泄洪闸溢流面混凝土防裂技术研究

摘 要：黄河大河家水电站位于青海省民和县官亭镇与甘肃省积石山县大河家镇交界的黄河干流河段上，该电站泄洪闸溢流面设计为渥奇曲线，并且混凝土标号为C40，通过对黄河上游几个类似电站调查发现，该类溢流面普遍都存在裂缝，后经裂缝处理基本能够满足电站蓄水要求，但裂缝处理的代价均较大，产生了工程预算之外的处理费用。本文就大河家水电站溢流面防裂技术进行研究，尽量减少裂缝的产生，为电站的建设把好质量关和效益关。 
关键词：水电站；泄洪闸；溢流面；防裂技术 
　　1 工程概况 
　　大河家水电站是黄河龙羊峡―青铜峡河段水电开发规划中的第12个梯级电站，上游约5.8km是正在建设的积石峡水电站，下游约11km是在建的炳灵水电站库尾。大河家水电站工程属三等中型工程，主要开发任务是发电。枢纽主要由河床式电站厂房、泄洪闸、左、右岸土石坝等建筑物组成。电站等别为三等中型工程，主要建筑物级别为3级，电站总装机容量142MW。 
　　大河家水电站枢纽布置由左至右依次布置有左岸防渗墙、安装间、电站厂房、导墙坝段、泄洪闸、右岸土石坝等建筑物。电站厂房为河床式厂房，主厂房前沿长度88.6m，上下游宽26m，安装4台GZ（928）-WP-700型灯泡贯流式水轮发电机组。大河家水电站泄水闸为3孔平底泄洪闸，布置于电站厂房右侧的主河床上，由引渠段、闸室段、消力池段、尾渠段、钢筋笼海漫段组成，全长约238m。 
　　2 溢流面混凝土裂缝成因分析 
　　众所周知，混凝土的硬化过程，是水泥发生水化作用的过程。水泥水化伴随发热的化学反应，水化热会使混凝土温度升高，由水化热引起的绝热温升可达三四十摄氏度。混凝土是不良导体，导热系数很小。大体积混凝土内部温度升高，散热很慢，内外温差和温度梯度过大，引起胀缩不均，产生温度应力。当温度应力超过混凝土的抗裂能力时，混凝土将产生裂缝。混凝土浇筑初期，外界温度骤降，也将产生表面裂缝。刚性地基上的混凝土，在降温过程中，由于基础的约束，也会产生拉应力，导致开裂。 
　　泄洪闸闸室底板溢流面为涡绮曲线，与之相接的消力池底板为1：4缓坡和一段圆弧。根据设计图纸，溢流面厚度在1～1.8m之间，其下层混凝土设计为台阶状，台阶的尖角处溢流面混凝土厚度约1m，其他部位厚度约1.8m，受混凝土水化热和混凝土自身应力作用，容易在台阶尖角处形成应力集中，易产生裂缝。 
　　通过考察，和大河家类似的几个工程泄洪闸溢流面均存在不同程度的裂缝，都进行了化学灌浆处理，而处理费用高，使电站的外观质量受到影响。因此，研究泄洪闸溢流面防裂技术，解决裂缝问题，不但可以提高泄洪闸工程的施工质量，为类似工程施工提供参考，还可以大大减少后期混凝土缺陷处理的费用。 
　　3 施工前的技术研究 
　　3.1 质量控制目标 
　　通过技术改进，预期最大程度地减少混凝土表面龟裂，杜绝混凝土浅层和深层裂缝产生，做到溢流面一次成型，外观质量优良，不用做任何裂缝和其他缺陷处理。 
　　3.2 研究内容 
　　通过结合大河家水电站泄洪闸工程施工实践，研究解决溢流面混凝土防裂技术，其主要内容有： 
　　（1）溢流面设计结构及分层厚度对混凝土裂缝的影响： 
　　根据设计图纸要求，溢流面厚度在1～1.8m之间，其下层混凝土设计为台阶状，台阶的尖角处溢流面混凝土厚度约1m，其他部位厚度最大约1.8m，受混凝土水化热和混凝土自身应力作用，容易在台阶尖角处形成应力集中，易产生裂缝，因此将溢流面下层混凝土设计为缓坡面可以避免出现应力集中现象，预计能有效减少裂缝的产生，在施工过程中，将设计结构和分层稍加改变，研究其是否为裂缝产生的原因之一。 
　　（2）强度标号差异较大的两种混凝土直接结合对混凝土裂缝的影响： 
　　根据施工进度计划要求，溢流面及其下层混凝土需要连续施工，其时间间隔较短，溢流面混凝土标号设计为C40混凝土，其下层混凝土设计标号为C20，两种混凝土标号差异过大，其产生水化热量不同，可能出现结合不好或导致裂缝产生，施工时，计划将下层混凝土标号提高到C30，研究其是否能减少裂缝的产生。 
