陳建龍，李世斌，張建軍，董麗榮

（中電建建筑集團(tuán)有限公司，北京100120）

1 概述

敦化抽水蓄能電站引水系統(tǒng)工程是樞紐工程關(guān)鍵線路，1#、2#高壓管道中平段長(zhǎng)度均為1053.19m，全部采用鋼板襯砌。目前，技術(shù)上制約工期進(jìn)度的主要為高壓管道中平段壓力鋼管回填灌漿和鋼襯接觸灌漿，本工程中平段鋼襯所用鋼材均為600MPa 級(jí)、800MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼，在施工過程中，不允許在鋼板上開孔，必須采用預(yù)埋灌漿管的傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行灌漿，根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5148 要求，回填灌漿應(yīng)在襯砌混凝土達(dá)70%強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行，鋼襯接觸灌漿宜在襯砌混凝土澆筑結(jié)束60 天后進(jìn)行，且每個(gè)回填灌漿區(qū)段長(zhǎng)度不宜大于3 個(gè)襯砌段，若灌漿區(qū)段太長(zhǎng)，混凝土內(nèi)埋管過多，不僅影響灌漿質(zhì)量，而且對(duì)混凝土本身施工質(zhì)量也有很大影響，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度，迫切需要研究施工方法和新型材料。本文以研究自密實(shí)混凝土[1]材料作為重點(diǎn)，從源頭上解決混凝土與圍巖、混凝土與鋼襯之間縫隙的問題。

2 研究基本理論

地下埋管結(jié)構(gòu)由鋼管、混凝土襯圈和圍巖組成，地下埋管縫隙分布簡(jiǎn)圖見圖1。從縫隙分布位置劃分，鋼管與混凝土襯圈之間存在縫隙δ21，混凝土襯圈與圍巖之間存在縫隙δ22。

從縫隙形成原因分析：

式中：δb為施工縫隙值（mm）；δs為鋼管冷縮縫隙值（mm）；δr為圍巖冷縮縫隙值（mm）。

圖1 地下埋管縫隙分布簡(jiǎn)圖

（1）施工縫隙δb。施工縫隙由混凝土和灌漿漿液收縮及施工不良造成，其數(shù)值大小主要取決于施工質(zhì)量。如混凝土襯砌澆筑密實(shí)，并進(jìn)行可靠的回填和接觸灌漿，可取δb=0.2mm。

（2）鋼管冷縮縫隙δs。鋼管通水后，因水溫較低，由鋼管冷縮而形成的鋼管與混凝土襯砌間的縫隙。

a.最低運(yùn)行溫度情況：

式中：δs1-最低運(yùn)行溫度情況下的鋼管冷縮縫隙值（mm）；ΔTs-鋼管起始溫度減去最低運(yùn)行溫度所得的差值（℃），起始溫度可近似用平均地溫，最低運(yùn)行溫度可近似用最低水溫；αs-鋼材線膨脹系數(shù)（1/℃）；r-鋼管內(nèi)半徑（mm）；υs-鋼材泊松比。

b.最高水溫情況：

式中：δs2-最高水溫情況下的鋼管冷縮縫隙值（mm）；ΔTs1-鋼管起始溫度減去最高水溫所得的差值（℃），可為負(fù)值。

（3）圍巖冷縮縫隙δr：

式中：ΔTr-洞壁表面巖石起始溫度減去最低溫度所得的差值（℃），可近似用平均地溫減去最低三個(gè)月平均水溫所得的差值；αr-圍巖膨脹系數(shù)（1/℃）；r5-混凝土襯砌外半徑（mm）；Ψr-圍巖破碎區(qū)相對(duì)半徑影響系數(shù)（1/℃），由r6/r5值取得，Ψr與r6/r5的關(guān)系曲線見圖2；r6-圍巖破碎區(qū)外半徑（mm），堅(jiān)硬完整圍巖可取r6=r5，破碎軟弱圍巖可取r6=7r5，中等圍巖內(nèi)插選取。

圖2 Ψr 與r6/r5 的關(guān)系曲線

（4）根據(jù)國(guó)內(nèi)外的工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土襯圈與鋼管、圍巖間的累計(jì)縫隙δ2建議取值為：δ2=（3.5～4.3）×10-4r

敦化電站高壓管道δ2取值按4.0×10-4r 進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)高壓管道回填混凝土試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)資料可以算出δs、δr的值，通過以上公式可算出施工縫隙值的允許范圍。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的回填混凝土試驗(yàn)，確定符合施工縫隙值要求的新型混凝土配合比方案，取消壓力鋼管底部接觸灌漿，以解決現(xiàn)場(chǎng)由于接觸灌漿引起的施工工期較長(zhǎng)問題。

