宣俊旭

摘要：文章以平陸運(yùn)河青年樞紐項(xiàng)目為依托，選取泄水閘底板為主要研究對(duì)象，基于理論計(jì)算和施工配合比分析，使用有限元模擬分析軟件建立泄水閘底板模型并進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬。通過構(gòu)建的泄水閘底板仿真模型，設(shè)置上下層不同澆筑時(shí)間間隔、不同分層厚度兩種工況，進(jìn)行底板開裂風(fēng)險(xiǎn)仿真分析，進(jìn)而探討泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數(shù)優(yōu)化策略，為泄水閘建設(shè)工程中大體積混凝土澆筑工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；分層厚度；澆筑間隔時(shí)間；約束應(yīng)力；抗裂安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：U615.4 A 12 031 5

0 引言

水利工程在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著重要的角色，對(duì)水資源的調(diào)控和防洪抗災(zāi)具有不可替代的意義［1］。泄水閘作為水利工程的重要組成部分，承擔(dān)著調(diào)節(jié)水流、防洪排澇的重要職責(zé)［2］。在泄水閘主體建設(shè)中，大體積混凝土澆筑是一項(xiàng)關(guān)鍵工藝，其質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響工程的安全運(yùn)行。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于水利工程建設(shè)的要求越來越高。傳統(tǒng)的混凝土澆筑方法難以滿足大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工需求，因此分層澆筑成為一種重要的施工方法［3-5］。通過分層澆筑，可以控制混凝土的溫度，減少溫度裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土的整體性能。而分層厚度和澆筑時(shí)間間隔作為分層工藝的核心參數(shù)，直接關(guān)系到混凝土的澆筑質(zhì)量和效率［6-10］。因此，優(yōu)化分層厚度和澆筑時(shí)間間隔，以達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)性能，仍然是亟待解決的問題。

本文旨在通過綜合研究分析，探討泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數(shù)的優(yōu)化策略，從分層厚度與澆筑時(shí)間間隔兩類工藝參數(shù)展開討論，通過仿真數(shù)據(jù)以及平陸運(yùn)河泄水閘工程案例的分析，探究分層工藝參數(shù)的優(yōu)化策略，為泄水閘大體積混凝土澆筑工藝提供科學(xué)合理的建議，為運(yùn)河樞紐工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和工程實(shí)踐的創(chuàng)新提供參考。

1 工程概況

平陸運(yùn)河是西部陸海新通道骨干工程，始建于2022年8月，建設(shè)內(nèi)容包括航道工程、航運(yùn)樞紐工程、沿線跨河設(shè)施工程及配套工程。按內(nèi)河Ⅰ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，從上游至下游建設(shè)馬道、企石、青年三個(gè)梯級(jí)樞紐。其中青年樞紐是平陸運(yùn)河規(guī)劃三座梯級(jí)中的最下游梯級(jí)，主要施工內(nèi)容包括：雙線船閘、泄水閘、電站、連接壩和魚道，而泄水閘目前為青年樞紐主體建設(shè)重點(diǎn)。

針對(duì)泄水閘混凝土結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)文件中規(guī)定了關(guān)鍵的澆筑分層工藝參數(shù)。綜合考慮散熱效應(yīng)和施工工作面情況，大體積混凝土層間間歇期控制在5～10 d；基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土分層厚度為1.5～2.0 m，其他部位為2.0～3.0 m。

泄水閘底板最大邊尺寸為35 m，當(dāng)其直接澆筑在基巖或結(jié)構(gòu)處于混凝土強(qiáng)約束區(qū)，且不采取任何控裂措施，混凝土結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)均較高。為此，本文選取了開裂風(fēng)險(xiǎn)較大的底板進(jìn)行澆筑工藝參數(shù)優(yōu)化探討。

2 評(píng)估方法及配合比

2.1 開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

參照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496-2018）附錄B的方法，計(jì)算底板混凝土的自約束拉應(yīng)力和外約束應(yīng)力，結(jié)合對(duì)應(yīng)齡期下的混凝土抗拉強(qiáng)度，計(jì)算得到混凝土的自約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)Kz和外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)Kw。

