水工混凝土施工技術的進展及問題

　　1 概述

　　人們對于水工混凝土的認識，始于20世紀初，隨著越來越多的混凝土大壩的施工興建，對混凝土的了解越來越深刻。如：發(fā)現混凝土的強度與水灰比有關，才逐步用低流態(tài)混凝土代替高流態(tài)混凝土；對混凝土配比進行設計，才懂得選擇不同級配骨料代替以往不洗不篩；為調節(jié)和降低混凝土水化熱，才推行利用中、低熱水泥品種，摻加摻合料和外加劑等措施；為適應大體積混凝土施工受溫度控制的制約，普遍采用柱狀分塊法澆筑、骨料預冷、加冰拌和、快速入倉、通倉薄層澆筑等綜合措施。正是上述認識和措施；為混凝土壩向更大高度、更大規(guī)模發(fā)展創(chuàng)造了條件，為水工施工走一條不斷提高質量、縮短工期、降低造價，改善結構性能的通路找到了一條途徑。

　　我國的混凝土壩建設起步于20世紀50年代初，比工業(yè)發(fā)達國家落后數10年。由于我國是個農業(yè)大國，水電資源非常豐富，建壩綜合效益特別顯著，所以，盡管建國初期工業(yè)基礎薄弱，科技相對落后，資金也很短缺，但是國家和政府把水電建設放在非常重要的位置，推動了水電事業(yè)的快速發(fā)展，基本上是每10年就上一個臺階。

　　1950年代建設了一批壩高100m級的混凝土壩，其代表性的壩有梅山連拱壩，壩高88.24m；新安江水電站，壩高105m，三門峽水電站，壩高106m等。

　　1960年代建設了一批壩高100～150m級的混凝土壩，其代表性的壩有劉家峽重力壩，壩高147m等。

　　1970年代后期至80年代，建設了一批壩高150～200 m級的混凝土壩，其代表性的壩有龍羊峽重力拱壩，壩高178m；烏江水電站，壩高165m；東江雙曲拱壩，壩高157m等。

　　1990年代初列為世界混凝土壩先進行列的二灘水電站雙曲拱壩進入施工，其壩高達240m；與此同時，世界最大的水利樞紐三峽工程也于1994年底正式開工，其最大壩高181m。

　　隨著壩工建設的高速進展，水電施工技術也得到了長足進步，特別是近20年來，水電施工技術在許多方面都獲得了較大突破，與傳統(tǒng)的施工技術相比，產生了許多新的變革。

　　2 施工技術主要進展

　　2.1 優(yōu)先使用散裝水泥

　　目前，我國的建筑業(yè)施工，主要使用袋裝水泥，而水工混凝土則規(guī)定優(yōu)先使用散裝水泥。在水工混凝土中使用散裝水泥可以方便施工、降低成本、改善環(huán)境、滿足大規(guī)模的批量需求，是一項技術成熟、可靠性高的施工新技術。

　　2.2 水工混凝土中應摻摻合料

　　水工混凝土通常由膠凝材料、骨料、砂和水等組成，隨著工程的需要，摻合料已成為水工混凝土中不可缺少的第5組分?；炷林袚饺霌胶狭虾?，可以降低水化熱，抑制堿骨料反應，節(jié)約水泥，降低成本，綜合效益非常顯著。常見摻合料有粉煤灰（也有用作膠凝材料）、凝灰?guī)r、硅粉、氧化鎂、陶瓷、金屬或非金屬礦渣等。

　　2.3 水工混凝土中必須摻外加劑

　　近10多年來，混凝土外加劑技術飛速發(fā)展，品種越來越多，性能越來越好，技術也越來越完善，為此，規(guī)定在混凝土中必須摻外加劑。目前常用的外加劑有：引氣劑、普通減水劑、緩凝減水劑、引氣減水劑、高效減水劑、緩凝高效減水劑、緩凝劑、泵送劑等。在水工混凝土中摻入外加劑后，能夠改善混凝土和易性，調整凝結時間，提高各項物理力學性能和耐久性，增強混凝土適應環(huán)境的能力等。

　　2.4 混凝土運輸條碼識別

　　在多品種混凝土同時運輸的情形下，需要對其正確識別，傳統(tǒng)的方法是在車輛的前部顯著位置設置標志，然而這種方法易于出錯。為此，三峽工程采用混凝土運輸計算機條碼識別系統(tǒng)，成功應用在左右岸拌和系統(tǒng)。其工作原理為：當調度發(fā)布運行指令后，紅燈轉為綠燈，即裝有條碼識別牌的車輛可以通行。車輛在行進中觸發(fā)安裝在入口處的紅外開關，微機檢測到該信號后，指令安裝在識別棚上方的攝像裝置和圖像采集卡進行采樣，對采集到的數據進行圖像識別處理，獲取該車需運輸的混凝土品種即秤桿號信息。根據每座拌和樓的生產狀況，按照優(yōu)化調度的原則，在識別棚出口處前方的顯示牌指示車輛要去的樓號。同時，通知拌和樓按指定秤桿生產混凝土。整個處理過程大約在1秒鐘左右全部自動完成。

