南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵施工技术

本书基于作者在南水北调天津干线混凝土输水箱涵工程中开展的施工关键技术研究成果，全面系统地介绍了箱涵工程施工工艺流程、施工分层及关键部位振捣工艺，混凝土配合比优化，应用自行研制的输水箱涵混凝土一体化施工工法技术及钢模台车技术实现混凝土运输、入仓方式优化及土基上模板支立优化，采用数值分析和数值模拟技术实现多工况典型混凝土结构混凝土温度场、应力场和位移分布的三维仿真和合理性分析，对箱涵混凝土温控防裂进行研究。

采用FLAC3D数值模拟软件，建立三维数值分析模型，模拟超长距离大流量混凝土输水箱涵不同施工工况的应力分布及位移，进行数值检测和分析对比，研究混凝土浇筑、模板支立等不同时期的结构稳定安全，据此进行施工工艺的合理性分析并提出推荐性意见，优化施工工艺是本书的一大亮点。

南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵属于超长距离大流量混凝土输水箱涵结构，其断面尺寸大、壁厚小，混凝土结构受力条件复杂，极易产生各种裂缝，施工过程中极易出现不稳定状态。为此，建立可控的、具有足够生产能力的混凝土自动化生产线，将混凝土拌和物直接转运至布料仓面，实现原材料集料、下料、投料搅拌、输料、混凝土入仓各个环节一体的连续施工非常关键。

本书采用FLAC3D数值模拟软件，建立三维数值分析模型，模拟超长距离大流量混凝土输水箱涵不同施工工况的应力分布及位移，进行数值检测和分析对比，研究混凝土浇筑、模板支立等不同时期的结构稳定安全，据此进行施工工艺的合理性分析并提出推荐性意见，优化施工工艺是本书的一大亮点。

本书从对输水箱涵施工中混凝土的不同入仓方式的优化分析研究入手，结合施工厂区布置提出优化意见；对模板的高效重复利用及土基上模板的支立提出工艺优化和技术改进意见；对墙体关键部位混凝土振捣提出工艺措施；对混凝土输水箱涵施工质量、施工工艺及箱涵结构稳定等关键技术展开深入研究和分析论证。

借助箱涵混凝土温控仿真有限元模型程序，结合不同工况进行仿真计算和分析，研究南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵施工期间混凝土温度控制、应力计算及裂缝防治新技术，为避免混凝土箱涵因环境气象条件、浇筑温度、混凝土温差、混凝土浇筑的长度和厚度、极限拉伸率、表面放热性能、养护措施、间歇时间、结构施工分块和施工分层等因素影响产生裂缝，开展理论研究并提供技术支持数据。

通过上述研究论证，找出变化规律，提出针对南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵各典型结构，个性化地指导现场施工和控制混凝土浇筑质量的技术研究成果，总结归纳成一个可以在南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵施工中广泛应用的专项施工技术，实现南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵施工技术的集成管理，为避免输水箱涵施工质量事故或质量缺陷的发生，保证混凝土箱涵的强度、工程质量和运行安全提供了可靠的技术保证。

尤其在南水北调工程或类似工程施工中，对于作业仓面属于线性延伸的工程而言，该研究成果在于优化施工管理、保证工程质量和施工安全，具有质量可靠、经济实用、运行简便、节能环保的价值，实现箱涵混凝土受控一次入仓、运行费用低廉的特点。随着国家对水利工程投入的增加，一大批大型超长距离大流量输水箱涵工程项目相继开工建设，超长距离大流量混凝土输水箱涵施工集成管理关键技术研究成果，在提高工程质量，降低工程成本等方面将发挥积极作用，具有广阔的推广应用前景。

建设高质量的混凝土输水箱涵，是编著本书的出发点。为了更好地总结南水北调中线天津干线工程混凝土输水箱涵施工关键技术，并为今后类似工程的设计和施工提供系统、完整的借鉴资料，作者开展了多方面的实验研究，并在本书编写过程中参考和引用了许多专业论述，同时也得到了有关专家的支持，尤其是林皋院士对本书的出版倾注了大量的心血。在此向有关人员致以崇高的谢意！

由于国内外混凝土箱涵技术研究的课题很多，作者的水平有限，书中的缺点、错误和疏漏在所难免。在施工组织和箱涵技术研究资料和数据整理方面还不够完整。恳请广大读者批评指正。

