自密实混凝土在窄口水库泄洪洞加固中的应用

第４３卷第３期２０１２年２月人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　ＲｉｖｅｒＶｏｌ．４３，Ｎｏ．３Ｆｅｂ．，２０１２收稿日期：２０１１－１０－２８作者简介：董振锋，男，高级工程师，副总工程师，主要从事水利水电建筑物设计及研究工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｄｚｆ２００１ｄｚｆ＠１２６．ｃｏｍ 文章编号：１００１－４１７９（２０１２）０３－００００－００自密实混凝土在窄口水库泄洪洞加固中的应用董振锋１，房小波２，刘雪霞１，张红升３（１．河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州４５００１６；　２．中国水电基础局有限公司，天津３０１７００；　３．灵宝市窄口水库管理局，河南灵宝４７２５００）摘要：河南窄口水库泄洪洞原为圆形无压洞，除险加固设计将其改为有压洞，设计最大水头６０ｍ。

由于衬砌厚度小、钢筋密集、振捣困难等原因，以致生产性试验段浇筑速度、浇筑质量等很难满足设计要求。

经分析比较，确定采用具有高流动性、不离析、不泌水、均匀、稳定、简单振捣便能密实成型的Ｃ４０Ｗ８自密实混凝土，施工期间通过持续改进浇筑方案，较好解决了混凝土入仓难、振捣难、模板上浮等难题。

从混凝土力学性能检测、安全监测及充水运行检查情况来看，自密实混凝土强度及抗渗性完全能满足设计要求，泄洪洞运行情况良好。

关　键　词：自密实混凝土；洞身薄壁结构衬砌；泄洪洞；生产性试验；配合比；窄口水库中图法分类号：ＴＶ４３ 文献标志码：Ａ 自密实混凝土作为一种高性能混凝土，已在民用建筑等行业得到广泛应用。

但囿于水利工程自身的特点，在水工建筑物设计中运用相对较少，特别是在高水头压力作用下的隧洞衬砌运用方面则更为谨慎。

自密实混凝土依靠自重，不需振捣即可自行填充密实，其拌和物具有良好的流动性、粘聚性、保水性、不离析、不泌水，硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。

在配合比设计上用粉体取代了相当数量的石子，通过高效减水剂的分散和塑化作用，使浆体具有优良的流动性和粘聚性，能够有效地包裹输运石子，达到充填密实的效果。

对于民用高层轻型墙体结构和工业工程中附属装配式构件、预制构件、钢筋密集的框架梁柱、混凝土堆石坝及小尺寸隧洞衬砌等厚度小、钢筋密集、结构复杂的构筑物，自密实混凝土在保证施工质量、提高功效方面有着突出的优势。

１　工程概况窄口水库是黄河支流弘农涧河中游的一座大（二）型水库，坝址位于河南省灵宝市南２３ｋｍ处，控制流域面积９０３ｋｍ２，总库容１．８５亿ｍ３。

水库以防洪为主，兼顾灌溉、发电、养鱼、旅游、供水等综合利用功能。

水库主要建筑物有大坝、主溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、灌溉（发电）洞、水库电站等六大主体。

泄洪洞位于主坝左侧山体内，原洞洞身全长４８１ｍ，为无压洞，洞径３．５ｍ，控制段位于进口竖井内，设检修闸门及工作闸门各一道，底板高程为５８８．４０ｍ。

考虑泄洪洞进口淤积、洞身衬砌质量差及长期处于明满流交替状态等原因，加固设计方案为：泄洪洞出口增设弧形工作闸门，改泄洪洞为有压洞；进口原竖井拆除重建，内设事故检修闸门，闸底板高程抬高至６２０．５ｍ；洞身及进出口增设监测仪器。

经洞身结构复核，确定该段加固方案为：洞身全段进行固结灌浆；洞身临水面混凝土凿除５ｃｍ（施工中因凿除困难，改为去碳化层后凿毛），重新进行衬砌，新老混凝土之间设插筋连接，衬砌后洞身直径３．２ｍ。

其中一段采用厚度为２０ｃｍ的Ｃ３５Ｗ８钢筋混凝土衬砌，混凝土达到龄期后进行回填灌浆；另一段采用壁厚１２ｍｍ钢板衬砌，钢板与老洞壁之间回填Ｃ３５Ｗ８混凝土，待钢管衬砌结束后采用泵送混凝土通过预留孔灌注，并进行回填灌浆及钢衬接触灌浆。

