泵站底板設置后澆帶大體積混凝土的質量評定研究

鄒鵬飛ZOU Peng-fei；強晟QIANG Sheng

（①寧波市水利工程質量安全管理中心，寧波 315032；②河海大學水利水電學院，南京 210098）

0 引言

普通混凝土單元工程質量評定分為基礎面或施工縫處理、模板安裝、鋼筋制作及安裝、預埋件（止水、伸縮縫等）制作及安裝、混凝土澆筑（含養護、脫模）、外觀質量檢查等6 個工序，其中鋼筋制作及安裝、混凝土澆筑（含養護、脫模）工序宜為主要工序[1]。

大體積混凝土是指混凝土結構物實體最小尺寸不小于1m 的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土[2]。不同的施工方法對改善大體積混凝土溫度場及應力場具有一定作用，其中設置后澆帶是大體積薄壁結構常用的防裂手段之一。

與普通混凝土相比，泵站底板設置了后澆帶的大體積混凝土單元工程的質量評定有幾個特點：

①大體積混凝土應采用能有利于降低混凝土絕熱溫升的原材料、技術參數等，例如混凝土標號、齡期、配合比、外加劑等。

②后澆帶作為稍后澆筑的混凝土結構，周邊混凝土結構澆筑已完成，無需再與已澆塊相鄰側安裝模板，可按施工縫的標準處理。同時后澆帶混凝土澆筑時間較先澆塊的間隔不得大于7d[2]。

③后澆帶結構內部配置的鋼筋是隨著先澆塊混凝土施工完成而制作與安裝完成的，在后澆帶混凝土澆筑前，須保證配置的鋼筋滿足設計與規范的要求，消除已產生的不利影響。

④為便于大體積混凝土澆筑施工的順利進行及質量控制，后澆帶多設置在無預埋件或預埋件少的部位，且可能要考慮預埋件穿插在先澆塊與后澆帶之間的情況。

⑤大體積混凝土澆筑有溫度控制要求，故設計應提出具體的澆筑溫度要求。要明確不同季節混凝土澆筑時的入倉溫度，混凝土入模溫度宜控制在5～30℃[2]。同時要保證混凝土的供應能力滿足連續施工的需求。

⑥大體積混凝土應采用保溫保濕養護，拆模時間即要滿足強度要求，又要滿足溫控要求。

⑦大體積混凝土易產生有害裂縫，故對外觀裂縫的檢查顯得尤為重要且標準嚴格。設置了后澆帶的大體積混凝土可有效降低有害裂縫的產生。

設置了后澆帶的大體積混凝土單元工程的施工質量評定有其特殊性，本文結合華東地區某泵站底板設置了后澆帶的大體積混凝土澆筑施工的工程實例的深入研究，對設置了后澆帶的大體積混凝土單元工程的施工質量評定進行了探討。

1 工程實例

華東地區某大（二）型泵站設計流量150m3/s，平行布置4 臺單泵37.5m3/s 的豎井貫流泵，站身采用整體式C30鋼筋混凝土塢式結構，底板不分縫。泵站泵房結構段三個方向主要特征尺寸為：

平面垂直水流方向：泵房總寬度45.20m，布置4 臺水泵機組，水泵機組軸間距11m，機組間由墩墻隔開。上游進水口流道凈寬9m，中間采用厚1m 的導流墩分隔，單孔流道凈寬4m，機組之間隔墩厚2m，河岸側邊墩厚1.60m；下游側出水口流道凈寬8m，中間采用厚1.10m 的導流墩分隔，單孔流道凈寬3.45m，機組之間隔墩厚3m，河岸側邊墩厚2.10m。

平面順水流方向：站身總長度47.40m。上游側進水流道長度18.90m（包含電機井），下游側出水流道長度24m。

高度方向：本泵站為單向排澇泵站，上游側進水流道底板面高程-6.00m，下游側出水流道底板面高程-5.70m，站身底板厚2.30m～3.98m。水泵葉輪中心線高程-3.40m，站身上部設廠房，廠房工作間頂面高程3.60m。

本工程泵站底板、墩墻身、進水池清污機橋段底板、泵房±0.00 頂板等結構屬大體積混凝土范疇，同時底板基礎為深入弱風化基巖鉆孔灌注樁，對底板有一定的約束。為避免或減輕泵站混凝土產生開裂的風險，研究泵站結構最佳溫控方案，經多種方案計算比較分析，參建單位最終采取設置后澆帶、冷卻水管降溫以及必要的外部保溫措施，同時優化混凝土配合比、摻入外加劑等方案來控制泵站大體積混凝土的澆筑質量。對此方案進行了精細化數值仿真計算，在計算結果的基礎上對澆筑質量控制措施進行了量化。

