全系數約0.2。若提前至10月高標準保溫，可提高洞內冬季氣溫4℃以上。

3 優化襯砌結構型式

3.1 縮短分縫長度

分縫長度越大，約束越大，抗裂安全系數減小幅度越大，越容易產生溫度裂縫，結構設計時應盡量合理減小結構分縫分塊尺寸，以在一定程度上減小溫度應力，從而減小溫度裂縫發生的可能性。三峽永久船閘地下輸水洞襯砌，分縫長度從12m縮短至8m，并綜合采用90天齡期設計和增加粉煤灰摻量至20%，后期取得無溫度裂縫的效果。此后推廣到溪洛渡等地下工程，全部采取9m長度分縫。

3.2 邊頂拱分開澆筑

通過有限元模擬計算，隧洞邊墻與頂拱由整體澆筑改為分開澆筑，降低邊墻襯砌混凝土溫度應力的效果明顯，抗裂安全系數提高。且在邊墻不同高度范圍內的影響度有所不同，見表1，斷面高度越大，應力降低幅度越大，抗裂安全系數提高幅度越大。

表1 不同澆筑方案邊墻典型高度中間點σmax和Kmin值

3.3 底板澆筑墊層和襯砌混凝土周邊噴砂漿層

在襯砌混凝土與圍巖之間噴砂漿層、底板混凝土澆筑前先澆筑墊層，降低圍巖對襯砌混凝土的約束，在基本不影響溫度場的情況下，有效降低混凝土溫降產生的拉應力，從而提高抗裂安全系數，對防止溫度裂縫的產生起到積極作用。溪洛渡泄洪洞和白鶴灘、烏東德導流洞底板混凝土基本無溫度裂縫。

3.4 取消過縫鋼筋

襯砌結構段之間設置過縫鋼筋，在增加了塊體間連接和整體性的同時增加了端部約束，對有過縫鋼筋約束一側的應力產生明顯影響，應力分布梯度變大，應力集中明顯，主拉應力有明顯的增大，使得整體最小抗裂安全系數降低，溫度裂縫區域和風險都增大。

4 制定溫度裂縫控制精細化質量管理體系

提出了溫度裂縫控制統籌管理“三階段”思想，制定了管理文件，建立了多層次管理機構體系，實現了地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制由自然澆筑、被動控制到主動防裂、實時控制的技術進步。

4.1 設計階段

根據工程規模、等級、耐久性、安全性、運行環境等，確定溫度裂縫控制目標，提出控制標準，制定相應技術措施；進行新工藝、新技術調研，開展溫度裂縫控制技術專題研究、組織專家咨詢；組織專題審查，優化結構設計形式、混凝土設計齡期、配合比、施工技術方案等。

4.2 澆筑階段

a.建立三層次管理機構：領導小組負責建立制度、確定技術方案；工作小組負責日常工作(制定措施、召開例會)；專職人員負責現場的方案實施、數據采集與傳遞。

b.制定專項管理制度：制定管理辦法，以及溫控責任牌、溫控周報、協調例會等管理制度。

c.形成全過程的工藝工法：制定了混凝土澆筑和溫控標準化手冊，以指導和規范現場溫度裂縫控制質量管理。

4.3 養護階段

建立專項養護工作制度，將混凝土保濕養護和保溫工作作為獨立的工序，安排專人負責落實；根據不同施工部位，制定可操作的現場養護標準和工作流程，形成工藝細則；制定統一的裂縫信息記錄圖表，采集并記錄溫度裂縫的相關信息，建立相應的臺賬。對于已經產生的裂縫，制定完善的裂縫處理技術要求和工藝，進行裂縫的標準化處理，完善溫度裂縫處理管控目標。

5 效果及意義

5.1 應用效果

三峽永久船閘地下輸水洞襯砌，混凝土采用90天齡期和增加粉煤灰摻量至20%、分縫長度從12m縮短至8m、采用預冷混凝土澆筑，后期取得無溫度裂縫的效果。

三峽永久船閘輸水隧洞1999年及之前澆筑的混凝土發生規律性裂縫，2000年及以后應用本項目研究成果后，澆筑的襯砌混凝土施工期基本沒有發生裂縫，得到質量檢查專家組肯定。

三峽地下電站輸水隧洞前期施工的4～6號引水隧洞溫度裂縫53條，在沖磨混凝土中采用低熱水泥，降低混凝土最高溫升約5℃，降低開裂風險，且提高抗沖磨性能。采用智能化通水冷卻措施，在內部溫度達到最大值前通水冷卻。在冬季洞口掛設多重保溫門簾，可提高洞內冬季氣溫4℃左右。采取這些措施后引水隧洞溫度裂縫僅7條，裂縫明顯減少。

溪洛渡導流洞工程應用本綜合控制技術后，底板溫度裂縫由初期12條，寬0.5～1mm，每條長3～8m，降至0條。邊頂拱由8條，寬0.5mm，每條長3～6m，降至5條，寬0.5mm，每條長2～5m。

溪洛渡泄洪洞襯砌混凝土的強度等級高、水泥用量大，開裂風險高。全面采用本技術后，溫度裂縫得到有效控制，有壓段、無壓段底板基本無裂縫，邊頂拱溫度裂縫明顯減少。

推廣到烏東德導流洞工程應用，溫度裂縫得到有效控制，5條導流洞長度8138.4m，襯砌混凝土143萬m3，僅有18條溫度裂縫，缺陷和裂縫處理費用僅為100萬元左右。與其他類似工程相比，裂縫數量明顯較少。

5.2 意義

經過近20年的研究和實踐，使地下水工襯砌混凝土溫度裂縫控制技術實現了從自然澆筑、被動溫控到主動防裂的進步，并正在實施實時控制，使溫度裂縫明顯減少，裂縫寬度、長度、深度等逐漸減小，危害性裂縫得到基本控制。本技術社會和經濟效益顯著，可以在國內外水利水電以及類似工程建設中廣泛推廣應用。