陈建龙，李世斌，张建军，董丽荣
（中电建建筑集团有限公司，北京100120）
1 概述
敦化抽水蓄能电站引水系统工程是枢纽工程关键线路，1#、2#高压管道中平段长度均为1053.19m，全部采用钢板衬砌。目前，技术上制约工期进度的主要为高压管道中平段压力钢管回填灌浆和钢衬接触灌浆，本工程中平段钢衬所用钢材均为600MPa 级、800MPa 级高强钢，在施工过程中，不允许在钢板上开孔，必须采用预埋灌浆管的传统施工方法进行灌浆，根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5148 要求，回填灌浆应在衬砌混凝土达70%强度设计强度后进行，钢衬接触灌浆宜在衬砌混凝土浇筑结束60 天后进行，且每个回填灌浆区段长度不宜大于3 个衬砌段，若灌浆区段太长，混凝土内埋管过多，不仅影响灌浆质量，而且对混凝土本身施工质量也有很大影响，严重制约施工进度，迫切需要研究施工方法和新型材料。本文以研究自密实混凝土[1]材料作为重点，从源头上解决混凝土与围岩、混凝土与钢衬之间缝隙的问题。
2 研究基本理论
地下埋管结构由钢管、混凝土衬圈和围岩组成，地下埋管缝隙分布简图见图1。从缝隙分布位置划分，钢管与混凝土衬圈之间存在缝隙δ21，混凝土衬圈与围岩之间存在缝隙δ22。
从缝隙形成原因分析：
式中：δb为施工缝隙值（mm）；δs为钢管冷缩缝隙值（mm）；δr为围岩冷缩缝隙值（mm）。
图1 地下埋管缝隙分布简图
（1）施工缝隙δb。施工缝隙由混凝土和灌浆浆液收缩及施工不良造成，其数值大小主要取决于施工质量。如混凝土衬砌浇筑密实，并进行可靠的回填和接触灌浆，可取δb=0.2mm。
（2）钢管冷缩缝隙δs。钢管通水后，因水温较低，由钢管冷缩而形成的钢管与混凝土衬砌间的缝隙。
a.最低运行温度情况：
式中：δs1-最低运行温度情况下的钢管冷缩缝隙值（mm）；ΔTs-钢管起始温度减去最低运行温度所得的差值（℃），起始温度可近似用平均地温，最低运行温度可近似用最低水温；αs-钢材线膨胀系数（1/℃）；r-钢管内半径（mm）；υs-钢材泊松比。
b.最高水温情况：
式中：δs2-最高水温情况下的钢管冷缩缝隙值（mm）；ΔTs1-钢管起始温度减去最高水温所得的差值（℃），可为负值。
（3）围岩冷缩缝隙δr：
式中：ΔTr-洞壁表面岩石起始温度减去最低温度所得的差值（℃），可近似用平均地温减去最低三个月平均水温所得的差值；αr-围岩膨胀系数（1/℃）；r5-混凝土衬砌外半径（mm）；Ψr-围岩破碎区相对半径影响系数（1/℃），由r6/r5值取得，Ψr与r6/r5的关系曲线见图2；r6-围岩破碎区外半径（mm），坚硬完整围岩可取r6=r5，破碎软弱围岩可取r6=7r5，中等围岩内插选取。
图2 Ψr 与r6/r5 的关系曲线
（4）根据国内外的工程经验，混凝土衬圈与钢管、围岩间的累计缝隙δ2建议取值为：δ2=（3.5～4.3）×10-4r
敦化电站高压管道δ2取值按4.0×10-4r 进行计算。
根据高压管道回填混凝土试验的监测资料可以算出δs、δr的值，通过以上公式可算出施工缝隙值的允许范围。
通过对现场的回填混凝土试验，确定符合施工缝隙值要求的新型混凝土配合比方案，取消压力钢管底部接触灌浆，以解决现场由于接触灌浆引起的施工工期较长问题。
3 回填混凝土试验方案
根据高压管道回填混凝土的施工要求，为保证混凝土与钢衬及围岩的缝隙值尽可能的小，首先选择微膨胀混凝土，以减少混凝土自身的收缩变形；其次要易于施工，减少由于施工场地原因造成的施工过程中的振捣不密实导致的混凝土内存在气泡的施工缺陷。基于以上原因，选择自密实混凝土作为本次试验的基本材料[2]。
3.1 回填混凝土配合比试验
3.1.1 试验内容
（1）混凝土原材料性能检测；
（2）混凝土配合比试验；
（3）混凝土性能试验。
3.1.2 回填混凝土技术指标要求
（1）强度等级：C2825；
（2）抗冻等级：F50；
（3）强度保证率：95%；
（4）抗渗等级：W6。
3.1.3 回填混凝土的施工要求
（1）骨料最大粒径：20mm，一级配；
（2）混凝土抗压强度标准差：σ=4.0MPa；
（3）混凝土塌落扩展度：60～75cm；
（4）混凝土膨胀率：0～0.25‰；
（5）混凝土抗离析率：≤10。
3.1.4 配合比选择试验