3 回填混凝土試驗(yàn)方案

根據(jù)高壓管道回填混凝土的施工要求，為保證混凝土與鋼襯及圍巖的縫隙值盡可能的小，首先選擇微膨脹混凝土，以減少混凝土自身的收縮變形；其次要易于施工，減少由于施工場(chǎng)地原因造成的施工過程中的振搗不密實(shí)導(dǎo)致的混凝土內(nèi)存在氣泡的施工缺陷?；谝陨显?，選擇自密實(shí)混凝土作為本次試驗(yàn)的基本材料[2]。

3.1 回填混凝土配合比試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）混凝土原材料性能檢測(cè)；

（2）混凝土配合比試驗(yàn)；

（3）混凝土性能試驗(yàn)。

3.1.2 回填混凝土技術(shù)指標(biāo)要求

（1）強(qiáng)度等級(jí)：C2825；

（2）抗凍等級(jí)：F50；

（3）強(qiáng)度保證率：95%；

（4）抗?jié)B等級(jí)：W6。

3.1.3 回填混凝土的施工要求

（1）骨料最大粒徑：20mm，一級(jí)配；

（2）混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差：σ=4.0MPa；

（3）混凝土塌落擴(kuò)展度：60～75cm；

（4）混凝土膨脹率：0～0.25‰；

（5）混凝土抗離析率：≤10。

3.1.4 配合比選擇試驗(yàn)

首先根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5330）內(nèi)容，對(duì)混凝土配合比原材均進(jìn)行檢測(cè)，過程不再贅述，然后進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的計(jì)算，根據(jù)《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283）進(jìn)行混凝土拌合物中粗骨料體積、砂漿中砂的體積分?jǐn)?shù)、水膠比、膠凝材料用量、礦物摻和料的比例等參數(shù)的設(shè)計(jì)。

我部委托北京中電投公司對(duì)配合比進(jìn)行了試驗(yàn)，最終優(yōu)選4 組配合比，具體數(shù)據(jù)見表1。

3.1.5 混凝土性能試驗(yàn)

對(duì)推薦配合比的混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)：包括混凝土拌和物塌落擴(kuò)展度和擴(kuò)展時(shí)間試驗(yàn)，離析率篩析試驗(yàn)，泌水率試驗(yàn)，含氣量試驗(yàn)，容重試驗(yàn)，凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。

我部委托珠江水利科學(xué)研究院駐敦化電站第三方試驗(yàn)室進(jìn)行了上述各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果均滿足《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5150）、《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144）、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283）的規(guī)定內(nèi)容。

3.2 壓力鋼管回填混凝土施工

3.2.1 試驗(yàn)段位置

根據(jù)高壓管道中平段開挖支護(hù)施工情況，以及壓力鋼管制作情況，選定四段試驗(yàn)段，每段長(zhǎng)12m，共計(jì)48m，作為壓力鋼管回填混凝土試驗(yàn)任務(wù)的試驗(yàn)段。

試驗(yàn)段內(nèi)圍巖類別為Ⅱ類，壓力鋼管壁厚均為42mm，斷面類別相同。試驗(yàn)段一壓力鋼管管節(jié)編號(hào)為Ⅱ329～Ⅱ332，試驗(yàn)段二壓力鋼管管節(jié)編號(hào)為Ⅱ325～Ⅱ328，試驗(yàn)段三壓力鋼管管節(jié)編號(hào)為Ⅱ321～Ⅱ324，試驗(yàn)段四壓力鋼管管節(jié)編號(hào)為Ⅱ317～Ⅱ320。巖壁及貼壁排水安裝不變。

為便于實(shí)時(shí)掌握鋼襯與回填混凝土、圍巖的縫隙變化情況，分別在Y2 1+785.620、Y2 1+773.635、Y2 1+761.650、Y2 1+749.665 樁號(hào)處的四個(gè)斷面布置了監(jiān)測(cè)儀器，每個(gè)斷面的頂拱及底板處均布置了單向測(cè)縫計(jì)（振弦式，量程：0～50mm；靈敏度：0.025%F.S，非線性≤0.5%F.S，溫度范圍-20℃～+80℃，耐水壓：2.0MPa）。

試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)儀器布置縱剖面圖見圖3，監(jiān)測(cè)儀器布置橫剖面見圖4。

3.2.2 回填混凝土施工

根據(jù)混凝土配合比試驗(yàn)確定的四種混凝土配合比方案，分別對(duì)應(yīng)于四條試驗(yàn)管段進(jìn)行壓力鋼管混凝土回填。

（1）澆筑準(zhǔn)備

混凝土澆筑前，針對(duì)澆筑倉面的具體情況做好倉面設(shè)計(jì)，主要包括：鋼管安裝的施工措施計(jì)劃、倉面特性分析、明確質(zhì)量技術(shù)要求、施工方法、資源配置以及質(zhì)量保證措施等。