　　在三峽右岸85m高程系統(tǒng)混凝土生產、運輸中，利用條碼識別近10萬車次，誤識別率小于萬分之五。通過該系統(tǒng)實現了群樓集控，提高了拌和樓群的綜合生產能力，避免了錯料等質量事故發(fā)生，取得了顯著的綜合效益。

　　2.5 混凝土水平和垂直運輸一體化

　　皮帶機以連續(xù)運輸為特征，具有較高的生產效率。尤其是近年來，塔帶機（頂帶機）和胎帶機的引進和應用，將混凝土水平運輸和垂直運輸合二為一，實現了對混凝土運輸傳統(tǒng)方式的變革，從而導致了皮帶機運輸混凝土的廣泛應用。

　　以TC2400型塔帶機為例，其工作幅度100m, 輸送帶寬760mm，基座為固定式，主塔直徑3.5m，分13個塔節(jié)（標準節(jié)每節(jié)長9.3m），能借助液壓千斤頂自動爬升。塔柱抗彎力矩為33 354kN·m。吊鉤以下的高度為95 m，給料皮帶和送料皮帶長分別為90m和130m，帶寬760mm。工作電源為480V60Hz或380V50Hz，總功率300kW。其混凝土輸送能力為：三級料7m3/min、四級料5m3/min。
塔帶機的主要技術特性如下：

　　（1）塔柱具有自升功能。初始安裝時間約需6周，以后自身加高一節(jié)塔身只需3h。

　　（2）操作方便。正常操作僅需1人，加上維護、管理人員，每臺每班只需3人。

　　（3）控制范圍大，輸送能力高。TC2400型塔帶機控制幅度100m，三級配混凝土的小時輸送能力理論上可高達420m3。

　　（4）一機二用，除用于混凝土澆筑入倉布料外，還可作為塔吊使用。塔機的工作幅度為84m，從皮帶輸送狀態(tài)轉換成吊車狀態(tài)僅需15min左右。

　　2.6 陡坡與垂直運輸設備

　　（1）負壓（真空）溜槽

　　榮地、江埡、普定等工程采用了負壓（真空）溜槽，其原理為：①當混凝土從集料斗進入溜槽下行時，由于溜槽具有良好的密封性，溜槽內部的空氣從底部排出。②由于混凝土在溜槽內并非密實，與槽壁之間存在空隙，當混凝土下行時，在管內產生真空度（即負壓），此時槽內氣壓力小于外界氣壓，使柔性橢圓槽內向變形，槽內的混凝土受擠壓產生摩擦力，減緩了混凝土的下行速度。③混凝土在溜槽內速度變化時的隨機過程為：速度大時，真空度越大，因此，壓緊力越大，即摩擦力越大，使速度下降；反之，速度小時，真空度越小，即擠壓產生的摩擦力越小，使速度加快。

　　負壓（真空）溜槽由于采用真空負壓挾裹混凝土，能自動控制混凝土下卸速度，它不需要動力，結構簡單，使用方便，運行噪音小，無污染，制造成本低，適用于坡度為1∶0.75～1∶1陡峻斜面運輸。

　　（2）MY BOX

　　在三峽工程永久船閘豎井混凝土澆筑中，采用了具有二次攪拌功能的垂直連續(xù)式運輸設備MY BOX。該設備為日本前田公司的專利產品，混凝土料在MY BOX內自上而下自由下落，每經過一節(jié)就會增加2倍次的混合，當經過n節(jié)，即增加2n倍次的混合，它不需要外部能源或動力，能有效避免混凝土垂直運輸中的離析，使用方便。利用MY BOX共澆筑15萬多m3，既解決了洞井施工干擾的矛盾，又保證了澆筑質量，縮短了工期。與常規(guī)的吊罐或泵送混凝土垂直運輸方式相比，不僅大大降低勞動強度，而且節(jié)約運輸成本40%。

　　2.7 倉面五小機

　　平倉機、振搗機、高壓水沖毛機、倉面吊及噴霧機被稱之為倉面“五小機“，它是隨著混凝土施工技術的發(fā)展應運而生的。

　　在三峽、二灘等許多大型水電工程的大倉位混凝土澆筑中，平倉已采取專用平倉鏟、主振搗設備已采用帶有多個振搗棒頭的振搗機，這對于加快澆筑進度，保障澆筑質量起到了積極的保障作用。

