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        水電站泄洪隧洞抗沖耐磨混凝土施工技術(shù)研究

        2022-06-07 06:30:44
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年16期
        關(guān)鍵詞:混凝土施工

        何 克

        (中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司,四川 成都 610500)

        由于水電站泄洪隧洞水流流速大、水壓力大且含有一定數(shù)量的固體顆粒(如沙子和水載碎屑)。在泄洪過(guò)程中,含有固體顆粒的高速水流(>40 m/s)使表面混凝土快速移除,易造成泄洪洞洞壁的侵蝕和磨損破壞[1-2]。這對(duì)泄洪隧洞的使用壽命和在運(yùn)行期間的可靠性造成嚴(yán)重影響。因此,為提高泄洪隧洞的抗沖耐磨能力及可靠性,必須加強(qiáng)對(duì)泄洪洞襯砌混凝土抗沖耐磨性能及施工工藝的研究。

        在抗沖耐磨混凝土性能方面,文獻(xiàn)[3-5]基于實(shí)際工程對(duì)抗沖耐磨混凝土展開了配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn),為后續(xù)工程設(shè)計(jì)及施工提供了必要的技術(shù)依據(jù);陳喬[6]和尚立珍等[7]針對(duì)抗沖耐磨混凝土的溫升裂縫問(wèn)題,結(jié)合實(shí)際工程探究了混凝土溫控防裂技術(shù)措施。而在施工技術(shù)方面,童志剛[8]介紹了抗沖耐磨混凝土與普通混凝土同倉(cāng)澆筑的施工方法;文獻(xiàn)[9-12]基于實(shí)際工程對(duì)水電站抗沖耐磨混凝土施工技術(shù)進(jìn)行了研究,介紹了抗沖耐磨混凝土施工過(guò)程質(zhì)量控制措施,可為同類工程提供借鑒。

        本文基于雙江口水電站泄洪隧道工程,通過(guò)試驗(yàn)方法對(duì)抗沖耐磨混凝土的配合比及振搗工藝展開研究,驗(yàn)證抗沖耐磨混凝土配合比方案的可行性,提出抗沖耐磨混凝土的最佳振搗參數(shù)組合,并對(duì)泄洪隧道抗沖耐磨混凝土施工工藝進(jìn)行介紹。

        1 工程概況

        1.1 雙江口水電站簡(jiǎn)介

        雙江口水電站為大渡河流域水電規(guī)劃“3 庫(kù)22 級(jí)”的第5 級(jí),位于大渡河上源足木足河與綽斯甲河交匯口以下2 km 河段處,是國(guó)家規(guī)劃的十三大水能基地之一。

        雙江口水電站樞紐工程由攔河大壩、泄洪建筑物和引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。其中,樞紐泄水建筑物右岸包括設(shè)有洞式溢洪道、深孔泄洪洞和利用施工中期導(dǎo)流洞改建的水庫(kù)放空洞,左岸設(shè)有利用施工后期導(dǎo)流洞改建的豎井泄洪洞。雙江口水電站泄水建筑物布置圖如圖1 所示。

        圖1 雙江口水電站泄水建筑物布置圖

        1.2 泄洪系統(tǒng)襯砌混凝土概況

        洞式溢洪道進(jìn)、出口洞段采用全斷面鋼筋混凝土襯砌,其中,Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚1.5 m,Ⅲa、Ⅲb類圍巖襯砌厚1.2 m,過(guò)流面采用C9040 或C9050 抗沖耐磨混凝土。

        深孔泄洪洞的橫斷面型式為城門洞型,典型隧洞面寬11 m,高16 m。洞身段采用雙層鋼筋混凝土襯砌,Ⅱ、Ⅲ類襯砌厚度0.8 m,Ⅳ類襯砌厚度1.0 m,帷幕之前及Ⅴ類襯砌厚度1.2 m。過(guò)流面采用C9040 或C9050 抗沖耐磨混凝土。