首先根据《水工混凝土配合比设计规程》（DL/T 5330）内容，对混凝土配合比原材均进行检测，过程不再赘述，然后进行混凝土强度的计算，根据《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283）进行混凝土拌合物中粗骨料体积、砂浆中砂的体积分数、水胶比、胶凝材料用量、矿物掺和料的比例等参数的设计。
我部委托北京中电投公司对配合比进行了试验，最终优选4 组配合比，具体数据见表1。
3.1.5 混凝土性能试验
对推荐配合比的混凝土进行性能试验：包括混凝土拌和物塌落扩展度和扩展时间试验，离析率筛析试验，泌水率试验，含气量试验，容重试验，凝结时间试验，混凝土抗压强度试验，劈裂抗拉强度试验。
我部委托珠江水利科学研究院驻敦化电站第三方试验室进行了上述各项试验，试验成果均满足《水工混凝土试验规程》（DL/T 5150）、《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144）、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283）的规定内容。
3.2 压力钢管回填混凝土施工
3.2.1 试验段位置
根据高压管道中平段开挖支护施工情况，以及压力钢管制作情况，选定四段试验段，每段长12m，共计48m，作为压力钢管回填混凝土试验任务的试验段。
试验段内围岩类别为Ⅱ类，压力钢管壁厚均为42mm，断面类别相同。试验段一压力钢管管节编号为Ⅱ329～Ⅱ332，试验段二压力钢管管节编号为Ⅱ325～Ⅱ328，试验段三压力钢管管节编号为Ⅱ321～Ⅱ324，试验段四压力钢管管节编号为Ⅱ317～Ⅱ320。岩壁及贴壁排水安装不变。
为便于实时掌握钢衬与回填混凝土、围岩的缝隙变化情况，分别在Y2 1+785.620、Y2 1+773.635、Y2 1+761.650、Y2 1+749.665 桩号处的四个断面布置了监测仪器，每个断面的顶拱及底板处均布置了单向测缝计（振弦式，量程：0～50mm；灵敏度：0.025%F.S，非线性≤0.5%F.S，温度范围-20℃～+80℃，耐水压：2.0MPa）。
试验段监测仪器布置纵剖面图见图3，监测仪器布置横剖面见图4。
3.2.2 回填混凝土施工
根据混凝土配合比试验确定的四种混凝土配合比方案，分别对应于四条试验管段进行压力钢管混凝土回填。
（1）浇筑准备
混凝土浇筑前，针对浇筑仓面的具体情况做好仓面设计，主要包括：钢管安装的施工措施计划、仓面特性分析、明确质量技术要求、施工方法、资源配置以及质量保证措施等。
表1 优选配合比
图3 试验段监测仪器布置纵剖面图 单位：mm
图4 试验段监测仪器布置横剖面图 单位：mm
（2）浇筑实施
a.压力钢管回填混凝土以12.0m 作为一个回填单元进行施工。
b.浇筑时，由拱顶分两侧进入仓面，在底拱下料时必须采用单侧下料另一侧引料，浇至底拱90 度以上后，再由拱顶分两侧下料，均匀上升至覆盖整个浇筑段钢管，以保证底拱不出现脱空。为了确保钢管在浇筑时不发生变位，在浇筑前，除用角钢焊接在安装锚杆上对钢管进行固定外，还应增加临时支撑对顶拱180°范围内钢管外壁采用许可的钢材以加强对钢管的加固，混凝土浇筑至临时支撑位置时拆除。浇筑过程中应控制仓内混凝土的上升速度。
回填混凝土浇筑至钢管顶拱以上时，应采取加固措施对顶拱仓面进行封闭，混凝土泵出口压力应不大于0.3MPa，确保顶拱混凝土回填密实。施工时应严格控制混凝土的坍落扩展度，保证其有良好的性能，试验段自密实混凝土入仓前塌落度试验情况见图5。混凝土入仓后的平仓严格按规范要求进行操作，试验段自密实混凝土入仓前塌落扩展度试验情况见图6。根据钢管的承载能力控制混凝土的浇筑速度，混凝土分层、平起、对称地浇筑，各层浇筑的时间间隔不超过允许时间间隔。
c.当定位节钢管外回填混凝土的抗压强度达到75%以上时，开始下一管节的安装。上一仓混凝土回填灌浆完毕后，方可进行下一仓混凝土的浇筑。钢管外新浇筑的混凝土抗压强度达到5MPa 以上时，方可继续安装钢管。
2018 年4 月26 日～6 月17 日，分别对四个试验段进行了混凝土浇筑。
图5 试验段自密实混凝土入仓前塌落扩展度试验情况
图6 试验段自密实混凝土入仓情况
试验段一～试验段四自密实混凝土入仓前的塌落扩展到均在72cm 左右，满足65～75cm 的要求。混凝土入仓前的气温均在15℃左右。
3.2.3 监测数据
对于在每个回填混凝土单元中布置的测缝计，每隔3～5 天记录一次监测数据。以下是中国电建集团东北勘察设计研究院驻敦化电站项目部出具的部分监测数据分别见表2、表3 及图7。