　第３期 董振锋，等：自密实混凝土在窄口水库泄洪洞加固中的应用２　Ｃ３５Ｗ８普通混凝土衬砌生产性试验为验证洞身泵送常态混凝土运输、入仓浇筑的可行性，初步选定其中１５ｍ长的一段进行了混凝土衬砌生产性试验，设计方量为２３．７ｍ３，洞身环向受力钢筋按设计的Ф２５＠１５０布置，纵向筋按Ф１６＠２００布置（见图１）。

图１　洞身衬砌配筋横断面示意（单位：ｍｍ）试验段加固施工在完成钢筋绑扎和模板制安等工序后，选用Ｃ３５Ｗ８一级配混凝土进行衬砌（坍落度为１４～１６ｃｍ，掺加Ⅰ级粉煤灰）。

由于衬砌厚度不足２０ｃｍ，且受环向及纵向钢筋影响，输送泵管道无法敷设于仓内，故试验段施工采用人工入仓。

先完成半圆拱以下范围内模板架立，然后开始浇筑混凝土。

随混凝土面上升，分次将半圆拱以上模板封闭浇筑混凝土。

混凝土由搅拌车运输至泄洪洞出口，由三轮车二次倒运至仓面附近，吊链提升至仓口人工入仓，采用插入式振捣器分层振捣。

由于仓口过小，人工入仓速度缓慢，完成半圆拱以下１１．８５ｍ３混凝土浇捣耗时１２．５ｈ。

由于浇筑历时过长，致使先入仓混凝土出现初凝，振捣时造成模板最大上浮２．３ｃｍ，因此，被迫停止浇筑。

半圆拱以上混凝土于次日下午２：００恢复浇筑，混凝土毛面按施工缝处理。

至凌晨４：００浇筑至顶拱４０°角范围，浇筑方案调整为自一侧向另一侧推进，边浇边支顶拱模板。

后经脱模检查，侧墙及顶拱部位局部存在空洞及蜂窝、麻面现象（后采用风镐凿除）。

试验未达到预期效果。

３　自密实混凝土配合比及衬砌方案确定３．１　混凝土配合比根据施工现实情况，建设单位及时组织召开了施工方案讨论会。

经实地考察分析，认为根据现状采用普通混凝土衬砌根本无法达到工期要求，施工质量也难以保证。

参考有关工民建行业自密实混凝土及水利工程中的堆石自密实混凝土施工经验，确定将洞身衬砌Ｃ３５Ｗ８混凝土方案改为Ｃ４０Ｗ８自密实混凝土衬砌方案，并委托清华大学进行自密实混凝土配合比设计和试验［１］。

试验单位于２００９年１２月下旬提交配合比报告，自密实混凝土胶凝材料为Ｐ．Ｏ４２．５普通硅酸盐水泥及Ⅰ级粉煤灰，骨料采用当地天然中粗砂及５～１０ｍｍ豆石，外加剂采用ＨＳ－Ｔ型专用外加剂（见表１）。

试拌后第三方检测７ｄ抗压强度为３１．７ＭＰａ，推算２８ｄ强度为４５．３ＭＰａ，满足设计强度要求。

表１　Ｃ４０Ｗ８专用自密实混凝土配合比水泥／（ｋｇ·ｍ－３）粉煤灰／（ｋｇ·ｍ－３）水／（ｋｇ·ｍ－３）砂／（ｋｇ·ｍ－３）石子／（ｋｇ·ｍ－３）专用外加剂／（ｋｇ·ｍ－３）坍落度／ｍｍ扩展度／ｍｍ粘度／ｓ４５２１１３１９０８５０７４３７．３２５０～２８０６００～７００５～３０在现场施工过程中，若室外平均气温连续５ｄ稳定低于５℃，且最低气温低于－３℃时，采取混凝土冬季施工方案。

对于混凝土生产，需要在原有配合比基础上考虑添加抗冻剂，添加比例为胶凝材料质量的５％，并根据现场实际情况进行适当调整。

３．２　模板制安模板采用普通钢模板加工制作，模板内侧竖向及横向支撑主要用１４号槽钢。

横向支撑间距设计为１．０ｍ，竖向支撑设计为０．８ｍ，采用槽钢拱架、钢管及拉紧器以提高模板整体刚度。

模板接缝及模板与铜止水结合部位采用泡沫板嵌缝，在模板与结构钢筋之间设置５ｃｍ厚预制混凝土垫块，以满足保护层要求。

３．３　混凝土生产自密实混凝土搅拌站安装２台ＪＳ５００型卧轴强制式搅拌机及１台ＰＬＤ１２００型电子配料机，每盘混凝土按０．４４ｍ３拌制，砂、豆石及粉煤灰由电子配料机称量掺加，人工加入４袋水泥，拌合用水采用电子计量泵控制，专用外加剂在搅拌机口掺加，搅拌时间按９０ｓ控制，在机口及仓口检测坍落度及扩展度。