        放空洞龍?zhí)ь^段、短緩坡段和長(zhǎng)無(wú)壓段Ⅲ類圍巖的襯砌厚度為0.8 m,Ⅳ類圍巖的襯砌厚度為1.0 m,Ⅴ類圍巖的襯砌厚度為1.2 m。龍?zhí)ь^段、短緩坡段頂拱及頂拱以下1 m 邊墻范圍內(nèi)采用C25 混凝土,其余部位采用C50 混凝土,長(zhǎng)無(wú)壓段底板及底板以上6 m 邊墻范圍內(nèi)采用C9050 抗沖耐磨混凝土,其余部位采用C25 混凝土。

        泄洪洞豎井過(guò)流面采用C9050 硅粉抗沖耐磨混凝土,下平段無(wú)壓隧洞過(guò)流斷面采用圓拱直墻式,凈斷面寬12.0 m,高16.0 m,底板及邊墻下部6 m 過(guò)流面擬采用C9040 硅粉抗沖耐磨混凝土。

        2 抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)

        2.1 第一階段抗沖耐磨混凝土配合比試驗(yàn)

        2.1.1 試驗(yàn)過(guò)程

        第一階段試驗(yàn)保持砂石骨料及砂石粉含量不變,其中砂石粉含量為17.3%,調(diào)整混凝土水膠比,確定低熱水泥+粉煤灰+硅粉與低熱水泥+粉煤灰+HB7-1 型抗沖磨劑方案能夠滿足施工性能與強(qiáng)度要求的基準(zhǔn)配合比,并與普硅水泥+粉煤灰+HB7-1 型抗沖磨劑方案進(jìn)行對(duì)比,以研究其配合比方案的可行性。

        2.1.2 成果分析

        通過(guò)第一階段初步試驗(yàn),從90d 抗壓強(qiáng)度與抗沖磨強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,可得出如下結(jié)論:(1)C9040、C9050 強(qiáng)度等級(jí)的混凝土均可配制出,但C9050 混凝土水膠比小,且混凝土粘稠,不利于施工;(2)對(duì)于水下鋼球法抗沖磨強(qiáng)度,28d 抗沖磨強(qiáng)度在5.4~6.6 h/(m2·kg),預(yù)估90d 抗沖磨強(qiáng)度約為6~8 h/(m2·kg),處于同類工程經(jīng)驗(yàn)值的下限值;(3)硅粉摻入后,坍落度約為180 mm,流動(dòng)性及施工性能較差,減水劑摻量與推薦摻量相差較遠(yuǎn),后期需同步動(dòng)態(tài)調(diào)整;(4)與摻入硅粉的混凝土相比,摻入HB7-1 的混凝土施工性能大幅提高,且可降低用水量9~10 kg/m3。

        2.2 第二階段抗沖耐磨混凝土配合比試驗(yàn)

        2.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

        第二階段試驗(yàn)采用兩種方案實(shí)施,方案一,低熱硅酸鹽水泥+F 類I 級(jí)粉煤灰+人工砂石骨料+高性能減水劑+引氣劑的方案,配制出C9040W10F100(二級(jí)配的混凝土配合比)。方案二,低熱硅酸鹽水泥+F 類I 級(jí)粉煤灰+硅粉+人工砂石骨料+高性能減水劑+引氣劑的方案,配制出C9050W10F100(二級(jí)配的混凝土配合比);其中,試驗(yàn)砂石粉含量為16.8%,低熱硅酸鹽水泥28d 抗壓強(qiáng)度為45.3 MPa,硅粉摻量為3%、5%。

        室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)束后,在工藝性試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)混凝土拌合物和易性較粘稠且水膠比較小,因此進(jìn)行新材料的研究。即摻加一種具有增強(qiáng)(度)降粘(稠)的新型摻合料的試拌試驗(yàn)。

        2.2.2 結(jié)果分析

        細(xì)骨料:人工砂石粉含量16.3%,接近規(guī)范規(guī)定(6%~18%)的上限。

        粗骨料:人工碎石,其壓碎指標(biāo)為17.7%。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定,該骨料只適宜于配制強(qiáng)度等級(jí)小于40 MPa 的混凝土。

        混凝土的性能:本次試驗(yàn)中,不論是否摻加硅粉,混凝土均較為粘稠,無(wú)泌水,排氣較慢,振搗時(shí)間約30 s,混凝土振搗泛漿時(shí)間比一般混凝土的振搗泛漿時(shí)間長(zhǎng),混凝土施工性能有待進(jìn)一步改善。