4 试验数据分析
根据四组混凝土配合比方案在试验段的施工质量情况、测缝计监测情况，分析高压管道回填自密实混凝土取消接触灌浆及回填灌浆的可行性。
4.1 施工质量分析
（1）根据第三方试验室的检测结果，四组回填混凝土在28 天龄期内均达到设计强度。
（2）通过对仓面混凝土的表面观测，混凝土表面没有产生裂缝。钢衬与混凝土之间、混凝土与顶拱围岩之间肉眼均无法观测到缝隙。
混凝土施工质量良好。
4.2 监测数据分析
根据公式（2）、（3）、（4）中的计算公式确定δs、δr。
（1）最低运行温度情况：δs1=ΔTsαsr（1+υs）
（2）围岩冷缩缝隙δr：δr=ΔTrαrr5Ψr
αs-钢材线膨胀系数（1/℃），取1.2×10-5/℃；r-钢管内半径（mm），本次试验段钢管内半径为2700mm；υs-钢材泊松比，取0.3；αr-围岩膨胀系数（1/℃），试验段围岩为正长花岗岩，取3.5×10-6/℃；r5-混凝土衬砌外半径（mm），为3300mm；r6-围岩破碎区外半径（mm），试验段为Ⅱ类围岩可取r6=3r5；Ψr-围岩破碎区相对半径影响系数（1/℃），由r6/r5值查图取1.5。
根据施工期观测数据统计计算，9 月份的平均地温为11.74℃，5 月～8 月的平均地温为13.89℃，则年平均地温为12.46℃。
根据额穆气象站统计的气象资料，多年极端最低气温为-39.4℃，多年月平均最高温度是7 月的20.4℃。故运行期上、下水库库周冰盖现象严重，库内水温接近0℃，计算中最低水温取0℃。最低三个月平均水温同样取0℃。运行最高水温可近似取20.4℃。
由此计算：
δs取δs1和δs2中的大值0.525mm 进行计算，δr取0.216mm，δ2按4.0×10-4r 进行计算为1.08mm，由此得出施工缝隙δb最大允许值为0.339mm。
根据断面1～断面4 的监测数据，布置在顶拱的Jyd5-1、Jyd6-1、Jyd7-1、Jyd8-1 四只测缝计的平均数值分别为0.66mm、1.05mm、0.82mm、1.13mm，均大于施工缝隙δb与围岩冷缩缝隙δr之和0.555mm。故高压管道顶拱回填混凝土与围岩间的缝隙必须进行回填灌浆处理。
表2 单向测缝计安装位置及参数
表3 断面1 测缝计监测成果
图7 断面4 测缝计变化过程线
根据断面1～断面4 的监测数据，布置在钢衬底拱的Jyd5-2、Jyd6-2、Jyd7-2、Jyd8-2 四只测缝计的平均数值分别为0.42mm、0.25mm、0.30mm、0.26mm，最大数值分别为0.53mm、0.31mm、0.39mm、0.30mm，除断面1 的最大监测数据稍大于钢管冷缩缝隙δs0.525mm 外，其余数据均小于δs。
但根据接缝开度随温度的变化趋势来看，随着温度的降低，接缝开度也逐渐增大，基本每降0.4～0.6℃，接缝开度就会增加0.01mm，以此推算，洞内气温为0℃时，断面2～断面4 的接缝开度最大值为0.57mm、0.65mm、0.56mm。大于δs，但小于δs与δb之和0.864mm。
由于目前只是监测的施工期的缝隙数据，钢管不受运行期内水压力的影响，钢管的冷缩缝隙值偏大，气流交换频繁，受大气温度影响较大，钢衬冷缩程度较高，但仍然可以不通过进行接触灌浆就满足缝隙值要求。
5 回填混凝土试验成果
（1）从试验段的施工质量分析，自密实微膨胀混凝土能够有效的降低施工难度，同时由于自密实混凝土流动性较好的特性，对充分发挥填充功能，而且对施工质量的稳定性较好。
（2）从试验段监测数据分析，自密实微膨胀混凝土能够有效的减小混凝土与钢衬的缝隙值，同时能够很好的控制自身的干缩变形。同时由于自密实微膨胀混凝土具有对施工质量较为稳定的控制特性，采用自密实微膨胀混凝土进行高压管道压力钢管回填混凝土，取消接触灌浆的方案是可行的。但是由于泵送混凝土在施工方法上对回填顶拱部位的混凝土存在先天上的缺陷，使得采用自密实微膨胀混凝土仍然不能取代回填灌浆。
（3）从试验段的试验结果来看，采用编号18、26、30配合比的自密实混凝土，均可以达到取消接触灌浆的试验目的。
6 结束语
引水系统工程是敦化电站枢纽工程的关键线路，若其施工进度滞后，将影响工程发电工期。目前制约引水系统施工进度的关键项目为中平段的回填灌浆、钢衬接触灌浆，若采用自密实混凝土进行高压管道中平段混凝土回填，将可能大大压缩压力管道平段施工工期，为工程如期发电创造条件。