　　高壓水沖毛技術是一項高效、經濟而又能保證質量的縫面處理技術，其沖毛壓力為20～50 MPa，沖毛時機以收倉后24～36h為宜，沖毛延時以每平米0.75～1.25min效果最佳。
倉面吊主要用于輔助倉內模板、鋼筋安裝等項工作，最大吊高9m，最大吊重5t，其體積小，自重輕，運轉靈活，可適應于全倉位作業(yè)。

　　倉面噴霧機是在澆筑倉面上空形成一道霧化屏障，以隔離倉外氣溫進而形成倉面小氣候的溫控設施。在夏季混凝土澆筑中，采用倉面噴霧的倉位，其倉內小氣候溫度要比倉外氣溫降低4～6℃，溫控效果十分明顯。

　　2.8　混凝土保溫技術

　　混凝土的側面永久保溫，已由過去的掛草席、布簾改為具有良好保溫性能的化工產品。當采用拆模后外掛（或外粘）施工方法時，多選用適當厚度的聚乙烯卷材，為增加卷材強度，可在卷材兩面覆上彩條布。當采用在立模后內貼施工方法時，多選用聚苯乙烯板材，拆模后保溫材料就留在混凝土表面。當采用拆模后在混凝土表面噴涂施工方法時，則選用雙組份發(fā)泡聚氨酯材料。這些新的保溫技術，均比傳統(tǒng)保溫方法工效高，效果好，無污染，現場文明美觀。

　　2.9　其它

　　除上述各項之外，還在預埋冷卻水管的材料和方法、預埋件的施工工藝、大升層（3m）混凝土澆筑、施工縫面采用低一級配的混凝土或同一級配的富漿混凝土替代鋪砂漿以及混凝土溫控、養(yǎng)護等方面均取得了進展，這里不再一一詳述。

　　3　問題討論

　　水工混凝土經過半個多世紀的發(fā)展到如今，雖然在施工技術、管理等各方面都得到了巨大的發(fā)展，已經能夠建造起如三峽水利樞紐等這樣的世界巨型工程，然而，仍存在一些問題需要探討和解決。

　　3.1 混凝土的強度等級

　　對于水工混凝土的強度等級C，目前主要存在兩派意見：一派意見認為，水工混凝土應與國際和建筑業(yè)混凝土接軌，即用C來表示，在此情況下，C代表的涵義是尺寸為15cm的混凝土立方體試件在28d標準養(yǎng)護齡期下，達到95%強度保證率的強度等級（MPa）；而另一派則認為，水工混凝土應體現水工混凝土充分利用后期強度的特色，繼續(xù)用R表示，齡期可以通過下腳標來表示，強度保證率則隨著齡期的加長而相應降低。

　　顯然，上述兩派意見各有道理。就混凝土施工角度而言。希望僅以一套指標為控制準繩，不希望有多套指標同步控制，比如用28d齡期和90d齡期同步控制，結果往往不能兼顧；即使做到了兩者兼顧，則將導致不必要的浪費。由此可見，用強度等級C要顯得合理些，關健在于應在C和R之間找到相應的關系。

　　目前在水工混凝土施工中，采取了將二者折中的辦法，即采取了用C帶下標的做法，當齡期加長時，仍將強度保證率相應降低。如C9020即表示15 cm立方體混凝土試件，標養(yǎng)90天，達到85%強度保證率的強度等級為20MPa。但這樣處理畢竟是一個過渡的辦法，有待于進一步完善。

　　3.2 混凝土澆筑的倉面配套

　　混凝土澆筑的倉面配套在過去一直都未受到應有的重視，更沒有過標準，然而，它卻直接關系到混凝土澆筑的質量。三峽工程的混凝土澆筑實踐表明，澆筑倉面配套需從以下幾方面入手。