        混凝土摻加硅粉后,減水劑摻量從0.7%增加至1.0%~1.05%,混凝土的抗沖磨強(qiáng)度及其他性能指標(biāo)均隨著硅粉摻量的增加有所提高,但提高的幅度相對(duì)較小。

        采用現(xiàn)有原材料、配合比配制出的混凝土滿足設(shè)計(jì)要求,但混凝土的水膠比比其他工程同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的水膠比小0.01~0.02,致使混凝土的總膠凝材料較多,特別是坍落度120~140 mm 的C9050 混凝土,總膠凝材料可達(dá)500 kg/m3,這將對(duì)混凝土的溫控防裂造成極為不利的影響。

        混凝土工藝性試驗(yàn):對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)已進(jìn)行的0.28、0.32、0.36 水膠比的混凝土配合比,相同水膠比情況下,與不添加HDC 高性能摻合料的混凝土相比,使用HDC 高性能摻合料時(shí),7d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升30%~50%;28d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升20%~45%;90d 混凝土抗壓強(qiáng)度提升25%。此外,相同水膠比情況下,配合比中膠凝材料用量降低,水膠比為0.32 時(shí),膠材總量降低6~12 kg/m3,水泥用量降低5~10 kg/m3;水膠比為0.28 時(shí),膠材用量降低7.8 kg/m3;水膠比為0.32 時(shí),膠材用量降低6.54 kg/m3。在混凝土抗壓強(qiáng)度滿足要求情況下,總膠材用量降低能夠減少混凝土溫升放熱,提升結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能。

        3 混凝土振搗工藝試驗(yàn)

        采用鋼化玻璃作為模板進(jìn)行試驗(yàn),從振搗機(jī)具、振搗時(shí)間、振搗工藝等方面進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),尋求解決氣泡問(wèn)題的關(guān)鍵因素,得到當(dāng)前配合比氣泡排出的最佳振搗參數(shù)組合,同時(shí)驗(yàn)證混凝土和易性和90d 抗壓強(qiáng)度。

        試驗(yàn)研究表明;C9040 抗沖耐磨混凝土最佳工藝參數(shù)為:φ80 硬軸式振搗棒初振45~55 s,然后間隔25 min 開始復(fù)振,單點(diǎn)復(fù)振45~55 s;振點(diǎn)距模板邊緣距離為20 cm,振點(diǎn)間、排距為40 cm;坯層厚度控制到40~50 cm,振搗時(shí)要插入下一坯層10~15 cm,禁止以振搗代替平倉(cāng)。

        4 抗沖耐磨混凝土施工工藝

        傳統(tǒng)洞身襯砌施工順序按照先底板、再邊墻、后頂拱的順序進(jìn)行。根據(jù)兩河口、白鶴灘水電站調(diào)研經(jīng)驗(yàn),傳統(tǒng)的洞身襯砌施作混凝土施工質(zhì)量難以控制。主要表現(xiàn)為邊墻、頂拱結(jié)合部位產(chǎn)生約束裂縫多,底板摻氣坎體型無(wú)法控制,且混凝土成品保護(hù)難度大。從混凝土質(zhì)量控制方面考慮,本文提出先邊墻、再頂拱、后底板的施工工藝,大大減少了邊墻、頂拱結(jié)合部位的約束裂縫。

        深孔泄洪洞抗沖耐磨混凝土施工工藝,以邊墻施工工藝為例,具體流程如圖2 所示。

        圖2 邊墻混凝土施工工藝流程圖

        4.1 邊墻鋼筋安裝

        鋼筋由加工廠統(tǒng)一加工運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng),利用鋼筋臺(tái)車上的起重設(shè)備吊裝至各層作業(yè)平臺(tái),人工進(jìn)行安裝、綁扎,鋼筋接頭采取機(jī)械套筒連接,安裝效果如圖3 所示。

