航運樞紐工程泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數優化探討

宣俊旭

摘要：文章以平陸運河青年樞紐項目為依托，選取泄水閘底板為主要研究對象，基于理論計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行溫度場模擬。通過構建的泄水閘底板仿真模型，設置上下層不同澆筑時間間隔、不同分層厚度兩種工況，進行底板開裂風險仿真分析，進而探討泄水閘大體積混凝土澆筑分層工藝參數優化策略，為泄水閘建設工程中大體積混凝土澆筑工藝參數提供理論依據。

關鍵詞：大體積混凝土；分層厚度；澆筑間隔時間；約束應力；抗裂安全系數

中圖分類號：U615.4 A 12 031 5

0 引言

水利工程在現代社會中扮演著重要的角色，對水資源的調控和防洪抗災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，承擔著調節水流、防洪排澇的重要職責［2］。在泄水閘主體建設中，大體積混凝土澆筑是一項關鍵工藝，其質量和穩定性直接影響工程的安全運行。

隨著現代技術的發展，對于水利工程建設的要求越來越高。傳統的混凝土澆筑方法難以滿足大體積混凝土結構的施工需求，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，減少溫度裂縫的產生，提高混凝土的整體性能。而分層厚度和澆筑時間間隔作為分層工藝的核心參數，直接關系到混凝土的澆筑質量和效率［6-10］。因此，優化分層厚度和澆筑時間間隔，以達到最佳的結構性能，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的優化策略，從分層厚度與澆筑時間間隔兩類工藝參數展開討論，通過仿真數據以及平陸運河泄水閘工程案例的分析，探究分層工藝參數的優化策略，為泄水閘大體積混凝土澆筑工藝提供科學合理的建議，為運河樞紐工程領域的技術進步和工程實踐的創新提供參考。

1 工程概況

平陸運河是西部陸海新通道骨干工程，始建于2022年8月，建設內容包括航道工程、航運樞紐工程、沿線跨河設施工程及配套工程。按內河Ⅰ級航道標準建設，從上游至下游建設馬道、企石、青年三個梯級樞紐。其中青年樞紐是平陸運河規劃三座梯級中的最下游梯級，主要施工內容包括：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重點。

針對泄水閘混凝土結構的工藝參數，設計文件中規定了關鍵的澆筑分層工藝參數。綜合考慮散熱效應和施工工作面情況，大體積混凝土層間間歇期控制在5～10 d；基礎強約束區混凝土分層厚度為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，當其直接澆筑在基巖或結構處于混凝土強約束區，且不采取任何控裂措施，混凝土結構的開裂風險均較高。為此，本文選取了開裂風險較大的底板進行澆筑工藝參數優化探討。

2 評估方法及配合比

2.1 開裂風險評估方法

參照《大體積混凝土施工標準》（GB 50496-2018）附錄B的方法，計算底板混凝土的自約束拉應力和外約束應力，結合對應齡期下的混凝土抗拉強度，計算得到混凝土的自約束應力抗裂安全系數Kz和外約束應力抗裂安全系數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級粉煤灰，細度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：機制砂，細度模數2.8，亞甲藍值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?？偤?。

（6）抗侵蝕增強劑（CPA）：比表面積≥300 m2/kg，抗蝕系數≥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×寬×高=35 m×16.5 m×3 m，依據實際尺寸建立有限元模型，結果如圖1所示。

3.2 工況設置及參數取值

針對泄水閘底板設置了兩個工況，分別研究澆筑時間間隔和分層厚度對混凝土開裂風險的影響，工況設置如表2所示。

根據不同工況進行6#壩段底板的溫度場有限元模擬計算，建立系列溫度場云圖，見圖2和圖3。

依據中熱硅酸鹽水泥3 d和7 d的水化熱數據，即Q3=201 kJ/kg、Q7=248 kJ/kg，計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算用值。模擬計算參數取值，如表3所示。

外約束應力計算取值如表4所示。

3.3 結果分析

3.3.1 工況一：不同澆筑時間間隔下底板開裂風險分析

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

如圖4所示，隨著澆筑時間間隔的增加，新澆筑混凝土的內外溫差下降。這是因為上下層混凝土的澆筑間隔時間越長，下層混凝土產生的熱量對上層混凝土整體溫度的增加作用越小。

如圖5所示，隨著澆筑時間間隔的增加，上下層混凝土的加權平均溫度差增大。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抗裂安全系數最小值分別為5.41、5.82和6.10。7 d抗裂安全系數全部＞1.15。

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

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

3.3.2 工況二：不同分層厚度下底板開裂風險分析

由前文分析可知，對混凝土抗裂性能影響最大的是外約束應力。自約束應力導致混凝土產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力對混凝土抗裂安全系數的影響規律。

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、內表溫差、降溫速率和抗裂安全系數的變化趨勢圖。表5為不同分層厚度下底板的溫控參數。

如圖8所示，分層厚度為1.5 m、2.25 m和3 m時的底板中心溫度隨時間的增加呈現先上升后下降的趨勢，且極值點均為t=3 d，極大值溫度約為51.8 ℃。當底板澆筑分層厚度從1.5 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時的底板最大內表溫差分別為3.7 ℃、7.1 ℃和8.3 ℃。隨著分層厚度增加，內表溫差呈現先上升后下降趨勢，但整體溫度均小于25 ℃這一限值。

如圖10和表5所示，當分層厚度為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，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，降溫速率呈現增加趨勢。

如圖11所示，不同分層厚度下底板的抗裂安全系數隨齡期的增加呈現下降趨勢。如表5所示，分層厚度為1.5 m的底板在11 d時抗裂安全系數＜1.15，分層厚度為2.25 m和3 m的底板分別在14 d和18 d時抗裂安全系數＜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險。

綜上，固定澆筑間隔時間不變，在分層厚度為1.5 m、2.25 m、3.0 m時，隨著分層厚度的增大，底板混凝土的降溫速率變小，抗裂安全系數提高。雖然增大分層厚度，會提高了混凝土的中心溫度和內表溫差，但提升幅度較小，而隨著降溫速率降低，外約束拉應力抗裂安全系數提高，混凝土的開裂風險降低。但底板的開裂風險仍較大，應采取分段澆筑或降低約束的措施（如滑動層）或進一步降低入模溫度，減小底板的開裂風險。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行澆筑。

4 結語

本文通過對不同澆筑時間間隔和不同分層厚度下的底板混凝土結構進行開裂風險分析，探討了底板混凝土結構的澆筑工藝參數，總結如下：

（1）上下層混凝土澆筑時間間隔越短，上下層混凝土的溫差越小，底板的外約束應力抗裂安全系數越大，混凝土的開裂風險越小。

（2）底板混凝土的分層厚度越大，混凝土的外約束應力抗裂安全系數越大，混凝土的開裂風險越小。

（3）為了確保結構的穩定性，在現場施工過程中，建議控制大體積混凝土的澆筑時間間隔≤10 d，分層厚度≤3 m。同時采取分段澆筑、降低入模溫度或減少約束等措施，以進一步減小底板開裂的潛在風險。

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收稿日期：2023-10-08