３．４　混凝土运输在先期施工的衬砌段，由１０ｍ３搅拌车运输混凝土至泄洪洞进口竖井采用溜管垂直运输至高程５８８．４ｍ洞段，再水平运输至仓面，由ＨＢＴＳ２０－８－３０型混凝土泵充填管入仓；对顺序施工的衬砌段由搅拌车运送至０＋４９０．０ｍ储料仓，再由ＨＢＴ６０型混凝土泵水平运输至仓面附近的ＨＢＴＳ２０－８－３０混凝土泵内入仓。

３．５　混凝土入仓新衬砌混凝土分段长１５ｍ，平均布设９个进料３ 人　民　长　江２０１２年　口，沿轴线每５ｍ在半圆拱两侧及顶拱各设１个进料口，半圆拱进料口为１０ｃｍ×１０ｃｍ方形孔，顶部进料口采用φ１００ｍｍ铁管与模板焊接形成。

进料口下部通过法兰盘与８０ｍｍ进料管、ＨＢＴＳ２０－８－３０型混凝土泵软管连接，法兰盘间设闸阀，待混凝土浇满后关闭闸阀即可将软管换至下一进料口继续浇筑。

浇筑顺序为：自一侧向另一侧推进，依次通过半圆拱进料口浇筑下部半圆，随混凝土面均衡上升，封堵半圆拱进料口，改为顶拱充填管进料。

在浇筑期间采用榔头对模板轻击，将随混凝土进入仓内的气泡排出。

３．６　方案调整优化２００９年１２月２６日，在起始段进行了试验性浇筑。

按原定运输方案，在泄洪洞进口处安装φ１００ｍｍ溜管，顶部安装集料漏斗，内置钢丝滤网，溜管底部设９０°弯头与水平管连接直接进入停放在附近的混凝土泵储料仓内。

该仓施工中先后出现了以下情况。

（１）溜管底部９０°弯头处堵管。

原因：高差过大，混凝土下降过程中发生骨料离析，粗骨料集中。

处理方法：将底部弯头角度改为１３５°，在溜管６２０．５ｍ高程处加装“Ｓ”形弯头，阻滞混凝土降落速度，防止下降过程中骨料分离、粗骨料集中导致堵管。

（２）溜管中部堵管。

原因：搅拌车向溜管内放料时，混凝土将大量空气带入溜管内。

处里方法：在集料漏斗内插入１０ｍ长、直径２．５４ｃｍ的胶皮管，混凝土下料过程中可将部分空气排出。

（３）溜管至混凝泵之间堵管。

原因：自密实混凝土黏性大、水平运输距离长，因混料器消能过程中动能损失，致使混凝土流动距离缩短。

处理方法：将溜管至混凝泵之间水平管拆除，改为架设溜槽，将混凝土泵向溜管方向推移，解决了入泵问题，但由于混凝土距离仓面距离达１４５ｍ，软管处输送压力仍不能满足入仓要求。

经对３次试验的总结，最终确定运输方案如下：在溜管底口安装蝶阀，控制溜管内混凝土面高度，减小混凝土冲击力，将混凝土泵移至距仓面２０ｍ处，在混凝土泵储料仓上方搭设斜坡道，洞内设会车道，投入６台０．１ｍ３斗车完成溜管底部至混凝土泵间的运输。

该仓段浇筑历时９．４ｈ，浇筑混凝土２５．０８ｍ３。

混凝土拆模后立即洒水养护，养护时间不少于７ｄ。

从拆模后直观检查情况看，除半圆拱以下存在部分气泡外，混凝土表面平整、无蜂窝麻面，密实度良好，无冷缝及骨料分离现象。

剩余仓段于２０１０年５月２２日完成衬砌。

２０１１年２月１８至３月１８日期间，泄洪洞进口检修闸门多次开启，进行洞身充水试压（最长持续时间为２４ｈ），试验后关闭进口检修闸门，放空泄洪洞检查，洞身自密实混凝土衬砌结构完好，洞壁基本无渗水。

目前水库水位６２６．０ｍ，洞身最大承压水头４２．０ｍ，泄洪洞工作正常。

４　质量检验与评定按照规范要求的成型频次，自密实混凝土共取抗压试件１５组，最低组抗压强度４２．２ＭＰａ，平均４３．４ＭＰａ，混凝土强度保证率大于９９．９％；取抗渗试件２组检验，抗渗等级均满足设计要求［２－３］。