李嚴坤，屈明洋，王國志

(1. 黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶163316;2. 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

0 前 言

尼爾基水利樞紐配套項目—黑龍江省引嫩擴建骨干工程是于2008年開工建設(shè)，是黑龍江省水利廳一號水利工程項目，即引蓄提相結(jié)合的綜合利用的大型引水輸水工程。黑龍江省引嫩工程管理處承擔的工程項目位于嫩江干流中游三江口彎道江段，距上游尼爾基水利樞紐28 km，2009年工程實施內(nèi)容為新建北引渠首工程，其中包括新建泄洪閘進水閘溢流壩工程。擴建前北引渠首最大引水能力為50 m3/s，多年平均可引水量5.71 ×108m3，一期工程建成后北引總干渠最大引水能力達到114 m3/s，渠首總供水量為15.18 ×108m3［1］。

該溢流壩工程于2012年開工建設(shè)，1 ～3 號溢流壩于當年進行試運行，4 ～7 號溢流壩于2014年開工建設(shè)并于當年全面運行。水工建筑物安全運行不僅與設(shè)計有關(guān)，施工過程控制也非常重要。如果溢流壩施工質(zhì)量控制欠缺，解決措施又不完善，就會導(dǎo)致該建筑物結(jié)構(gòu)遭到破壞。那么對應(yīng)產(chǎn)生的損失主要反映在對結(jié)構(gòu)的維護和修補方面，相應(yīng)所需的維護或維修費用高和浪費資源嚴重［2］。若設(shè)計施工不當，很容易產(chǎn)生表面裂縫和深層裂縫，甚至是貫穿性裂縫，直接影響到工程的質(zhì)量和工期［3］。

1 設(shè)計條件

前期設(shè)計委托省水利水電勘測設(shè)計研究院完成，該項目通過項目建議書和可行性研究報告。

1.1 工程地質(zhì)條件

位于嫩江右側(cè)漫灘上，地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4)及中更新統(tǒng)沖擊、湖積層(al +lQ2)，巖性主要為:低液限黏土、級配不良粗砂、級配良好細礫。溢流壩地基均為深厚的砂礫石地基，透水性較強，抗沖刷能力差，滲透穩(wěn)定下差，基礎(chǔ)采用振沖進行處理。按工程總布置，泄洪閘右側(cè)101.5 m為溢流壩以滿足樞紐引水要求，溢流壩壩高均較小，壩型采用混凝土溢流壩，為降低造價，對溢流壩混凝土進行分區(qū)處理。

地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層巖性為級配不良粗砂、級配良好細礫等，該區(qū)地表水、地下水對混凝土具有分解累碳酸型弱腐蝕。地基各層土容許承載力建議值為［R］=180KPa ～300 KPa?；A(chǔ)底板與地基土間的摩擦系數(shù)f =0.50，低液限黏土處J允=0.15。

1.2 設(shè)計型式

渠首布置方案中選定泄洪閘位置為核心，泄洪閘布設(shè)在主河槽，右側(cè)布置溢流壩和固灘與內(nèi)蒙古漢古爾堤防連接，減少壅水為原則;從投資上看，閘壩結(jié)合方案節(jié)省工程直接費用11.2%，從模型試驗成果看，閘壩方案對江道現(xiàn)狀影響小，并且利于泄洪排沙。

溢流壩段面形式為混凝土重力壩，外層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，強度c25f200，內(nèi)層為四級配混凝土，強度c15。壩頂寬度為7.0 m與泄洪閘交通橋?qū)挾认嘟y(tǒng)一，考慮到泄洪閘右側(cè)實體鋼筋混凝土溢流壩承受嫩江主水流壓力，水流條件較為復(fù)雜，上游鋪蓋采用厚度為0.5 m格賓石籠與鋼筋混凝相結(jié)合的型式，格賓石籠下鋪設(shè)100 mm砂礫石墊層，再下鋪復(fù)合土工膜500 g/m2一層;溢流壩下游設(shè)0.5 m厚格賓石籠海漫段，海漫布置時主要考慮的原則為盡量減小開挖砂礫石量，在結(jié)構(gòu)型式上在格賓石籠底部鋪設(shè)100 mm砂礫石墊層，下鋪長絲針刺無紡布400 g/m2。格賓石籠海漫段末端設(shè)堆石防沖槽，防沖槽底寬1.5 m，深1.6 m。溢流壩各分塊之間以及混凝土鋪蓋與溢流壩之間均采用紫銅片止水，溢流壩與固灘交界處上下游均采用6 m長擋土墻連接。

