低热硅酸盐水泥在官地水电站导流洞堵头快速施工中的应用

钟谷良 李积伦 陈磊

（雅砻江流域水电开发有限责任公司，四川 成都610051）

摘要：本文分析研究了HBC低热硅酸盐水泥混凝土在官地水电站永久堵头中的应用情况。低热硅酸盐水泥混凝土具有良好的物理性能、变形性能和耐久性能，其强度、极限拉伸值、抗冻等级和抗渗等级均满足设计要求。现场实测数据表明，HBC低热硅酸盐水泥混凝土的最高温度低于设计允许值，其最大温升低于中热水泥混凝土，且温度变化过程比较平缓。实践表明，使用HBC低热硅酸盐水泥，适当掺用膨胀剂拌制混凝土，有效地降低了混凝土的温升，改善了混凝土变形性能，提高了温控防裂效果，为官地水电站大型导流洞堵头混凝土快速施工创造了条件。

关键词：低热硅酸盐水泥；堵头混凝土；官地水电站

1 引言

官地水电站的两条导流隧洞分别布置于河道左岸和右岸，导流洞由进口闸室、洞身段和出口段组成，隧洞为圆拱直墙型断面，洞身净尺寸为16m×19m（宽×高），采用钢筋混凝土衬砌。左岸导流洞洞身长度726.637m、进口高程1204.00m、出口高程1200.00m，右岸导流洞洞身长度951.716m、进口高程1204.00m、出口高程1200.00m。导流洞永久混凝土封堵堵头，在大坝蓄水运行过程中，堵头与周围岩石或混凝土连成整体，共同承担由作用水头产生的水压力。官地水电站采用分期蓄水方案，第一期蓄水至水位1317m，首台机组发电；第二期蓄水至正常发电水位1330m。根据设计要求，导流洞采用临时堵头+永久堵头施工方案，大约需要浇筑混凝土61380m3。根据蓄水发电的施工安排，全部混凝土施工须在1个月内完成。

2 导流洞封堵设计与施工方案

2.1 设计方案

导流洞封堵进度及质量直接影响大坝蓄水期施工和电站运行安全，封堵施工应遵循“临时堵头施工建设要快，永久堵头施工质量要好”的原则，并处理好堵头长度、体型、灌浆和温控等四项关键问题。因导流洞地质条件复杂，施工期曾发生多次大小不等的塌方，左岸导流洞沿右侧洞壁存在顺洞向断层，为确保蓄水期间导流洞封堵施工安全，经过综合比较分析选择临时堵头+永久堵头方案[1]。临时堵头长20m，永久堵头长45m。

2.2 施工方案

导流洞封堵采用全断面二级配C20泵送混凝土施工，临时堵头一次浇筑完成，永久堵头分20m和25m两段浇筑，分两大层浇筑，浇筑层厚达9m。永久堵头采用制冷混凝土和通水冷却措施，浇筑温度不超过12℃, HDPE塑料冷却水管垂直间距和水平间距为1m。

3 混凝土配合比设计

为进一步解决大体积混凝土快速施工的温控和防裂问题，尽早达到设计接缝灌浆温度要求，结合国内导流洞堵头混凝土配合比的设计经验，在官地水电站导流洞堵头混凝土配合比的设计上，提出“低水化热，微膨胀，后期强度增进率高”的技术思路。由于低热水泥的C2S含量较大，水化热低，后期强度增长率大，能有效提高混凝土的温控防裂效果，决定采用HBC低热硅酸盐水泥[2]，并在混凝土配合比设计思路上采用“双掺”技术，即掺缓凝高效减水剂和Ⅱ级粉煤灰方案。导流洞堵头C20W8F100二级配泵送混凝土坍落度范围140～180mm，控制含气量3.0%～4.0%，混凝土膨胀量28d控制在40×10-6左右。

3.1 试验原材料

水泥采用嘉华P.LH42.5低热硅酸盐水泥（简称“HBC”）,3d水化热为193kJ/kg, 7d水化热为220kJ/kg，极限温升值较P.MH42.5中热硅酸盐水泥（简称“MHC”）低15%以上，水泥的各项性能指标满足《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB 200—2003）的技术要求，HBC和MHC的化学成分及矿物组成检测结果见表1；粗骨料采用全玄武岩二级配骨料，骨料级配比例45∶55，细骨料细度模数2.7；减水剂采用山东华伟银凯外加剂有限公司生产的NOF-AS缓凝型聚羧酸减水剂，掺量为0.9%，减水率28%；引气剂采用江苏博特建材有限公司生产的JM-2000C引气剂。考虑到官地水电站导流洞堵头混凝土工期较紧，尤其是接触灌浆的需求，决定采用低热水泥外掺膨胀剂方案，通过比选，膨胀剂最终采用重庆三圣特种建材股份有限公司生产的ZY高性能混凝土膨胀剂，属于钙矾石系列，膨胀剂掺量为6%。