表1 優(yōu)選配合比

圖3 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)儀器布置縱剖面圖 單位：mm

圖4 試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)儀器布置橫剖面圖 單位：mm

（2）澆筑實(shí)施

a.壓力鋼管回填混凝土以12.0m 作為一個(gè)回填單元進(jìn)行施工。

b.澆筑時(shí)，由拱頂分兩側(cè)進(jìn)入倉面，在底拱下料時(shí)必須采用單側(cè)下料另一側(cè)引料，澆至底拱90 度以上后，再由拱頂分兩側(cè)下料，均勻上升至覆蓋整個(gè)澆筑段鋼管，以保證底拱不出現(xiàn)脫空。為了確保鋼管在澆筑時(shí)不發(fā)生變位，在澆筑前，除用角鋼焊接在安裝錨桿上對(duì)鋼管進(jìn)行固定外，還應(yīng)增加臨時(shí)支撐對(duì)頂拱180°范圍內(nèi)鋼管外壁采用許可的鋼材以加強(qiáng)對(duì)鋼管的加固，混凝土澆筑至臨時(shí)支撐位置時(shí)拆除。澆筑過程中應(yīng)控制倉內(nèi)混凝土的上升速度。

回填混凝土澆筑至鋼管頂拱以上時(shí)，應(yīng)采取加固措施對(duì)頂拱倉面進(jìn)行封閉，混凝土泵出口壓力應(yīng)不大于0.3MPa，確保頂拱混凝土回填密實(shí)。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的坍落擴(kuò)展度，保證其有良好的性能，試驗(yàn)段自密實(shí)混凝土入倉前塌落度試驗(yàn)情況見圖5?；炷寥雮}后的平倉嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行操作，試驗(yàn)段自密實(shí)混凝土入倉前塌落擴(kuò)展度試驗(yàn)情況見圖6。根據(jù)鋼管的承載能力控制混凝土的澆筑速度，混凝土分層、平起、對(duì)稱地澆筑，各層澆筑的時(shí)間間隔不超過允許時(shí)間間隔。

c.當(dāng)定位節(jié)鋼管外回填混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到75%以上時(shí)，開始下一管節(jié)的安裝。上一倉混凝土回填灌漿完畢后，方可進(jìn)行下一倉混凝土的澆筑。鋼管外新澆筑的混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到5MPa 以上時(shí)，方可繼續(xù)安裝鋼管。

2018 年4 月26 日～6 月17 日，分別對(duì)四個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行了混凝土澆筑。

圖5 試驗(yàn)段自密實(shí)混凝土入倉前塌落擴(kuò)展度試驗(yàn)情況

圖6 試驗(yàn)段自密實(shí)混凝土入倉情況

試驗(yàn)段一～試驗(yàn)段四自密實(shí)混凝土入倉前的塌落擴(kuò)展到均在72cm 左右，滿足65～75cm 的要求?；炷寥雮}前的氣溫均在15℃左右。

3.2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于在每個(gè)回填混凝土單元中布置的測(cè)縫計(jì)，每隔3～5 天記錄一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。以下是中國(guó)電建集團(tuán)東北勘察設(shè)計(jì)研究院駐敦化電站項(xiàng)目部出具的部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別見表2、表3 及圖7。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)四組混凝土配合比方案在試驗(yàn)段的施工質(zhì)量情況、測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)情況，分析高壓管道回填自密實(shí)混凝土取消接觸灌漿及回填灌漿的可行性。

4.1 施工質(zhì)量分析

（1）根據(jù)第三方試驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果，四組回填混凝土在28 天齡期內(nèi)均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

（2）通過對(duì)倉面混凝土的表面觀測(cè)，混凝土表面沒有產(chǎn)生裂縫。鋼襯與混凝土之間、混凝土與頂拱圍巖之間肉眼均無法觀測(cè)到縫隙。

混凝土施工質(zhì)量良好。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)公式（2）、（3）、（4）中的計(jì)算公式確定δs、δr。

（1）最低運(yùn)行溫度情況：δs1=ΔTsαsr（1+υs）

（2）圍巖冷縮縫隙δr：δr=ΔTrαrr5Ψr

αs-鋼材線膨脹系數(shù)（1/℃），取1.2×10-5/℃；r-鋼管內(nèi)半徑（mm），本次試驗(yàn)段鋼管內(nèi)半徑為2700mm；υs-鋼材泊松比，取0.3；αr-圍巖膨脹系數(shù)（1/℃），試驗(yàn)段圍巖為正長(zhǎng)花崗巖，取3.5×10-6/℃；r5-混凝土襯砌外半徑（mm），為3300mm；r6-圍巖破碎區(qū)外半徑（mm），試驗(yàn)段為Ⅱ類圍巖可取r6=3r5；Ψr-圍巖破碎區(qū)相對(duì)半徑影響系數(shù)（1/℃），由r6/r5值查圖取1.5。