2.2 混凝土配合比

底板混凝土配合比如表1所示。

原材料性能指標(biāo)如下：

（1）水泥：中熱硅酸鹽水泥P·MH 42.5，氯離子含量0.03%，堿含量0.36%，3 d水化熱247 kJ/kg，7 d水化熱257 kJ/kg。

（2）粉煤灰：Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度8.4%，燒失量1.90%，需水量比91%，三氧化硫含量1.04%。

（3）礦渣粉：S95?；郀t礦渣粉，比表面積406 m2/kg。

（4）砂：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，亞甲藍(lán)值1.0 g/kg，氯離子含量0，泥塊含量0.2%，石粉含量8.7%。

（5）碎石：碎石5～20 mm，表觀密度2 720 kg/m3，總含泥量0.7%，泥塊含量0.1%，壓碎值9.0%，針片狀顆粒含量8%，含泥量≤2.0%；碎石20～40 mm，表觀密度2 730 kg/m3，含泥量0.4%，泥塊含量0.0%，針片狀顆粒含量5%；碎石40～80 mm，表觀密度2 740 kg/m3，總含泥量0.2%，泥塊含量0.0%，針片狀顆粒總含量0。

（6）抗侵蝕增強(qiáng)劑（CPA）：比表面積≥300 m2/kg，抗蝕系數(shù)≥0.90 K。

（7）減水劑：聚羧酸（緩凝型）高性能減水劑，減水率27%，含固量14.51%，氯離子含量0.06%，總堿含量0.67%。

（8）水：欽江水。

3 建立仿真模型及工況仿真分析

3.1 有限元模型

選取的泄水閘底板尺寸為長(zhǎng)×寬×高=35 m×16.5 m×3 m，依據(jù)實(shí)際尺寸建立有限元模型，結(jié)果如圖1所示。

3.2 工況設(shè)置及參數(shù)取值

針對(duì)泄水閘底板設(shè)置了兩個(gè)工況，分別研究澆筑時(shí)間間隔和分層厚度對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，工況設(shè)置如表2所示。

根據(jù)不同工況進(jìn)行6#壩段底板的溫度場(chǎng)有限元模擬計(jì)算，建立系列溫度場(chǎng)云圖，見圖2和圖3。

依據(jù)中熱硅酸鹽水泥3 d和7 d的水化熱數(shù)據(jù)，即Q3=201 kJ/kg、Q7=248 kJ/kg，計(jì)算得到水泥水化熱總量為Q0=300.7 kJ/kg，將該值作為有限元模擬計(jì)算用值。模擬計(jì)算參數(shù)取值，如表3所示。

外約束應(yīng)力計(jì)算取值如表4所示。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 工況一：不同澆筑時(shí)間間隔下底板開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

分層厚度為3 m時(shí)，在不同澆筑時(shí)間間隔下（3 d、7 d、10 d），底板混凝土的內(nèi)表溫差、上下層加權(quán)溫差、自約束應(yīng)力和外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)的變化趨勢(shì)見圖4～7。

如圖4所示，隨著澆筑時(shí)間間隔的增加，新澆筑混凝土的內(nèi)外溫差下降。這是因?yàn)樯舷聦踊炷恋臐仓g隔時(shí)間越長(zhǎng)，下層混凝土產(chǎn)生的熱量對(duì)上層混凝土整體溫度的增加作用越小。

如圖5所示，隨著澆筑時(shí)間間隔的增加，上下層混凝土的加權(quán)平均溫度差增大。最大溫差分別為4.4 ℃、7.4 ℃和8.9 ℃。溫差越大，混凝土的不均勻收縮越大。

