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試論水庫除險加固工程中的水閘設計

 【摘要】水庫除險加固設計中,水閘的加固設計應用很廣,也是非常重要的,水閘的重點部位例如底板、閘墩等混凝土的控制分析也就變為尤為重要了。本文僅以底板部位易出現的問題入手,對如何進一步控制混凝土質量進行分析探討。
  【關鍵詞】水閘;底板;混凝土
  水閘在水利工程中應用很廣,底板部位易出現問題,長期以來困擾著工程界。一直未能很好解決。該問題的出現,給水閘工程帶來了多方面不同程度的危害,所以在進行水閘設計時,一定要根據閘址附近的地形、地質條件和水文、施工、管理等因素,認真研究,合理布置。
  1. 底板混凝土配料的控制
  (1)混凝土生產系統在使用前要進行保養、校核,確保計量準確性,材料配合比允許偏差必須控制在水泥、水、混合料為±2%;砂、石為±3%;外加劑為±l%。除粉煤灰、水、砂、石用自動計量系統控制外,對減水劑要先用天平稱量每盤料的用量,然后裝袋備用。根據現場工地試驗室提供的混凝土施工配料單嚴格配料,機械攪拌時料斗投料順序為:先加碎石,后加水泥、減水劑、粉煤灰,最后加砂和水,混凝土攪拌時間從投料完畢組成材料,在攪拌機內延續攪拌時間不得少于2分鐘,摻入抗裂防滲纖維混凝土攪拌時間不得少于2.5分鐘。
  (2)混凝土出料時隨時測定坍落度和拌和物溫度、觀察混凝土拌和質量,嚴禁生料輸送,確保混凝土澆筑質量。由于底板混凝土倉面較大,混凝土用量多,可采用混凝土輸送泵泵送混凝土。泵管安裝時不得直接支撐在鋼筋、模板及預埋件上,每隔一段距離要用鋼管支架固定,管道卡箍處不得漏氣漏漿,泵管盡量少用彎管和軟管,預防堵管,確保混凝土順利出料。混凝土泵送前要用清水濕潤管壁,然后拌制1:2水泥砂漿潤滑混凝土泵和輸送管內壁,潤滑用的水泥砂漿要分散布料。
  (3)混凝土澆筑過程中,前場和后場均須布置管理人員隨時指揮協調。現場可用對講機聯系來控制混凝土澆筑速度及拆布管時間,以確保混凝土整個澆筑過程緊張、連續、有序地進行。同時要安排專人測定混凝土入倉溫度、坍落度,并留置規定制取的試壓塊組數。混凝土澆筑前,要保證倉內無雜物,模板、鋼筋、預埋件符合規范要求,一切準備工作就序,并做好質量自檢記錄。經現場監理驗收后方可進行澆筑。底板澆筑前要在倉面平均劃分施工區域,混凝土澆筑自西向東、由遠而近。混凝土按一定厚度、順序、方向分層進行,上下層之間的混凝土澆筑間歇時間不得超過混凝土初凝時間。開始布料,兩管同時進行,采取“斜面分層”法施工。
  (4)振搗混凝土應從澆筑層的下端開始,逐漸上移,以保證混凝土施工質量,在底層混凝土初凝前安排一臺泵進行面層防滲抗裂混凝土施工。混凝土灌筑后用插入式振動器振搗,振搗時與混凝土表面垂直,操作時做到快插慢拔,上下略為抽動,插點均勻排列,逐點移動,順序進行,不得遺漏,使混凝土達到均勻振實。插入式振動器在每一插點上的振搗時間以混凝土表面呈水平而且水泥漿不再出現氣泡為準。
  2. 水閘底板混凝土的分析
  (1)目前在對待混凝土底板結構問題上,一般是允許出現裂縫,而對其寬度進行一定的限制,不同國家和地區對不使用環境和要求下的混凝土建筑物的裂縫寬度有不同的控制標準。我國《混凝土結構設計規范》允許裂縫寬為0.2~0.3毫米,在對待裂縫問題上提出限制與允許的兩種方法。變形變化引起的約束應力首先要求結構所處的環境能給結構以變形的機會,即變形得到滿足,則不會產生約束應力。
  (2)在全自由狀態下,結構可以有任意長度、任意溫差不產生約束應力,因此給結構創造自由變形的條件就是允許原則。在實際工程中,全自由的理想狀態不易做到,但是可減少約束,釋放大部分變形,使之出現較低的約束應力;當結構處于全約束狀態,要讓任意長度不設伸縮縫亦不開裂,則只須所選用的結構材料具有足夠的抗拉強度和極限拉伸即可。該設計原則稱為限制原則。一般說來,對于限制原則,必須有足夠的強度儲備;采取允許原則,必須有充分的變形余地。現在一般認為,混凝土建筑物不出現裂縫是不可能的,或是很困難的。防止裂縫出現,在材料、設計、施工、運行和維護等方面均有一定的研究,但還不夠完善或效果不是十分明顯。在水工結構工程中,以限制原則為主,力求工程各部位都不裂縫。
