水利工程混凝土冬季施工澆筑及養(yǎng)護技術(shù)研究

顧介昌，鐘琦

（1.連云港市贛榆區(qū)班莊鎮(zhèn)水利管理服務(wù)站，江蘇 贛榆 222100；2.連云港市贛榆區(qū)厲莊鎮(zhèn)水利管理服務(wù)站，江蘇 贛榆 222100）

0 引言

混凝土是由無機、有機的復(fù)合材料組成，水與骨料的摻雜能夠使混凝土具有一定的強度，更能夠耐受嚴寒，保證工程的穩(wěn)定性[1]。混凝土材料不斷地更新變化，最初使用的是粘土、石膏等材料，雖然具有一定的強度與剛度，但是在寒冷的冬天很容易出現(xiàn)裂縫，影響工程安全性。隨著人們生活質(zhì)量的提升，對建筑中使用的混凝土提出了更高的要求[2]?；炷敛牧系闹髁蠟樗唷⑺?，其他輔料則為多種復(fù)合料，能夠改善混凝土的性能，達到混凝土耐久、防裂的目的，保證建筑混凝土的實用性能?；炷磷鳛橹匾慕Y(jié)構(gòu)材料，其澆筑強度至關(guān)重要。

混凝土的澆筑強度與養(yǎng)護的關(guān)系較為密切，澆筑完成的混凝土如果不加以養(yǎng)護，就會出現(xiàn)混凝土裂紋、塌陷等問題，嚴重影響工程建設(shè)的安全。水利工程是混凝土澆筑的主要工程，其強度與耐久性需要按照實際需求設(shè)計，避免混凝土構(gòu)件出現(xiàn)形變、腐蝕等問題[3]。水利工程的施工周期較長，往往出現(xiàn)冬季施工的情況，受到冬季風速、冷空氣等環(huán)境因素的影響，混凝土澆筑存在較大的阻礙[4]，水利工程水位、凍土等問題尤為明顯，澆筑過程中很容易出現(xiàn)高程與設(shè)計需求不符的情況，延長了施工周期。因此，本文主要對水利工程混凝土冬季施工澆筑及養(yǎng)護技術(shù)進行研究。

1 冬季施工澆筑及養(yǎng)護技術(shù)設(shè)計

1.1 安裝水利工程的勁性骨架

此次水利工程在進行施工之前，為保證不受冬季環(huán)境的影響，采用節(jié)段安裝的方式搭設(shè)了勁性骨架。考慮到水利工程大壩的高程影響，采用纜吊系統(tǒng)與扣掛系統(tǒng)，將骨架的各個節(jié)段輸送到混凝土澆筑的位置上[5]。其中，纜吊系統(tǒng)主要起到節(jié)段骨架輸送的作用，扣掛系統(tǒng)則起到了彈性支撐的作用，二者結(jié)合共同調(diào)整了勁性骨架線形，確保骨架的安裝穩(wěn)定性。勁性骨架拼裝就是選擇合理線形與安裝線形的過程，骨架安裝的線形越合理，就越能減小混凝土澆筑的施工難度，避免冬季施工出現(xiàn)“凍漿”的問題。此次在水利工程施工區(qū)域設(shè)計線形，拱圈在施工階段一次成型，安裝階段均為自由組成的線形，能夠符合混凝土澆筑需求[6]。零位移骨架拼裝情況如圖1 所示。

如圖1 所示，在水利工程混凝土澆筑期間，各個構(gòu)件分施工階段激活，新安裝的骨架存在節(jié)點未知性位移，影響骨架安裝穩(wěn)定性[7]。骨架安裝分成6 個階段，1，3，5 號為骨架的自重作用，2，4 號為骨架安裝，6 號表示為骨架安裝完成其荷載。各個節(jié)段的位移情況反映了骨架的安裝線形，在彈性范圍滿足下式：

式中：Hs為勁性骨架的安裝線形；Ha為支撐線形；Hm為骨架安裝成支撐橋時的累積位移。忽略了自重之外的其他施工荷載之后，將進行骨架的線形設(shè)計成直線，確保進行骨架的受力穩(wěn)定。