1.3 模型計算成果

渠首主體工程按照多年水文系列資料，根據(jù)50 a一遇洪水設(shè)計，200 a一遇洪水校核來計算。尼爾基調(diào)節(jié)后設(shè)計洪峰流量頻率為1%，泄洪流量為11 200 m3/s;頻率2%，泄洪流量為9 050 m3/s。

應(yīng)用伯努利方程和動量方程等水力學(xué)公式:

當情況處于高淹沒度(hs/H0＞0.9 )時，按下式計算:

式中:hs為下游水頭。

當放生設(shè)計標準洪水時，泄洪閘、溢流壩和灘地全面過流行洪，回水水面線可采用簡化穩(wěn)定非均勻流公式推求，遞推公式為:

式中:K 為上下斷面平均流量模數(shù);L灘為斷面間洪水間距。

2013年北部引嫩渠首大江段經(jīng)歷50 a一遇洪水，已完1、2、3 號溢流壩工程經(jīng)受住尼爾基泄洪以及諾敏河和訥漠爾河支流交匯10 000 m3/s洪水的考驗，經(jīng)過實踐表明溢流壩設(shè)計成果滿足渠首溢流壩工程的需要，是成功的。

2 原材料控制

該溢流壩主體工程主要由混凝土和鋼筋組成?；炷林饕伤?骨料、水和外加劑等部分組成。

2.1 水泥

水泥采用P. O42.5 低堿蒙西水泥，水泥強度等級指標包括水泥的細度、凝結(jié)時問、燒失量和混合材料摻加量，3 d 抗折強度度為4.3 MPa ＞標準值3.5 MPa;抗壓強度＞標準值19.8 MPa;初凝和終凝時間分別為165 min、250 min，均滿足標準規(guī)定。

2.2 骨料

選用線膨脹系數(shù)小、級配良好的低堿活性骨料。細砂和卵石骨料產(chǎn)自拉哈鎮(zhèn)辦砂場，其含泥量＜0.3%，最大粒徑＜40 mm，卵石骨料為5 ～40 mm連續(xù)粒級。

粗細骨料執(zhí)行SL352—2006、DL/T5151—2011、GB/T14684—2011 規(guī)范標準。細骨料表觀密度為2 610 kg/m3＞標準值2 500 kg/m3，含泥量為1.5%＜3.0%，細度模數(shù)F·M =2.7，該砂為中砂采用二級級配區(qū)。卵石表觀密度2 680 kg/m3＞標準值2 500 kg/m3，含泥量為0.5% ＜1.0%，為5 ～40 mm連續(xù)級配，符合級配要求;卵石骨料粒徑＜鋼筋間最小凈距15 cm，符合規(guī)范標準要求。

2.3 外加劑

外加劑采用SB—G 型混凝土引氣劑，使用外加劑的混凝土與普通混凝土相比，用水量和水泥用量相應(yīng)減少，早期強度增長快。該技術(shù)指標為減水率9%;泌水率≤70%;含氣量為4.5%;混凝土強度比為7 d 達到設(shè)計強度的95%，28 d 達到設(shè)計強度的90%。

2.4 拌制混凝土用水

用于水泥水化作用和起到粗細骨料之間潤滑劑作用，拌制用水應(yīng)不含有害物質(zhì)。根據(jù)施工組織設(shè)計采用就地打井措施，利用嫩江江水，拌合站旁設(shè)立3 m×1.5 m ×1.4 m集水箱，用于晾曬，提高水溫。經(jīng)化學(xué)物質(zhì)檢測，泥沙懸浮顆粒含量＜200 mg/L，水藻量值為0，游離CO2含量＜5%，氯離子含量＜1 200 mg/L，硫酸根離子含量＜2 700 mg/L。滿足該泵送混凝土的可泵性。

3 項目工藝及指標

3.1 鋼筋布設(shè)

受力直徑14 mm 鋼筋，其伸長率27%，用量16.805 t;直徑20 mm鋼筋，其伸長率為29%，其用量16.695 t;直徑25 mm鋼筋，其伸長率為30%，總用量11.181 t。

3.1.1 鋼筋選用

采用熱軋帶肋螺紋鋼筋HRB335，鋼筋平直，無局部曲折，鋼筋加工的尺寸符合設(shè)計要求。

鋼筋彎折:該Ⅱ級鋼筋彎起鋼筋中間部位彎折處的彎曲直徑，不小于鋼筋直徑的5 倍。以2 號堰面(F)直徑14 mm鋼筋為例，其鋼筋布置在1 m寬堰面中，分布筋的里側(cè)，起到受拉作用，彎曲角度為70.7°，見圖1。