　　根据表1可以看出混凝土配比不同时水化热相差较大，当下层混凝土为C20时其水化热与上层的C40相差比较大，而当把下层混凝土提高为C30时其与上层C40的水化热相差就相对比较小了。这样混凝土上下层的水化热变化较小，其温度变化较小，上下层的衔接比较好，混凝土的裂缝相对就减少了。 
　　混凝土标号及分层结构具体变更情况如图1、图2所示。 
　　（3）混凝土振捣和养护工艺对溢流面混凝土裂缝的影响： 
　　混凝土振捣密实和养护到位能有效避免混凝土表层裂缝的产生，在溢流面施工时将安排专职质检员负责落实混凝土振捣和养护工作，避免因为施工工艺问题造成的裂缝。 
　　3.3 创新点 
　　泄洪闸闸室底板溢流面为涡绮曲线，设计混凝土标号为C40，其下层混凝土设计为台阶状，其混凝土设计标号为C20，通过理论与实际施工相结合，总结出一套适合于本工程结构和环境下的溢流面混凝土防裂技术，为类似的项目提供借鉴和参考。 
　　3.4 研究方法 
　　根据大河家水电站泄洪闸工程闸室段施工开展研究，以施工技术要求及相关规程规范为标准，通过咨询、调研、参考类似项目实施等方式，按不同专业采用技术攻关、技术引进消化吸收和推广应用的研究方法，主要研究步骤如下： 
　　（1）查阅、调研类似项目的溢流面混凝土防裂施工技术； 
　　（2）向工程局相关专家进行咨询； 
　　（3）根据本项目工程的施工图技术要求及现场实施条件，制定闸室段溢流面混凝土施工技术方案； 
　　（4）根据制定的施工技术方案，备好施工设备、原材料及操作人员； 
　　（5）施工过程中消化吸收先进施工技术工艺； 　　（6）总结特定条件下的溢流面混凝土防裂施工经验及研究成果；
　　（7）推广实施研究成果。 
　　4 主要研究工作及质量控制措施 
　　4.1 规划施工方案 
　　为避免因台阶尖角处形成应力集中而产生的裂缝，与设计、监理讨论研究，将台阶尖角做了钝化处理。将溢流面下层混凝土的台阶型式变更为缓坡面。 
　　针对上下两层混凝土标号差异过大问题，设计单位在设计阶段已将C20混凝土提高到C30标号，不能再增加标号，所以现场实际施工时是提高C30强度标号控制。考虑到溢流面混凝土施工的连续性，为尽量解决混凝土水化热差异问题，设计单位同意将分层厚度略加调整，把下层C30混凝土分层厚度减少至1m以内，并在两种混凝土分区线设置了连接钢筋，加强混凝土的结合。 
　　混凝土浇筑过程中的振捣和浇筑之后的养护工作也是决定溢流面表面是否产生裂缝的重要因素。要求施工过程中加强振捣，安排有经验的质检员盯仓，混凝土振捣密实，浇筑完的混凝土及时做好养护工作。 
　　4.2 质量控制措施 
　　（1）开仓前的准备工作 
　　仓号备仓过程中，要求质检员全程监控备仓质量，严格要求钢筋、模板及缝面等施工工艺，通过“三检一验”制验收仓号。开仓前将仓面工艺设计交底至每一个施工人员，并逐项落实入仓设备、振捣机具、施工人员等资源到位情况，在所有工作落实到位后才能准予开仓浇筑。 
　　（2）混凝土浇筑 
　　（3）混凝土养护：养护的目的是使混凝土正常硬化，强度增长，不受或少受外界影响。技术关键是设法使水泥混凝土温度慢慢下降到接近外界气温，缩小降温过程中的温差。以便减小温度应力，阻止裂缝的产生。具体措施如下： 
　　①表面处理： 
　　浇筑完后在混凝土表面立即覆盖一层塑料薄膜，在初凝前反复压面3～4遍，待混凝土达到1.2MPa（即胶底鞋不能踩出脚印）时夏季立即盖好草帘，冬季立即盖好保温卷材及保温被。避免了混凝土表面由于失水快、温度损失过快等原因产生塑性裂缝。 
　　②保温保湿养护： 
　　冬季加强保温，首先覆盖两层保温被然后在其上层覆盖保温卷材，保温被及保温卷材要覆盖严实。 
　　③养护时间： 
　　根据混凝土内外温差的要求，养护时间不少于28d，时间较长，利于延缓降温时间和速度，有利于充分发挥混凝土的应力松弛效应，使混凝土不易开裂。 
　　（4）效果及评价：同样控制中孔和左孔溢流面混凝土施工，溢流面表层均未有超过标准的裂缝产生，达到了预期效果。 
　　5 总 结 
　　通过施工前的技术策划和施工过程中的质量控制，以及浇筑完毕后按标准要求进行养护，经过这一系列措施的反复研究与实践，最终对溢流面混凝土防裂起到了良好的效果。经调查，泄洪闸溢流面无超标裂缝，少量的表面龟裂缝宽均在0.1mm以内，无需做质量缺陷处理，外观质量优良，基本达到了预期目标。