1.2 懸臂澆筑混凝土

勁性骨架安裝完畢之后，在骨架周圍設(shè)置多個澆筑箱。在混凝土澆筑的過程中，根據(jù)骨架能夠承受的重量進行澆筑，使骨架的形變與應(yīng)力控制在允許范圍之內(nèi)。將骨架的整節(jié)段移動至混凝土澆筑區(qū)域，以掛籃作為澆筑平臺，圍繞骨架進行外包混凝土澆筑。此種澆筑方式能夠快速成型，避免混凝土澆筑出現(xiàn)冰凍現(xiàn)象[8]。在已經(jīng)澆筑成型的混凝土與骨架共同作用之下，利用扣索調(diào)整混凝土拱圈截面應(yīng)力，從而控制混凝土澆筑強度。采用懸臂澆筑的方式施工更加簡便，但冬季施工容易出現(xiàn)懸臂環(huán)應(yīng)力形變，影響澆筑效果。因此，針對冬季混凝土澆筑進行應(yīng)力設(shè)計，公式：

式中：γ為懸臂環(huán)內(nèi)應(yīng)力，Pa；γ0為混凝土澆筑時骨架的初始應(yīng)力，Pa；M為環(huán)內(nèi)軸力，N；B為澆筑線形；N為環(huán)內(nèi)彎矩，kN·m；I為混凝土澆筑的外側(cè)澆筑寬度，m；x為截面慣性矩，m2。通過人為干預(yù)的形式，將懸臂環(huán)的澆筑應(yīng)力與形變均控制在一定的范圍內(nèi)，減少重復(fù)的澆筑次數(shù)，從而避免冬季混凝土澆筑冰凍現(xiàn)象。

1.3 應(yīng)用冬季相變養(yǎng)護材料

混凝土澆筑完成之后，養(yǎng)護過程至關(guān)重要?？紤]到冬季的環(huán)境溫度問題，選取了相變養(yǎng)護材料作為水利工程混凝土澆筑的主要養(yǎng)護材料。相變材料能夠隨著溫度變化改變混凝土的狀態(tài)，并為混凝土提供熱能，從而避免混凝土冰凍的問題。由于水利工程中存在水位、高程等影響，此次工程選取了高溫相變材料進行養(yǎng)護，高溫相變材料及其溫度范圍如表1 所示。

表1 相變材料及其溫度范圍表

如表1 所示，高溫相變材料的相變點大于250 ℃，采用單純鹽、金屬與合金、堿、混合鹽等材料組成了相變材料。在混凝土澆筑完成之后，在混凝土上方鋪設(shè)了相變材料，通過固-氣相變、液-氣相變、固-固相變及固-液相變等形式，改變混凝土的溫度。無論是哪一種相變材料，相變過程均會產(chǎn)生熱能，向混凝土提供溫度，利用蓄熱儲能的優(yōu)秀材料，及時對澆筑完成的混凝土進行控溫補償，從而保證冬季混凝土澆筑施工的有效性。

2 實例分析

2.1 工程概況

為了驗證設(shè)計的澆筑及養(yǎng)護技術(shù)具有實用性能，本文以X 水利工程為例，對上述技術(shù)進行分析。X 水利工程位于北疆地區(qū)，主要由攔河壩、堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、引水電站等部分組成。夏季較為涼爽，冬季處于嚴寒狀態(tài)，氣溫差距較大。在冬季，X 水利工程所在地區(qū)風速能夠達到35.1 m/s，最大積雪深度能夠達到75 cm，最大凍土深度甚至超過150 cm，在嚴寒狀態(tài)下進行混凝土施工極為不易。攔河壩預(yù)設(shè)為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程約為990.0 m，防浪墻頂高程約為991.1 m，整體壩高約240.0 m，壩頂全長約780.0 m，頂寬約12.0 m。泄水建筑物在4 個河床壩段上，壩段寬約20.0 m，泄水壩段共80.0 m，剩下的20 個壩段的最大間距約20.0 m。攔河壩與堆石壩布置了生態(tài)放水孔、供水管、底孔、中孔、溢流表孔等，孔洞的尺寸為3.5 m×4.0 m（寬×高，下同），5.5 m×6.0 m，2.5 m×4.0 m?；炷撩姘宥咽瘔谓Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 混凝土面板堆石壩結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，此次工程主要是對堆石壩進行混凝土澆筑，為了保證澆筑效果與養(yǎng)護強度，在堆石板區(qū)域放置了上游鋪蓋與面板，保證下方混凝土層完好，不受凍土的影響?；炷翝仓┕げ捎昧似揭剖嚼|機，其重量約為30 t/臺，吊管容積約為9 m3，跨度在770.0 m 左右。在滿載混凝土的狀態(tài)下，纜機的承重索最大垂直度不大于跨度的5%，能夠保證混凝土澆筑均勻性。纜機滿載的情況下，運行速度約為450 m/min，重升速度約為132 m/min，空升速度約為180 m/min，下降速度約為180 m/min。2臺纜機同時運行時，二者之間承重索的最小間距需要超過9.0 m，裝載與卸料的時間在125～140 s 范圍內(nèi)，可確?；炷潦┕ば?。混凝土堆石壩澆筑情況如圖3 所示。