圖1 堰面受拉構(gòu)造筋

3.1.2 鋼筋焊接

熱軋鋼筋的焊接采用電弧焊，焊條型號為J506。一根鋼筋采用通常鋼筋或者1個接頭的鋼筋焊接接頭，在同一面內(nèi)，焊接接頭相互錯開，搭接長度為600 mm，接頭的鋼筋截面面積占鋼筋總截面面積的百分率，最高為50%。焊接接頭距鋼筋彎曲處至少0.5 m，符合≥10 倍直徑的要求。經(jīng)現(xiàn)場取樣檢測，得出屈服強度在590 ～465 MPa，抗拉強度為625 ～770 MPa，在標準值范圍內(nèi)，為了滿足混凝土壩體應(yīng)力和外部受力條件該鋼筋均布置在1 m寬的堰面中。

3.2 模板工程

鋼模板符合《普通碳素鋼鋼號和一般技術(shù)條件》(GB700—79)中規(guī)定的3 號鋼標準。符合具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，能承受澆筑混凝土的重量和側(cè)壓力，以及相應(yīng)的荷載;便于鋼筋綁扎與安裝以及混凝土的養(yǎng)護;模板接縫嚴密，不漏漿。

符合《鋼筋混凝土工程施工于驗收規(guī)范》。分層進行模板安裝固定時，事先插入現(xiàn)澆溢流壩混凝土的Φ8mm 拉筋與模板電弧焊連接，保證模板定位和不變形。

模板拆除時:側(cè)模板不承重，在澆筑完畢后8 小時進行拆除，以保證溢流壩混凝土表面和棱角不因拆除模板而受到損壞。

對于溢流壩177.0 m高程過水涵洞頂板，由于承擔上部混凝土的自重以及其他施工荷載，達到同期養(yǎng)護混凝土強度達到12.5 MPa時，進行拆除。拆除模板時混凝土表觀質(zhì)量好，未出現(xiàn)裂縫。

3.3 混凝土配合比要求

試驗依據(jù)《混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55—2011，混凝土配合比的選擇應(yīng)保證混凝土的標號和施工和易性要求，合理使用材料、節(jié)省水泥。質(zhì)量檢測項目主要包括骨料顆粒級配、密度、表觀密度以及抗壓強度和抗凍強度等。其混凝土塌落度18 ～22 cm，含氣量3.5% ～4.5%，

混凝土施工配合比:選用恰當?shù)乃冶群退嘤昧浚暨x使混凝土密度最大，與混凝土水灰比和石子最大粒徑相適應(yīng)的砂率，也就是達到最佳的配合比，W/C =0.45，根據(jù)如下公式可得:

式中:R標為混凝土標號;σ0為施工單位混凝土標準差的歷史統(tǒng)計水平(千克力/平方厘米)，這里取50。

配合比用量見表1。從表1 中可以看出該配合比特點是:低水泥用量、外加劑摻量較少，相應(yīng)用水量也較低。砂和卵石的質(zhì)量是分別是水泥的5 倍、4倍，可見砂石所占的重量在配合比中比例最高，影響因素所占比重大，同時也滿足低水泥用量的要求。

表1 單方混凝土用量表 kg

3.4 溫度量測指標

TC—02 混凝土溫度測量儀，該儀器性能指標如下:①測量范圍:－50℃～ +300℃;②靈 敏 度:－19.9℃～ +199.9℃時 ±0.1℃，其它情況下為1℃;③測量精度:±1℃;④環(huán)境溫度:－10℃～ +50℃;⑤傳感器連接最大長度為50 m。性能參數(shù)滿足該溢流壩工程溫度測定監(jiān)控的需要。

4 施工質(zhì)量控制

4.1 拌合及運輸

采用PLD—800 型自動配料機，強制拌合機進行混凝土攪拌，采用泵送混凝土輸送方式，揚程18 m，理論最大送混凝土量60 m3/h。泵管直徑采用22 cm，減少彎頭數(shù)量，盡量采用直管，四周用草袋包裹住，并且始終保持濕度，以降低泵送混凝土入倉溫度。

4.2 倉面澆筑

驗倉合格后進行混凝土澆筑，泵送混凝土每次0.35 m3，時間間隔90 s，然后用插入振搗器，在振搗棒1.5 倍作用范圍內(nèi)進行振搗，防止過振;同時應(yīng)插入下層50 mm，消除2 層混凝土間的暗縫，促進層面結(jié)合。同時采取備用電源和混凝土泵車各一臺，保證其連續(xù)澆筑防止冷縫的出現(xiàn)。同時要保證層面結(jié)合質(zhì)量，例如混凝土連續(xù)澆筑過程中，電源中斷4h，經(jīng)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)混凝土已經(jīng)初凝，為了保證結(jié)合處混凝土質(zhì)量，采取對已完成混凝土表面進行鑿毛，同時隔一米插入0.3 m高度Φ12 連接筋的措施，防止冷縫的出現(xiàn)同時又加強混凝土之間的結(jié)合強度。