作者

2013年5月

第1章 概况 1
1.1 南水北调中线天津干线工程混凝土
输水箱涵关键技术 1
1.2 技术研究的主要内容 2
1.2.1 主要从以下方面展开研究 2
1.2.2 钢筋混凝土箱涵裂缝成因分析 3
1.3 国内外技术现状 3
1.3.1 国内文献 3
1.3.2 国外文献 4
1.3.3 总述 6
1.4 技术路线 6
1.5 南水北调中线天津干线工程简介 6
1.5.1 保定市1段工程 6
1.5.2 保定市1段施工五标 7
第2章 南水北调中线天津干线箱涵不同
施工工艺应力应变三维分析 12
2.1 研究内容 12
2.1.1 研究内容 12
2.1.2 施工工艺设定 12
2.2 三维分析前期工作 12
2.2.1 计算程序介绍及原理 12
2.2.2 模型建立情况 18
2.2.3 物理力学参数 20
2.3 三层浇筑法 20
2.3.1 浇筑底板 20
2.3.2 浇筑立墙 25
2.3.3 浇筑顶板 30
2.4 两层浇筑法 37
2.5 两种方法对比分析 43
2.5.1 应力对比 43
2.5.2 位移对比 45
第3章 混凝土配合比，混凝土入仓方式研究 48
3.1 混凝土配合比研究 48
3.1.1 综述 48
3.1.2 常用的主要措施 48
3.1.3 混凝土原材料使用要求 48
3.1.4 箱涵混凝土碱骨料反应及其预防 56
3.1.5 混凝土配合比优化 58
3.1.6 天津干线保定市1段箱涵混凝土
施工设计要求及施工配合比 66
3.2 混凝土浇筑入仓方式研究 69
3.2.1 国内外同类工程现状 69
3.2.2 超长距离大流量混凝土输水箱涵
施工入仓方式 70
3.2.3 混凝土入仓坍落度的控制 71
3.2.4 混凝土入仓浇筑施工措施 73
3.2.5 混凝土入仓质量保证措施 74
3.2.6 混凝土入仓安全保证措施 75
3.3 南水北调中线天津干线保定市1段箱涵
混凝土施工 75
3.3.1 工程特点 75
3.3.2 混凝土性态变化及解决方案 75
3.3.3 超长距离大流量输水箱涵混凝土
一体化连续施工系统装置 77
3.3.4 混凝土布料机设计技术研究 88
3.3.5 超长距离大流量混凝土输水箱涵施工
技术工法的应用及改进 93
3.3.6 拖式混凝土输送泵入仓 95
第4章 混凝土浇筑 98
4.1 箱涵混凝土施工工艺流程 98
4.2 混凝土浇筑振捣工艺 98
4.2.1 混凝土铺料及分层 98
4.2.2 混凝土平仓 100
4.2.3 混凝土振捣 100
4.2.4 模板工程 101
4.2.5 钢筋工程 103
4.2.6 混凝土运输 108
4.2.7 混凝土浇筑注意事项 108
4.2.8 混凝土表面修整 110
4.3 混凝土雨季施工 110
4.3.1 雨季施工工作措施 110
4.3.2 中雨以上天气施工工作措施 110
4.3.3 小雨天气施工工作措施 110
4.3.4 浇筑过程施工工作措施 111
4.4 混凝土养护 111
4.5 混凝土温度控制措施 111
4.5.1 温度控制一般要求 111
4.5.2 出机口温度计算 111
4.5.3 降低混凝土浇筑温度的措施 112
4.5.4 降低混凝土的水化热温升 113
4.5.5 温度测量 113
4.6 表面保护 113
4.7 质量检验及施工强度分析 113
4.7.1 混凝土原材料质量检验 113
4.7.2 混凝土拌和与混凝土拌和物的
质量控制 114
4.7.3 浇筑质量检查与控制 114
4.7.4 强度检验与评定 115
4.7.5 箱涵混凝土缺陷处理技术 116
第5章 箱涵施工厂区布置优化 121
5.1 施工厂区布置方案 121
5.2 施工分区规划和施工布置内容 121
5.2.1 施工营地及施工临时道路布置 121
5.2.2 施工用风 123
5.2.3 施工供水 123
5.2.4 施工用电 125
5.2.5 堆土区规划 127
5.2.6 混凝土生产系统 127
5.2.7 施工辅助工厂 129
5.2.8 办公及生活设施 130
5.3 施工优化 132
5.3.1 防雨排水系统优化 132
5.3.2 混凝土浇筑过程中防雨措施 134
5.3.3 施工临时道路优化 134
5.3.4 防雨防风设置优化 135
5.3.5 基槽底部钢模台车道路 136
5.3.6 安全保证措施 136
5.3.7 环境保护及文明施工 137
第6章 模板支立方案优化研究 138
6.1 概述 138
6.2 大模板设计研究 138
6.2.1 设计思想及计算依据 138
6.2.2 模板结构及参数确定 139
6.2.3 模板侧压力分析计算 139
6.2.4 内模面板承载力分析验算 140
6.2.5 横筋计算 142
6.2.6 竖向主梁计算 144
6.3 内模台车 145
6.3.1 内模台车主体图 145
6.3.2 施工布置 147
6.3.3 施工方法 147
6.4 外模 148
6.4.1 外模板组装 148
6.4.2 外模板的布置及构造 148
6.4.3 安装人员及设备 149
6.5 底板外模及内模 150
6.6 堵头侧模 150
第7章 箱涵关键部位混凝土浇筑施工工艺