2 設置后澆帶的泵站結構精細化數值仿真計算

為研究泵站結構混凝土施工期溫度場和應力場，涉及荷載主要為混凝土自重及變溫荷載，計算邊界：泵站上游方向地基尺寸與底板尺寸相同，不向外延伸；泵站左右岸方向地基尺寸與底板尺寸相同，不向外延伸；泵站豎直方向地基向下延伸至樁基承載面弱風化基巖面。

有限元模型整體坐標系：順水流方向為X 軸，指向下游為正，起點位于底板上游邊界，豎直方向為Y 軸，向上為正，采用高程表達；橫河向為Z 軸，指向右岸為正，起點位于右岸邊墻。

溫度場仿真計算時，假定計算域內地基的四周和底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。泵站結構外表面均為散熱邊界。

應力場仿真計算中，地基的四周和底面施加法向約束，上表面為自由邊界，結構永久縫面為自由邊界，其他表面為自由邊界。

將泵站進行建模和仿真計算，通過合理的邊界條件進行模擬。其中不設置后澆帶及相關溫控措施的模型總單元數為229833 個；設置0.8m 寬后澆帶，冷卻水管及表面保溫，模型總單元數為311826 個[3]。（不）設置后澆帶有限元模型如圖1 與圖2。

圖1 不設置后澆帶有限元網格圖

圖2 設置后澆帶有限元網格圖

底板在1 月份澆筑，在環境溫度較低的條件下，混凝土的水化反應不充分，故水化放熱量小。由計算結果圖3和圖4 可見，在水管冷卻措施作用下，底板內部混凝土內部最高溫度為45.0℃，大部分區域最高溫度在40～43℃。底板基本都在2d 左右達到溫度峰值，在木模板拆除后，在水管冷卻的作用下內部溫度降低，內外溫差控制較好，底板未出現早齡期拉應力超標現象。

圖3 泵站底板內部測點溫度擬合曲線圖

圖4 泵站底板表面測點溫度擬合曲線圖

在應力方面，由表1 可見，早期底板拉應力主要發生在底板外表面，后期表面部分逐步變為壓應力，內部逐步變為拉應力。早期底板表面拉應力值不超過1.10MPa，后期隨著內部溫度降低，底板內部拉應力有所增加，大部分區域的主拉應力值不超過1.50MPa。下游側底板靠近后澆帶底部角點處由于應力集中引導致拉應力較大，最大值達到2.30MPa，但區域較小，拉應力超過2.00MPa 的局限在0.12m 范圍內，僅在此范圍內采取局部措施即可。

表1 底板不同時段的最大拉應力值及位置

經對泵站結構進行仿真計算與分析，泵站混凝土施工采取設置后澆帶、冷卻水管降溫及采用必要的外部保溫措施可滿足大體積混凝土澆筑時的溫控要求。具體為后澆帶寬度80cm、冷卻水管間距1m×1m、通水流量3m3/h 及通水時間14d，側面和頂面采用保溫措施。

3 混凝土質量評定控制要點

①為有效降低混凝土的絕熱溫升，對混凝土配合比進行了專題研究，以確保其可行性。較常規混凝土相比，本工程混凝土配合比的特別處體現在：采用中熱硅酸鹽水泥；摻加粉煤灰，以降低水化熱提高抗滲性能；摻加S95 港新礦粉，以減少水泥摻量，降低水化熱并增加混凝土的和易性與抗裂性；摻入具有減水、引氣、防滲、抗凍、緩凝、泵送等綜合性能的ZWI-A-IX 外加劑，可減少水泥用量，降低水化熱；摻加改性聚丙烯纖維，增加混凝土的抗裂性[4]。

施工期間根據天氣及材料等實際情況，及時調整控制混凝土水灰比在0.5 左右，控制混凝土坍落度在150±30mm，且雨天施工時采用有效遮擋。

②泵房底板按照設計后澆帶位置劃分為4 塊：底板1區（東北角）、底板2 區（東南角）、底板3 區（西南角）、底板4 區（西北角）。泵房底板長47.40m，寬45.20m。中間縱橫平行中軸線后澆帶寬度0.8m，通長布置。

泵房基礎底板澆筑次序：1 區→2 區→3 區→4 區。1區澆筑時間為2018 年1 月16 日，每區塊澆筑時間間隔為4d。底板后澆帶根據先澆塊的進度依次澆筑完成。

墩墻身澆筑次序：邊墩1（北側）→邊墩2（南側）→中墩1（北側）→中墩2（中間）→中墩3（南側）。每個墩墻身混凝土一次性澆筑完成。澆筑時間為2018 年4 月10 日。