圖3 混凝土堆石壩澆筑簡圖

如圖3 所示，混凝土堆石壩澆筑的過程中，使用的澆筑機械與拌合機械均具備生產(chǎn)能力。在施工過程中，設(shè)置2 座4×5.0 m3的拌合樓，拌合強度約為720 m3/h。為了保證冬季施工的有效性，分別對底孔供水管、臨時導(dǎo)流底孔、深孔、泄洪表孔進行了混凝土澆筑施工。底孔供水管位于19～22號壩段，高程為825.0～828.0 m，層厚度約為3.0 m，同冷區(qū)高齡期按照10 d 的間歇進行混凝土澆筑施工；臨時導(dǎo)流底孔位于20～21 號壩段，高程約為862.0～868.0 m，層厚度約為3.0 m，同冷區(qū)高齡期按照13 d 的間歇進行混凝土澆筑施工；深孔位于20～21 號壩段，高程約為910.0～916.0 m，層厚度約為3.0 m，同冷區(qū)高齡期按照13 d 的間歇進行混凝土澆筑施工；泄洪表孔位于19～22 號壩段，高程約為977.0～986.0 m，層厚度約為3.0 m，同冷區(qū)高齡期按照9 d 的間歇進行混凝土澆筑施工。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述施工條件下，此次研究選取了一個月內(nèi)的澆筑施工情況，對澆筑與養(yǎng)護強度進行綜合分析。在一個月內(nèi)，上游的最高水位在820.4～913.6 m的范圍內(nèi)波動，使用懸臂澆筑的形式進行混凝土澆筑之后，澆筑高程與接縫灌漿高程均存在一個標準，在此標準內(nèi)，即可保證澆筑效果。使用此次設(shè)計的澆筑養(yǎng)護技術(shù)之后的澆筑結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，在X 水利工程施工的過程中，澆筑高程與接縫灌漿高程存在一個最大澆筑高程標準，在此高程標準之內(nèi)，即可保證澆筑效果。使用本文設(shè)計的澆筑養(yǎng)護技術(shù)之后，最大澆筑養(yǎng)護強度逐漸增加，從50%增加到了100%，養(yǎng)護強度較高。并且，應(yīng)用了本文設(shè)計的澆筑技術(shù)之后，澆筑高程與接縫灌漿高程均在最大澆筑高程的范圍之內(nèi)，并未出現(xiàn)澆筑的混凝土凍上的情況，實際高程與設(shè)計高程呈現(xiàn)了高度的一致性，不僅可以保證混凝土澆筑效果，還避免了施工周期延長的問題，符合此次研究的目的。

3 結(jié)語

近些年來，混凝土澆筑施工應(yīng)用廣泛，在橋梁工程、水利工程、路面工程等方面均展現(xiàn)了良好的性能，對于工程的穩(wěn)定安全使用具有重要作用。一個工程在建設(shè)的過程中，時間跨度較長，不可能僅在夏季施工，很多需要在冬季施工。受到冬天凍土、嚴寒的環(huán)境影響，混凝土澆筑的過程中很可能出現(xiàn)實際高程與設(shè)計高程不一致的情況，影響施工效果。因此，本文設(shè)計了水利工程混凝土冬季施工澆筑及養(yǎng)護技術(shù)，從勁性骨架、澆筑混凝土、養(yǎng)護結(jié)構(gòu)等方面，對水利工程混凝土進行了有效的施工，能夠更好地了解混凝土在冬季的施工性能和變化規(guī)律，采取有效的措施來預(yù)防和解決質(zhì)量問題。在下一步的研究中，還需跟隨科技的發(fā)展，積極采用新的技術(shù)和設(shè)備，包括保溫模板、加熱設(shè)備等，應(yīng)用于混凝土冬季施工和養(yǎng)護中，進一步提高混凝土的施工質(zhì)量和效率。以期推動水利工程建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，為未來的工程建設(shè)提供更好的技術(shù)支持。