根據(jù)施工期觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，9 月份的平均地溫為11.74℃，5 月～8 月的平均地溫為13.89℃，則年平均地溫為12.46℃。

根據(jù)額穆氣象站統(tǒng)計(jì)的氣象資料，多年極端最低氣溫為-39.4℃，多年月平均最高溫度是7 月的20.4℃。故運(yùn)行期上、下水庫庫周冰蓋現(xiàn)象嚴(yán)重，庫內(nèi)水溫接近0℃，計(jì)算中最低水溫取0℃。最低三個(gè)月平均水溫同樣取0℃。運(yùn)行最高水溫可近似取20.4℃。

由此計(jì)算：

δs取δs1和δs2中的大值0.525mm 進(jìn)行計(jì)算，δr取0.216mm，δ2按4.0×10-4r 進(jìn)行計(jì)算為1.08mm，由此得出施工縫隙δb最大允許值為0.339mm。

根據(jù)斷面1～斷面4 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，布置在頂拱的Jyd5-1、Jyd6-1、Jyd7-1、Jyd8-1 四只測(cè)縫計(jì)的平均數(shù)值分別為0.66mm、1.05mm、0.82mm、1.13mm，均大于施工縫隙δb與圍巖冷縮縫隙δr之和0.555mm。故高壓管道頂拱回填混凝土與圍巖間的縫隙必須進(jìn)行回填灌漿處理。

表2 單向測(cè)縫計(jì)安裝位置及參數(shù)

表3 斷面1 測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)成果

圖7 斷面4 測(cè)縫計(jì)變化過程線

根據(jù)斷面1～斷面4 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，布置在鋼襯底拱的Jyd5-2、Jyd6-2、Jyd7-2、Jyd8-2 四只測(cè)縫計(jì)的平均數(shù)值分別為0.42mm、0.25mm、0.30mm、0.26mm，最大數(shù)值分別為0.53mm、0.31mm、0.39mm、0.30mm，除斷面1 的最大監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)稍大于鋼管冷縮縫隙δs0.525mm 外，其余數(shù)據(jù)均小于δs。

但根據(jù)接縫開度隨溫度的變化趨勢(shì)來看，隨著溫度的降低，接縫開度也逐漸增大，基本每降0.4～0.6℃，接縫開度就會(huì)增加0.01mm，以此推算，洞內(nèi)氣溫為0℃時(shí)，斷面2～斷面4 的接縫開度最大值為0.57mm、0.65mm、0.56mm。大于δs，但小于δs與δb之和0.864mm。

由于目前只是監(jiān)測(cè)的施工期的縫隙數(shù)據(jù)，鋼管不受運(yùn)行期內(nèi)水壓力的影響，鋼管的冷縮縫隙值偏大，氣流交換頻繁，受大氣溫度影響較大，鋼襯冷縮程度較高，但仍然可以不通過進(jìn)行接觸灌漿就滿足縫隙值要求。

5 回填混凝土試驗(yàn)成果

（1）從試驗(yàn)段的施工質(zhì)量分析，自密實(shí)微膨脹混凝土能夠有效的降低施工難度，同時(shí)由于自密實(shí)混凝土流動(dòng)性較好的特性，對(duì)充分發(fā)揮填充功能，而且對(duì)施工質(zhì)量的穩(wěn)定性較好。

（2）從試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，自密實(shí)微膨脹混凝土能夠有效的減小混凝土與鋼襯的縫隙值，同時(shí)能夠很好的控制自身的干縮變形。同時(shí)由于自密實(shí)微膨脹混凝土具有對(duì)施工質(zhì)量較為穩(wěn)定的控制特性，采用自密實(shí)微膨脹混凝土進(jìn)行高壓管道壓力鋼管回填混凝土，取消接觸灌漿的方案是可行的。但是由于泵送混凝土在施工方法上對(duì)回填頂拱部位的混凝土存在先天上的缺陷，使得采用自密實(shí)微膨脹混凝土仍然不能取代回填灌漿。

（3）從試驗(yàn)段的試驗(yàn)結(jié)果來看，采用編號(hào)18、26、30配合比的自密實(shí)混凝土，均可以達(dá)到取消接觸灌漿的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

6 結(jié)束語

引水系統(tǒng)工程是敦化電站樞紐工程的關(guān)鍵線路，若其施工進(jìn)度滯后，將影響工程發(fā)電工期。目前制約引水系統(tǒng)施工進(jìn)度的關(guān)鍵項(xiàng)目為中平段的回填灌漿、鋼襯接觸灌漿，若采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行高壓管道中平段混凝土回填，將可能大大壓縮壓力管道平段施工工期，為工程如期發(fā)電創(chuàng)造條件。