  3. 水閘底板外部環境的控制
  (1)水泥水化產生大量的水化熱,在1~3d內可放出熱量的50%,甚至更多,當混凝土達到最高溫度后隨著熱量的散發又開始降溫,直到與環境溫度相同。底板為大體積混凝土,熱量傳遞的同時更易在內部積存,導致了內部溫度高于外部溫度,內部出現峰值溫度。升溫階段結束后,是散熱階段。內外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環境接觸,散熱條件好,熱量容易散發,內部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內部混凝土溫度。這樣在升溫和降溫階段都使底板內外混凝土形成了同一方向的溫度梯度。導致了其變形的不一致。內部膨脹受到外部的限制,或相應地外部收縮受到內部約束,于是在外部混凝土中產生了拉應力。當外部混凝土拉應力達到其極限拉應力,裂縫就會產生。裂縫初期很細,隨著時問發展繼續擴大、變深,甚至貫穿。除了混凝土水化引起的溫度作用外,運行期環境溫度變化也會產生作用。特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時,裂縫發展更為嚴重。從以上分析可以看出,影響內外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環境溫度等。
  (2)混凝土內的水分,少部分提供了水泥水化的需要,少部分泌出流失,大部分水分是在澆搗完畢后慢慢蒸發掉的。隨著水泥的凝結、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮。由于混凝土的水分蒸發及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度。其水分蒸發總是從外向內,由表及里。表層混凝土的水分蒸發程度和速度總是大于內部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會受到內部混凝土的限制,在表層混凝土中也產生拉應力,使得表層混凝土總的拉應力加大,產生干縮裂縫,但干縮一般只發生在表層。混凝土的配合比和組成是影響干縮的主要因素,一般水泥用量多,水灰比大,則干縮也大。骨料密度大,級配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮。其次,混凝土的養護和環境對干縮也有很大的影響。
  (3)混凝土即使沒有水分蒸發,其各組成部分的化學反應也會產生自生體積變形。在底板約束影響范圍內,膨脹型自生體積變形會產生預壓應力,有利于防裂,收縮型自生體積變形則不利于防裂。混凝土的自生收縮一般在拆模之前完成,雖然其量值不大,但如果同其他收縮疊加在一起,就會使表面拉應力增大。像水閘底板這樣的斷面尺寸很大,確屬必須解決水化熱問題的大體積混凝土結構,必須考慮自生收縮參與溫度收縮等疊加的影響。
  (4)影響混凝土自生體積收縮的因素主要是材料的化學成分和水灰比,水灰比的變化對自生收縮的影響和對干縮的影響正好相反,當水灰比大于0.5時,其自生收縮和干縮比忽略不計;而當水灰比小于0.35時。自生收縮和干縮的作用相當,必須加以考慮。
  (5)水閘底板混凝土產生問題是各種因素共同作用的結果,但是各種因素并不是互相獨立的。在本文的述評中,我們可以看到,有時要減小一種原因的不利影響,卻會增加另一種因素的不利影響,所以我們對待水閘底板混凝土存在的問題一定要尤其注意。



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