研究 152
7.1 箱涵混凝土施工概况 152
7.2 施工分层及仓块划分 152
7.3 混凝土面层处理 153
7.4 混凝土上下结合处施工缝面处理 153
7.4.1 施工缝面处理方法优化选择 153
7.4.2 凿毛 156
7.4.3 模板 157
7.5 施工缝面处理 157
7.6 混凝土浇筑 157
第8章 箱涵混凝土变形缝施工技术及箱涵抗浮
稳定分析 159
8.1 设计技术要求 159
8.1.1 总体要求 159
8.1.2 止水材料 160
8.1.3 填缝填料 162
8.1.4 嵌缝材料 163
8.2 变形缝施工 164
8.2.1 一般规定 164
8.2.2 橡胶止水带施工 164
8.2.3 闭孔泡沫塑料板施工 165
8.2.4 聚硫密封胶施工 165
8.2.5 质量控制与检验 166
8.3 箱涵抗浮稳定分析 166
8.3.1 抗浮措施的选择 166
8.3.2 抗浮方案的优化设计 167
第9章 箱涵混凝土温控仿真有限元子模型法
程序开发及施工期防裂技术研究 168
9.1 混凝土温度场有限单元法计算方法 168
9.1.1 不稳定温度场的基本理论 168
9.1.2 不稳定温度场的有限元隐式解法 169
9.2 混凝土应力场的有限单元法计算方法 170
9.2.1 应力求解的基本理论 170
9.2.2 应力场的有限单元法隐式解法 171
9.3 水管冷却混凝土温度场的有限元
迭代求解 172
9.3.1 水管冷却空间温度场 172
9.3.2 沿程水温增量的计算 173
9.3.3 水管冷却混凝土温度场的迭代求解 174
9.4 有限元仿真计算的单元形式 174
第10章 箱涵结构防裂缝研究 176
10.1 裂缝产生机理 176
10.1.1 裂缝分类 176
10.1.2 裂缝的产生机理 176
10.1.3 箱涵混凝土裂缝 176
10.2 结构优化设计 177
10.2.1 总述 177
10.2.2 箱涵荷载分析计算 179
10.2.3 箱涵参数 180
10.2.4 箱涵荷载组合 180
10.2.5 内力计算方法 180
10.2.6 荷载和内力计算结果 180
10.2.7 配筋计算结果 183
10.2.8 抗裂度验算 183
10.2.9 承载能力极限状态计算和正常使用
极限状态验算 183
10.3 SAP84平面有限元分析 186
10.3.1 计算参数的选取 186
10.3.2 计算方法 187
10.3.3 SAP84三维有限元分析 187
10.4 箱涵结构防裂缝措施 187
10.4.1 合理选择结构型式 187
10.4.2 合理布置分缝间距 188
10.4.3 科学确定箱涵倒虹吸结构尺寸 188
10.4.4 合理配置钢筋是防裂缝的关键 188
10.4.5 合理优化混凝土配合比 189
10.4.6 混凝土温控设计及选择适宜的浇注
时间 190
10.4.7 控制原材料温度 191
10.4.8 拌和运输环节的温控 191
10.4.9 保证混凝土仓号正常温度 191
10.4.10 混凝土的养护 191
10.5 箱涵结构防裂缝需要注意的问题 192
第11章 混凝土温度场和应力场有限元子模型法
及程序开发 193
11.1 有限元子模型法的原理 193
11.2 有限元子模型法的计算网格 194
11.3 有限元子模型法的实现 194
11.4 混凝土温度和应力有限元子模型法 196
11.4.1 切割边界条件 196
11.4.2 子模型切割域 197
11.4.3 混凝土温度场和应力场子模型法 197
11.5 有限元子模型法修正算法及程序开发 199
11.5.1 修正分析 199
11.5.2 子母模型联合反馈修正算法 199
第12章 计算模型仿真与工况分析 202
12.1 计算资料收集和计算 202
12.1.1 工程区气象资料 202
12.1.2 混凝土配合比 204
12.1.3 热学与力学性能指标 204
12.2 计算模型与仿真假定 206
12.2.1 计算模型 206
12.2.2 计算假定 207
12.2.3 特征点和特征截面 207
12.3 夏季施工计算结果分析 208
12.3.1 计算工况设定 208
12.3.2 工况X1计算结果分析 208
12.3.3 工况X2计算结果分析 216
12.3.4 工况X3计算结果分析 218
12.3.5 工况X4计算结果分析 219
12.3.6 工况X5计算结果分析 220
12.4 秋季施工计算结果分析 220
12.4.1 计算工况设定 220
12.4.2 工况Q1计算结果分析 221
12.4.3 工况Q2计算结果分析 224
12.4.4 工况Q3计算结果分析 225
第13章 结论 226
13.1 创新点 226
13.2 结论和建议 227
13.2.1 结论 227
13.2.2 建议 228
13.3 推广应用前景 229
附录1 南水北调中线干线工程混凝土输水箱
涵施工操作指南（试行） 231
附录2 水工混凝土输水箱涵一体化施工
技术工法 259
参考文献 269

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