3.2 中热水泥和低热水泥混凝土性能比较

3.2.1 混凝土抗压强度比较

对于设计指标均满足C20W8F100 Ⅱ级配泵送混凝土，在满足泵送混凝土坍落度达到14～18cm的条件下，中热水泥泵送混凝土和低热水泥泵送混凝土的性能测试结果见表2。

从表2可以看出，使用HBC比MHC可以降低用水量2kg/m3，并综合分析可以降低胶凝材料29kg/m3；在90d龄期时，HBC混凝土的抗压强度比MHC约高出5MPa，这说明HBC混凝土有良好的强度增长率；混凝土的抗渗等级和抗冻等级均满足设计要求。HBC混凝土的测试结果为限制膨胀率，MHC混凝土测试结果膨胀率为自身体积变形；从试验结果来看，HBC混凝土和MHC混凝土都具有微膨胀性能。

3.2.2 混凝土热学性能比较

根据GB 200—2003，与中热硅酸水泥相比[2]，热硅酸盐水泥具有CaO含量低、韧性好、低水化热、早期强度相比中热水泥略低，后期强度增进率高的特点。混凝土绝热温升试验结果见表3。

从表3可以看出，采用HBC低热硅酸盐水泥，与MHC中热硅酸盐水泥相比，可以降低混凝土的绝热温升大约5.1℃。

3.3 优化后的施工配合比

优化后的施工配合比及材料用量见表4、表5。

4 施工效果

4.1 混凝土温度

左岸导流洞堵头混凝土内部的六支温度计的监测结果表明，通过水管通水冷却，最高温度可控制在33℃左右，24d后，堵头混凝土温度可以降低到20℃左右，可基本满足堵头混凝土接缝灌浆设计要求（见图1）。

4.2 混凝土体积变形

根据埋设在堵头混凝土内部的观测仪器来看，混凝土的体积变形呈现微膨胀性能，并且微膨胀性能和堵头内部混凝土的温度有关。随着温度的升高，体积变形增大，混凝土内部温度达到46.85℃时，体积变形达到最大值86.10με；随温度的降低，自生体积变形降低，混凝土内部温度降低到34.53℃时，体积变形降低为17.72με，并且趋于稳定。测试结果见图2。

5 混凝土膨胀率问题的探讨

在本次试验过程中，设计提出膨胀量宜为40×10-6左右，根据现行规范《混凝土膨胀剂》（GB 23439—2009）该膨胀率试验为“采用掺膨胀剂的混凝土限制膨胀和收缩试验方法（附录B）”，而根据《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150—2001）该膨胀率试验为“混凝土自生体积变形试验”。两者试验方法不同，测试结果有所区别，而大体积混凝土的膨胀性能又与温度有一定的关系，在考虑混凝土是否具有膨胀性能时，以其内部无应力计的检测结果作为判别依据更为准确，室内试验成果作为参考。根据堵头混凝土的试验成果来看，室内试验的28d龄期混凝土膨胀率为40×10-6左右，自生体积变形28d龄期仅为5.2×10-6左右，而堵头混凝土内部无应力计的检测结果最大值为80×10-6左右，并且随着龄期的延长，逐渐减小，最小值也有17×10-6左右。不同试验方法测试的结果表明，堵头混凝土呈现微膨胀性能，为堵头混凝土接缝灌浆创造了条件。

6 经济性评价

温度及防裂是大体积混凝土施工的技术难点，为了确保导流洞堵头混凝土施工进度，尤其是接缝灌浆和帷幕灌浆的顺利进行，按照设计要求须将混凝土温度降低到合适的范围。HBC低热硅酸盐水泥本身的7d水化热仅有220kJ/kg，与MHC中热硅酸盐水泥的7d水化热268kJ/kg相比，水化热大约降低48kJ/kg。采用HBC低热硅酸盐水泥可以较大幅度提高混凝土温控效果，降低混凝土开裂风险。根据测算，可以节约温控周期工期1个月以上，为加快施工进度，大坝提前蓄水发电创造了有利条件。HBC低热硅酸盐水泥工程成本较高于MHC中热硅酸盐水泥，对于大型水力发电厂而言，其提前蓄水发电的社会效益和经济效益是巨大的，物超所值。

7 结语

官地水电站导流洞堵头混凝土快速施工中，通过使用HBC低热硅酸盐水泥外掺膨胀剂，采取混凝土施工配合比“双掺”技术，混凝土预冷，水管冷却等综合措施，有效控制了混凝土最高温度，防止了堵头混凝土裂缝发生，从而实现了泵送混凝土9m超厚层快速浇筑施工，并保证了堵头混凝土结构的整体性、安全性与耐久性。

参考文献

[1] 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院．雅砻江官地水电站左右岸导流洞下闸蓄水封堵设计方案报告 [R].2010.

[2] GB 200—2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》[S]．北京：中国标准出版社，2003.

[3] 四川嘉华企业股份公司．低热硅酸盐水泥简介及其在水工工程领域的应用报告 [R].2010.