浅析水利工程大体积混凝土分层分块规划

2012-04-28杨正勇

水利建设与管理 2012年6期

杨正勇

(中国水利水电第十四工程局有限公司昆明 650041)

1 概述

现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。大体积混凝土的主要特点是体积大、结构表面系数小、水泥水化热释放比较集中、内部温升比较快。因此，大体积混凝土往往不能一次浇筑成型，为降低混凝土的水化热，防止混凝土裂缝的出现，大体积混凝土的分层分块规划变得尤为重要。本文以水工建筑物大体积混凝土为例，从结构体型、温度控制、设备配置、模板选用、施工进度、经济比对等几个方面来简要分析大体积混凝土的分层分块规划，以期为其他类似工程提供一些帮助。

2 影响分层分块规划的因素

2.1 结构体型

大体积混凝土分层分块施工缝，首先考虑按设计永久结构缝留置，如设计体型过大，则施工过程中应设置临时施工缝。以混凝土坝为例，一般横缝(垂直坝轴线)为永久变形缝，间距15～20m;纵缝为临时设置的施工缝，间距15～30m。

混凝土分层厚度视基础的约束条件考虑，基础强约束区(0～0.2L，L系浇筑块长边)一般采用0.75～1m，基础弱约束区(0.2～0.4L)可加大层厚至1.5～2m，脱离基础约束区后由温控、施工条件等决定层厚，一般为3～5m。

混凝土结构体型不规则或发生变化的部位，应按体型变化规律分层。如框架、廊道、悬臂、牛腿、建筑物混凝土倒角转折等，应在适当位置分层，但应避免将施工缝设在应力集中位置。

混凝土分层还应考虑其他结构因素影响。如泄水闸闸墩施工，按温度控制要求浇筑层厚可为4～5m，但由于钢筋、埋件安装工作量大，混凝土进料困难，浇筑层厚多为2m。

另外，混凝土纵缝布置优先考虑错缝形式，尽量不采用由基础至结构顶部的通缝，以提高整体性及抗渗效果，避免灌浆。

2.2 温度控制

为避免浇筑块体由于基础温差和内外温差等发生温度裂缝，温控要求是决定浇筑层厚的一个主要依据。

水泥水化过程中，会产生水化热。当结构截面尺寸小、热量散失快时，水化热可不可虑。但对大体积混凝土，混凝土在凝固过程中会导致内部热量聚集，热量散失很慢，常使温度峰值很高。过高温度易使结构物产生温度变形，另外，如果混凝土内外温差过大，使得混凝土内外质点间相互约束产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度，则会使混凝土出现温度裂缝。

相关规范要求:混凝土最大绝热温升不宜大于50℃;混凝土结构构件表面以内40～80mm位置处的温度与混凝土结构构件内部的温度差值不宜大于25℃。

而不同的浇筑层厚与混凝土内部温升有密切关系，浇筑层厚越小散热越快，水化热温升值越低，反之则散热越慢，温升值越高。当混凝土浇筑层厚在5m以上时，混凝土实际温升已接近绝热温升。

混凝土内部最高温度可按下式计算:

式中 Tmax——混凝土内部中心最高温度，℃;

T0——混凝土浇筑入模温度，℃;

T(t)——在t龄期时混凝土的绝热温升，℃;

ξ——不同浇筑层厚的温降系数，可按下表查用。

不同浇筑层厚与混凝土绝热温升的关系表(ξ值)

由此，我们可以通过上式来计算不同分层厚度下的混凝土内部最高温度及内外温差，以此来确定实际分层厚度。

另外，对整体性有要求的部位，如确需较大的分层厚度，则应采取其他有效的温控措施来避免温度裂缝的出现，如预埋冷却水管降温、覆盖保温被降低内外温差等。

一般情况下，在低温季节选择3～5m的浇筑层厚，采取简单的保温措施即可满足混凝土温控要求;高温季节一般应避免浇筑大体积混凝土，如需浇筑，分层厚度以不超过1.5～2m为宜。