如圖6所示，新澆筑混凝土7 d抗裂安全系數(shù)最小值分別為5.41、5.82和6.10。7 d抗裂安全系數(shù)全部＞1.15。

如圖7所示，30 d抗裂安全系數(shù)最小值分別為1.78、1.47和1.32。30 d抗裂安全系數(shù)全部＞1.15。

可見，固定分層厚度不變，在澆筑間隔時(shí)間為3 d、7 d、10 d時(shí)，隨著泄水閘底板的澆筑時(shí)間間隔的減小，雖然新混凝土的內(nèi)外溫差增大，混凝土的自約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)降低，但也遠(yuǎn)大于1.15的限值；而上下層混凝土的溫差減小，混凝土的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)增大。為了保證底板有較好的抗裂性能，應(yīng)盡量選擇較短的分層澆筑時(shí)間間隔。

3.3.2 工況二：不同分層厚度下底板開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

由前文分析可知，對(duì)混凝土抗裂性能影響最大的是外約束應(yīng)力。自約束應(yīng)力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性非常小。因此，本工況下主要分析不同分層厚度下混凝土外約束拉應(yīng)力對(duì)混凝土抗裂安全系數(shù)的影響規(guī)律。

圖8～11為分層厚度分別1.5 m、2.25 m和3.0 m情況下，混凝土的中心溫度、內(nèi)表溫差、降溫速率和抗裂安全系數(shù)的變化趨勢(shì)圖。表5為不同分層厚度下底板的溫控參數(shù)。

如圖8所示，分層厚度為1.5 m、2.25 m和3 m時(shí)的底板中心溫度隨時(shí)間的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且極值點(diǎn)均為t=3 d，極大值溫度約為51.8 ℃。當(dāng)?shù)装鍧仓謱雍穸葟?.5 m增大到3 m后，溫度隨著分層厚度的增加而上升，且底板混凝土的中心最高溫度升高了0.8 ℃，見表5。

如圖9和表5所示，分層厚度為1.5 m、2.25 m和3 m時(shí)的底板最大內(nèi)表溫差分別為3.7 ℃、7.1 ℃和8.3 ℃。隨著分層厚度增加，內(nèi)表溫差呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，但整體溫度均小于25 ℃這一限值。

如圖10和表5所示，當(dāng)分層厚度為1.5 m的底板降溫速率最大為0.71 ℃/d，分層厚度為2.25 m時(shí)，底板最大降溫速率為0.39 ℃/d，相比于1.5 m厚的底板，降溫速率下降了45%以上，且隨著厚度的減少，降溫速率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

如圖11所示，不同分層厚度下底板的抗裂安全系數(shù)隨齡期的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。如表5所示，分層厚度為1.5 m的底板在11 d時(shí)抗裂安全系數(shù)＜1.15，分層厚度為2.25 m和3 m的底板分別在14 d和18 d時(shí)抗裂安全系數(shù)＜1.15。由此可得，分層厚度增大，底板的抗裂能力提高，降低了底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，固定澆筑間隔時(shí)間不變，在分層厚度為1.5 m、2.25 m、3.0 m時(shí)，隨著分層厚度的增大，底板混凝土的降溫速率變小，抗裂安全系數(shù)提高。雖然增大分層厚度，會(huì)提高了混凝土的中心溫度和內(nèi)表溫差，但提升幅度較小，而隨著降溫速率降低，外約束拉應(yīng)力抗裂安全系數(shù)提高，混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)降低。但底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)仍較大，應(yīng)采取分段澆筑或降低約束的措施（如滑動(dòng)層）或進(jìn)一步降低入模溫度，減小底板的開裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議在保證澆筑能力的情況下，盡量選擇分層厚度較厚的澆筑方式進(jìn)行澆筑。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)不同澆筑時(shí)間間隔和不同分層厚度下的底板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行開裂風(fēng)險(xiǎn)分析，探討了底板混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑工藝參數(shù)，總結(jié)如下：

（1）上下層混凝土澆筑時(shí)間間隔越短，上下層混凝土的溫差越小，底板的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)越大，混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)越小。

（2）底板混凝土的分層厚度越大，混凝土的外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)越大，混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)越小。

（3）為了確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，建議控制大體積混凝土的澆筑時(shí)間間隔≤10 d，分層厚度≤3 m。同時(shí)采取分段澆筑、降低入模溫度或減少約束等措施，以進(jìn)一步減小底板開裂的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

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收稿日期：2023-10-08