清污機橋底板澆筑時間為2018 年4 月5 日，一次性連續澆筑完成。

泵房±0.00 頂板澆筑時間為2018 年5 月1 日，一次性連續澆筑完成。

③混凝土結構內部埋設冷卻水管，間距1m×1m、通水流量3m3/h 及通水時間14d，通過冷卻水循環，降低混凝土內部溫度，減小內表溫差，控制混凝土內外溫差小于20℃。混凝土中心溫度和混凝土表面溫度之差不大于25℃，混凝土表面溫度與大氣溫度之差不大于20℃。通過測溫點測量，掌握內部各測點溫度變化，以便及時調整冷卻水的流量，控制溫差。

④底板單塊區域內的混凝土采取斜面分層、依次推進、整體澆筑的方法，使每次疊合層面的澆筑時間間隔不大于3h，小于混凝土的終凝時間（已摻加有緩凝劑作用的外加劑），施工過程中，不得因人員、機械等原因停止施工或在混凝土終凝前再次留施工縫。

⑤底板混凝土澆筑前，對模板安裝定位、鋼筋綁扎、冷卻水管、測溫管、預埋件、預埋管線、預留孔洞進行交接檢查并經監理及相關單位驗收。后澆帶混凝土澆筑前，尤其要保證已綁扎好的鋼筋杜絕變形、偏位、走動等現象，鋼筋、預留孔洞等質量滿足要求。墩墻身混凝土按單個采取分層循環澆筑。控制混凝土的入模溫度不超過15℃（環境平均溫度為8℃）。

⑥混凝土養護：混凝土成型后及時進行養護。底板及墩墻側模暫不拆除，頂面混凝土澆筑完成后及時灑水，在澆筑12h 后覆蓋一層塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆蓋一層阻燃草簾（根據需要增減），草簾上部再覆蓋一層黑心棉氈，以保證混凝土內外溫差不超過20℃。養護材料待混凝土達到要求強度后方可拆除。拆除時，混凝土表面溫度與環境溫差要小于20℃。

⑦為保證混凝土澆筑過程中的質量控制及措施及時有效，根據基坑底板及墩墻身的外形特點共布置了55 個棒式溫度計的測溫點，即底板4 個區塊、墩墻身5 個區塊、清污機橋底1 個區塊、泵房±0.00 頂板1 個區塊，每個區塊均勻布設5 個測溫點，每個測溫點分為上、中、下三個監測數據點。待混凝土內部溫度與外表達到一致后，采用M30水泥砂漿澆灌密實封閉測溫孔。

以上措施確保了模板制作及安裝工序中預留孔、洞等的質量要求；鋼筋制作及安裝工序中對鋼筋制安的質量要求；達到混凝土澆筑工序中入倉混凝土料的質量要求，澆筑溫度滿足設計要求，滿足大體積混凝土養護方面的高標準；后澆帶混凝土澆筑時間間隔滿足規范的最低要求；外觀質量檢查工序中表面裂縫符合設計要求，未發現肉眼明顯可見的裂縫。

本工程泵站底板、墩墻身、進水池清污機橋段底板、泵房±0.00 頂板等結構的大體積混凝土單元工程共51 個。施工完成后，經施工單位自評、監理單位復核，單元工程質量全部合格，其中優良48 個，優良率94.1%，質量達到了預期效果。

4 結論

與普通混凝土相比，大體積混凝土工程的質量控制及質量評定有其特殊性。本文結合華東地區某泵站底板設置了后澆帶的大體積混凝土澆筑施工的工程實例，針對設置后澆帶、冷卻水管降溫以及必要的外部保溫措施，同時優化混凝土配合比、摻入外加劑等方案的大體積混凝土單元工程質量評定得出以下幾點體會：①泵站底板等大體積混凝土工程施工中設置后澆帶，對大體積薄壁結構防裂效果是顯著的；②在后澆帶混凝土施工前重點關注該部位預留孔、洞的尺寸及位置要滿足設計要求，杜絕鋼筋變形、偏位、走動等不良現象；③后澆帶混凝土澆筑時間較先澆塊的時間間隔不能太長，規范要求不得大于7d；④入倉混凝土料的質量要求較高，須進行配合比試驗。一般采用中熱硅酸鹽水泥，摻入粉煤灰、礦粉、外加劑等，以達到減少水泥摻量，降低水化熱，增加混凝土抗裂性能的目的；⑤混凝土澆筑時要滿足溫控方面的要求，即有不同季節混凝土澆筑時的入倉溫度，又有混凝土入模溫度的要求；⑥大體積混凝土養護方面的要求較高，即要關注混凝土表面溫度與環境溫度間的差值，又要關注混凝土表面溫度與體內溫度差的范圍；⑦混凝土外觀質量檢查時要特別關注表面裂縫情況，沒有或少有肉眼明顯可見裂縫的情況較好。