        圖3 深孔泄洪洞鋼筋綁扎效果

        4.2 邊墻縫面處理

        采用人工高壓風(fēng)水槍將已噴混凝土墻面縫面沖洗干凈,并將兩側(cè)邊墻雙層鋼筋內(nèi)雜物人工清理或者沖洗干凈。

        4.3 邊墻立模

        邊墻采用鋼模臺(tái)車施工,邊墻臺(tái)車均在洞內(nèi)進(jìn)行安裝,現(xiàn)場(chǎng)布置25 t 汽車吊,并利用卷?yè)P(yáng)機(jī)等配合安裝。邊墻臺(tái)車就位后,由液壓系統(tǒng)將邊墻模板支撐到位,并采用全站儀進(jìn)行模板的校核、定位。邊墻模板表面在澆筑前需清理干凈,并涂刷脫模劑。

        4.4 混凝土運(yùn)輸、入倉(cāng)及振搗

        邊墻混凝土施工主要通過(guò)自卸汽車改裝平板車運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng),平板車倒料至料斗內(nèi),上料系統(tǒng)通過(guò)傳送帶將混凝土送入邊墻臺(tái)車頂部轉(zhuǎn)料系統(tǒng),頂部轉(zhuǎn)料系統(tǒng)通過(guò)下料口和串筒將混凝土送入倉(cāng)內(nèi),在邊墻鋼模臺(tái)車頂部進(jìn)料,人工進(jìn)入邊墻內(nèi)進(jìn)行振搗?;炷猎趥}(cāng)內(nèi)下落垂直高度應(yīng)控制在1.5 m 以內(nèi),兩側(cè)邊墻下料高差控制在50 cm 內(nèi)。

        4.5 邊墻脫模和縫面處理

        邊墻模板應(yīng)在混凝土強(qiáng)度超過(guò)2.5 MPa 以上時(shí)拆模,一般不少于48 h 進(jìn)行拆模。鋼模臺(tái)車再脫模后,需在混凝土終凝后對(duì)環(huán)向施工縫進(jìn)行鑿毛處理,鑿毛處理的施工縫應(yīng)無(wú)乳皮,粗骨料出露1/3 且無(wú)松動(dòng)骨料。

        4.6 混凝土養(yǎng)護(hù)

        在混凝土終凝后,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù),過(guò)流面養(yǎng)護(hù)至蓄水。當(dāng)溫度高于25℃時(shí),邊墻襯砌混凝土表面應(yīng)實(shí)行不間斷的流水養(yǎng)護(hù);當(dāng)溫度低于25℃時(shí),夜間可實(shí)行間隔1 h 的間斷流水養(yǎng)護(hù)。為防止混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大,在混凝土澆筑之前應(yīng)預(yù)埋冷卻水管,采用制冷水設(shè)備給冷卻管通冷水,以減小混凝土內(nèi)外溫差。在混凝土澆筑時(shí)開始通水,澆筑完成后,通水試件不少于15d,為防止降溫過(guò)大,混凝土與冷卻水之間的溫差應(yīng)小于20℃,混凝土的降溫速度不應(yīng)過(guò)快,應(yīng)小于0.5~1℃/d,且冷卻水的進(jìn)出口應(yīng)24 h 交換一次。

        4.7 洞室實(shí)施效果

        通過(guò)最佳振搗參數(shù)組合的抗沖耐磨混凝土澆筑的深孔泄洪洞邊墻表面平整度、氣泡數(shù)量及表觀質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期效果,如圖4 所示。

        圖4 深孔泄洪洞現(xiàn)場(chǎng)圖

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)深孔泄洪洞抗沖耐磨混凝土的配合比設(shè)計(jì)、振搗施工工藝進(jìn)行研究,結(jié)果表明,硅粉摻入后,混凝土的流動(dòng)性及施工性能較差;與摻入硅粉混凝土相比,摻入HB7-1 的混凝土施工性能大幅提高;添加HDC 高性能摻合料時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度增加20%以上,相同水膠比情況下,配合比中膠凝材料用量降低。通過(guò)混凝土振搗工藝試驗(yàn)得出最佳振搗參數(shù)組合;采用最佳振搗參數(shù)組合的抗沖耐磨混凝土澆筑的深孔泄洪洞邊墻表面平整度、氣泡數(shù)量及表觀質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期效果。隨著混凝土強(qiáng)度的不斷提高,國(guó)內(nèi)外對(duì)于超高性能混凝土抗沖耐磨性能的研究較少,未來(lái)應(yīng)探究超高性能混凝土與目前使用的抗沖耐磨混凝土兩者性能的優(yōu)劣。

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