2.3 设备配置

混凝土浇筑仓位的大小，还应与混凝土生产、运输、浇筑等设备的能力相适应。

例如:某电站混凝土溢流坝设计横缝间距20m，坝基础最大长度51m，计划采用一台BLJ600×40履带式布料机进行混凝土布料入仓，浇筑方式采用平铺法，则坝基础分层分块规划应按如下考虑:BLJ600×40履带式混凝土布料机设计输送能力为80～120m3/h，考虑施工中其他因素的影响，实际输送能力约为45～60m3/h。大坝混凝土浇筑采用平铺法施工，每层铺料厚度0.5m，允许铺料间歇时间4h，按每小时浇筑混凝土60m3计，则一次最大允许浇筑面积为60×4/0.5=480m2。溢流坝横缝间距为20m，则纵缝间距应不大于480/20=24m。由此，坝基础51m方向应划分为3段进行浇筑。坝基分层按其所处约束区位置确定。

另外，如果上述坝基混凝土采用台阶法浇筑，则可选择较大的分块长度。但采用台阶法，浇筑层厚一般为1.0～1.5m，最大不超过2m。

以上是按混凝土浇筑设备的能力计算最大浇筑仓位，如果混凝土生产、运输等设备的能力不能与浇筑设备能力相匹配，或受其他一些因素影响(如道路交通条件)，则应按效率最低设备的供应能力核算最大混凝土浇筑仓位。

2.4 模板选用

混凝土分层分块规划还应与所选模板的型式尺寸相一致。

为提高混凝土浇筑质量，加快施工进度，许多水利工程均开始采用多种新型模板，例如多卡模板、翻转模板等。这类模板，一般均有其定型尺寸。如多卡模板DK2033、DK3033等，面板尺寸 2.0m ×3.3m、3.0m ×3.3m，只适应于3m层厚以下的混凝土浇筑。此类模板用于斜面混凝土浇筑，分层厚度应保证斜面高度小于模板高度。

另外，对于一些定制模板，如弧形模板、转角模板等，为保证安装运输方便，也不能选择过大的结构尺寸。故混凝土的分层分块应结合模板定制尺寸综合考虑。

一般情况下，混凝土分层应以3m以下为主，因其能适应多种模板的型式尺寸。

2.5 施工进度

大体积混凝土浇筑后，为满足混凝土强度或温度控制要求，需要一定的停等时间才可进行下一层混凝土浇筑，一般为5～10天。

如选择过多的分层分块，将会使停等时段增多，施工缝面处理工程量增加，施工进度滞后。因此，在满足温控及其他施工条件的情况下应尽可能选择较大的分块长度、分层厚度，能通仓浇筑的尽量通仓浇筑。

而且，选择合理的浇筑顺序，也能减少浇筑停等时间，加快施工进度。如采用跳块浇筑、台阶状分层浇筑等，使得在停等时间内有其他块段的混凝土可以浇筑。

2.6 方案比对

混凝土分层分块较小，温控条件容易满足，利于保证混凝土浇筑质量，因此可以降低与混凝土温控相关的一些措施费用，但材料周转、缝面处理、接缝灌浆等方面的费用及工期将增加。混凝土分层分块较大，对资源利用、施工进度控制有好处，但与混凝土温控相关的措施费用及工期将增加，如混凝土加冰、预冷骨料、水管冷却等方面的费用及混凝土保温养护时间的延长等。

显然，上述规划因素的选择有其有利和不利的方面，在实践中需要综合考虑。为在技术可行的条件下，寻求以上因素的最优组合，可以有多种规划方案，这里简要介绍两种。一种是以相对造价最低为原则的规划，另一种是以浇筑温度最高为原则的规划。前者是在保证质量的前提下更多地考虑经济因素，后者则不严格考虑经济因素，而是争取在施工中采取尽量少的措施。以上两种规划均可以通过数学模型建立目标函数及约束条件来进行求解，但由于其数学规划为非线性关系，其各变量间也存在特殊限制，求解过程往往过于复杂。目前主要采用计算机编程的方式予以解决，此处不再赘述。