　　3.2.1 倉面設計

　　倉面設計用以對澆筑倉內的資源配置和各種混凝土來料進行詳細規(guī)劃，以保障各道工序正常、有序、高效運行。

　　倉面設計的基本原則是：澆筑條帶布置要盡量簡化，混凝土品種切換次數盡可能地少，供料線路要短且易操作，資源配置要充足，來料流程要優(yōu)化。

　　倉面設計的主要內容包括：

　　（1）倉面情況，包括倉面所在壩段、壩塊、高程、面積、方量、混凝土級配種類，倉位施工特點等；

　　（2）倉面預計開倉時間、收倉時間、澆筑歷時、入倉強度、供料拌和樓；

　　（3）倉面資源配置包括機具、工具、材料、人員數量要求；

　　（4）倉面設計圖，圖上標明混凝土分區(qū)線、混凝土種類、澆筑順序等；

　　（5）混凝土來料流程表；

　　（6）對倉面特殊部位如止水、止?jié){片周圍，鋼筋密集區(qū)，過流表面等重要部位指定專人負責混凝土質量工作；

　　（7）對特別重要部位編制專門施工措施，并在倉面設計“注意事項”一欄中注明“詳見施工措施”字樣。

　　（8）倉面“澆筑情況評述”收倉后由質檢人員和監(jiān)理工程師對該倉混凝土澆筑情況進行簡要評述，對可能存在的質量問題提出處理意見。

　　3.2.2 倉面資源配置

　　(1) 倉面設備配套

　　主要包括倉面工作機械如平倉鏟、振搗機、手持式振搗棒、倉面噴霧機等。其型號和數量都應加以計算和規(guī)定。

　　（2）倉面人員配套

　　一般混凝土澆筑倉面需配置值班木工、鋼筋工、預埋工、電工和供水專職人員。各工序值班、帶班人員至少1名到位，并掛標識牌。此外，還需配備一定數量的倉面骨料集中、泌水處理、保溫等輔助工。

　　（3）倉面機具配套

　　要求每個澆筑倉面桶、瓢、鍬“三帶”齊全，清理止水、埋件區(qū)的集中骨料時要使用專用耙，為吸取倉面泌水，需配備真空吸水管，收倉后養(yǎng)護需配備灑水器。

　　（4）其它器材設施配套

　　包括風、水、電、通訊設施、保溫被、防雨布（防雨棚）、插筋等。

　　3.2.3 倉面管理配套

　　為保證混凝土澆筑正常、順暢、高效的運行，每一個倉都必須有一個組織嚴密、運行高效、信息反饋及時的倉面組織系統(tǒng)。其主要管理功能和職責范圍如下：

　　（1）綜合協(xié)調系統(tǒng)

　　對混凝土一條龍施工技術、質量、安全、機電設備提供保障，根據倉面設計安排拌和樓、澆筑手段及開倉時間，協(xié)調澆筑過程中出現的各種矛盾，組織處理突出事情。

　　（2）澆筑系統(tǒng)（倉面指揮）

　　倉面指揮全面負責澆筑倉面的要料、下料、平倉振搗、溫控、排水等組織指揮，確?；炷翝仓|量。

　　（3）操作系統(tǒng)

　　由調度室負責組織、協(xié)調，確保各操作系統(tǒng)正常運行，拌制合格的混凝土，并使混凝土快速、準確的入倉。

　　綜上可見，混凝土澆筑的倉面配套是保障混凝土澆筑質量的重要前提條件，因此，亟待將這方面內容進一步標準化。

　　3.3 混凝土澆筑過程控制

　　混凝土澆筑過程控制是確?；炷翝仓|量的最后一道工序關鍵環(huán)節(jié)。我們知道，混凝土施工過程中澆筑過程具有其典型的特殊性，即澆筑過程是不可逆轉的，它不象模板施工，出現偏斜了可以校正，當混凝土一旦澆下去后，發(fā)現問題如欠振、漏振等則無法挽回了，采取修補措施是不可能達到原生效果的，能有的最好辦法只有挖掉重澆。因此，混凝土澆筑過程控制是至關重要的。

　　然而，長久以來，對混凝土澆筑過程控制沒有一個很好的方法，如采取機口和倉面取樣試驗的方法，顯然只能表明混凝土在澆筑之前的性狀，不能代表澆筑后的質量；又如采取全過程記錄的方法，只能起到澆筑過程描述的作用，也起不到過程控制的作用；再如采用澆筑后鉆孔取芯檢驗的方法，雖然能夠直接反映混凝土的某些性狀，但鉆孔取芯的相似性和代表性仍然存在一些問題，使得該方法在表征原型時要打一定的折扣。由此可見，混凝土澆筑過程控制存在著非常大的難度。

　　現階段混凝土施工中仍然存在延用上述控制方法，但在“如何控制好一些”方面還有待研究和開發(fā)，如實現澆筑過程的標準化、數字化記錄，對澆筑工序質量的計算機評定，鉆孔取芯的相似性關系及模型等。

　　為了確?；炷潦┕べ|量，迫切需要一套完整的澆筑過程控制程序和方法，也迫切需要一套可操作的質量標準。

　　4 結語

　　總而言之，我國的水工混凝土施工無論是技術、工藝、還是在設備、材料等方面，都取得了令人矚目的進展，它不僅推動了技術創(chuàng)新市場的活躍和發(fā)展，也推動了水利水電工程建設的前進步伐。有關值得探討研究的問題，前文中已就三個方面的主要問題作了敘述。隨著水工混凝土施工的不斷推進，必然會給水工混凝土施工帶來新的進展，同時也會出現更多值得研究的新課題，相信這些都將對水利水電工程建設事業(yè)起到積極的影響作用。