4.3 質(zhì)量檢測

取試塊抗壓試塊尺寸150 mm × 150 mm ×150 mm，抗凍試塊100 mm ×100 mm ×400 mm。標準養(yǎng)護28 d，經(jīng)試驗測得堰面C25 抗壓強度實際齡期值為28.9 MPa，堰體C15 實際齡期值為17.1 MPa，分別達到設(shè)計強度的116%、114%。混凝土抗凍試驗檢測結(jié)果見表2。該相對動彈模量≥初始值的60%;質(zhì)量損失率≤5%。

此施工措施能夠補償混凝土的收縮，因此能夠降低混凝土產(chǎn)生裂縫的概率，經(jīng)實踐是有效可行的措施。

表2 凍融試驗成果表

4.4 溫度控制

溫度對水泥水化熱反應(yīng)有著非常重要的影響，主要表現(xiàn)為溫度越高，相應(yīng)的水化熱反應(yīng)越快。在大體積混凝土工程施工中，要嚴格控制混凝土澆筑過程中由于水泥水化熱引起的溫度升高、混凝土內(nèi)部與表面溫度差及采取降溫措施后引起的降溫速度，防止混凝土出現(xiàn)有害的溫度裂縫是混凝土施工技術(shù)的關(guān)鍵問題。

該TC—02 混凝土溫度測量儀的檢測結(jié)果能及時反饋現(xiàn)場溢流壩混凝土澆筑塊內(nèi)溫度和表面溫度變化的實際情況，據(jù)此所采用的施工技術(shù)措施，部份補償其混凝土的收縮，減少了混凝土的裂縫。保證溢流壩施工過程質(zhì)量得到保證。在施工過程中，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力場同樣受到太陽輻射熱、水泥水化熱、澆筑溫度等因素的影響作用。

4.5 養(yǎng)護措施

根據(jù)施工組織設(shè)計，溢流壩混凝土分塊分區(qū)后，進行養(yǎng)護時要進行熱工計算，分別覆蓋400 g/m2無紡布和單層草簾，使混凝土表面始終處于水養(yǎng)狀態(tài)，保濕效果好，主要為了防止混凝土澆水后水分快速蒸發(fā)、失水過快，起到保水作用。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和計算后，養(yǎng)護第7 d時先撤換單層草簾，然后在無紡布上繼續(xù)澆水進行養(yǎng)護第13 d后再撤除無紡布。

5 結(jié)論及建議

1)采用符合區(qū)域地質(zhì)條件等方面抗裂設(shè)計方法以及根據(jù)原材料性能進行優(yōu)化混凝土配合比。此工程位于北方嚴寒地區(qū)，可以為類似地區(qū)、項目在施工中怎樣控制施工質(zhì)量，能夠為在冬季負溫下施工的技術(shù)和新型材料的研究提供參考，進一步提高適應(yīng)大體積混凝土施工的快速性和適用性。

2)對省西部半干旱地區(qū)天然砂石骨料有了深刻的認識，砂子細度模數(shù)從2.5 ～3.0，卵石顆粒為5 ～40 mm連續(xù)粒級，深人研究了其骨料品質(zhì)對混凝土的影響，更進一步揭示了骨料品質(zhì)對混凝土各項性能的影響。

3)工程項目施工前應(yīng)該進行系統(tǒng)的施工組織設(shè)計，特別是“斜向分層、梯級澆筑、一次澆底”的施工方式以及加強施工管理環(huán)節(jié)，及時采取措施及相應(yīng)對措，能夠有效防止大體積混凝土裂縫和施工縫的產(chǎn)生。

4)今后大體積混凝土施工過程中，重點應(yīng)研究相應(yīng)區(qū)域和類似工程項目其溫度應(yīng)力場隨時間變化的分布規(guī)律，對前期設(shè)計和施工過程采取相應(yīng)組織措施均有一定的參考價值。

［1］黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院. 渠首可行性研究報告［R］. 哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，2011.

［2］劉亞基，蘇志敏. 大體積混凝土澆筑塊溫度應(yīng)力場直接耦合法仿真計算［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程，2010，16(10):4057.

［3］任鋒. 拌合用水對混凝土性能的影響［J］. 山東建材，1996(06):25 －26.