第2章 衬砌混凝土近代技术进步
2.1 衬砌混凝土技术发展概述
早期建设的水工隧洞，工程规模小，断面尺寸小，混凝土强度较低，都是采用木模板，并尽量在低温季节施工，施工进度慢，衬砌混凝土的温度裂缝相对较少。伴随着施工机械现代化和特大型水利水电工程建设的发展，水工隧洞建设规模和断面尺寸越来越大，而且随着坝高的增大，泄水的流速也越来越高，混凝土的强度等级也越来越高。由于西部开发区域山势险峻，只好尽可能扩大泄水隧洞的断面来解决泄洪问题。研究和实践表明，混凝土强度越高，越容易产生裂缝；断面越大，就不能仅依靠减小结构分缝间距来减小尺度比，从而达到减小约束和控制温度裂缝的目的。因而，近些年建设的大断面高强度水工隧洞衬砌混凝土，只要不采取有效的温控措施，几乎无一例外地都在施工期产生了大量裂缝，而且大多是贯穿性的。裂缝的存在严重威胁着水工隧洞的运行安全与寿命。由此引发了围绕着高强、抗冲耐磨、抗渗、抗冻、防裂等要求的水工隧洞衬砌混凝土高性能化的技术革新。
最早针对水工隧洞衬砌混凝土温控防裂，并结合高强、抗冲耐磨、抗渗和抗冻等要求开展混凝土高性能化技术研究的是三峡工程永久船闸输水洞，在借鉴大坝混凝土高掺粉煤灰并获得成功的经验基础上，进一步通过“高掺粉煤灰混凝土长期性能研究”（国家自然科学基金重大项目），根据船闸结构，利用混凝土的后期强度以及衬砌结构体积相对较小的特点，论证得出提高地下工程混凝土粉煤灰掺量是可行的[1]。三峡永久船闸输水隧洞在第一阶段（1999年），将R28300泵送混凝土技术方案由不掺粉煤灰方案改为掺加20%粉煤灰（国内首次在水工隧洞衬砌混凝土中采用），并通过配合比优化试验[2]，降低水胶比，减少胶凝材料47kg/m3，用73kg/m3粉煤灰代替水泥。据此分析，可降低混凝土绝热温升 5～7℃，降低 0.8m厚衬砌混凝土温升3～5℃，温控防裂效果明显。2000年2月，在有关单位开展大量研究的基础上，通过“三峡工程混凝土温控防裂专题会议”分析论证，确定“进一步优化混凝土配合比（含减水剂），放宽粉煤灰掺量的限制，尽量降低水泥用量，控制水化温升，减少温度裂缝”。2000年4月在北京召开的水工隧洞衬砌混凝土增大粉煤灰掺量和采用90d龄期设计专题论证会上，由院士、特聘专家和相关规范编制组成员组成的专家组结合三峡水利枢纽永久船闸实际情况进行了研究[3]和讨论，同意永久船闸衬砌混凝土采用90d龄期设计（国内首个采用90d龄期设计的水工隧洞工程）和粉煤灰掺量按 20%控制。根据会议意见，“设计联络会”决定：衬砌混凝土采用90d 龄期设计、粉煤灰掺量 20%、采用 14～18℃制冷混凝土（国内外首个采用制冷混凝土浇筑的水工隧洞），并要求进一步优化配合比，加强施工过程混凝土温控。2000年4月以后浇筑衬砌结构段，在采用上述措施（见第4章表4.11）的基础上进一步采取综合温控防裂方案，衬砌混凝土的内部最高温度下降了10.53～19.93℃（见第4章表4.22和表4.23），基本没有产生温度裂缝，温控防裂效果显著，而且混凝土强度和抗冲耐磨、抗渗、抗冻性能也得到保障。
借鉴三峡永久船闸输水洞衬砌混凝土温控防裂取得成功的经验，三峡地下电站有压引水洞衬砌混凝土施工从一开始，就针对施工中可能出现的问题（如施工性能、裂缝等）或者不足不断优化改进配合比（见第5章表5.3），逐渐增大粉煤灰掺量，从2001年8月开工时的10%逐步增大到 20%。在有压引水隧洞衬砌混凝土腰部附近及底部出现顺水流向规律性很强的轴向裂缝后，三峡工程开发总公司和参建各方高度重视，于2002年5月9日召开了三峡右岸地下电站进水口工程引水洞混凝土衬砌裂缝专题讨论会，2002年6月12日又召开了右岸地下电站进水口引水洞混凝土裂缝问题专题会议，确定进一步优化配合比，适当提高粉煤灰掺量采用90d龄期设计，选择3号引水洞拆除段（3-12B）为试验段[4-5]，改用R90300D250S10混凝土，粉煤灰掺量由20%提高到30%。永久衬砌混凝土粉煤灰掺量由20%提高到25%（见第五章表5.7）。采用综合措施后，引水洞衬砌混凝土最高温度逐步降低。混凝土实际观测的最高温度，召开专题会议前超过设计标准10℃左右，改进措施后逐步降低到设计允许的42℃范围，温度裂缝减少。2002年6月12日后续施工的1号、2号洞边顶拱的裂缝共计7条，平均3.5条，此前施工的4～6号洞共计53条，平均12条以上，即后续高温季节施工的1号、2号洞比其他洞室温度裂缝有明显减少。
溪洛渡水电站导流洞从2005年开始混凝土浇筑施工，借鉴三峡永久船闸输水洞衬砌混凝土温控防裂取得成功的经验后，采用90d龄期设计和提高粉煤灰掺量。施工期间混凝土经历了三次技术变革：①2005年9—12月，粉煤灰掺量为20%，底板共浇筑44仓，其中22仓发现裂缝，裂缝出现概率为50%；②2006年1—3月，混凝土龄期由28d调整为90d，粉煤灰掺量由20%调整为25%，底板共浇筑24仓，边顶拱共浇筑7仓，裂缝出现概率为43%；③2006年7—11月，边顶拱C9030混凝土粉煤灰掺量由原来的25%提高到30%，并边墙冷却水管埋设范围由距底板1.5m高调整到6m高度，夏季通人工制冷水[6-7]，底板共浇筑191仓，没有出现裂缝，边顶拱共浇筑105仓，15仓出现裂缝，裂缝出现概率为14.3%。可见，改90d龄期设计和高掺粉煤灰混凝土，并加强温控，防裂效果十分明显。
溪洛渡和向家坝水电站水工隧洞衬砌混凝土施工“主动防裂”，在泄洪洞和发电输水隧洞衬砌混凝土施工前，根据三峡水利枢纽永久船闸输水隧洞等温控防裂取得良好效果的经验，提出了一系列技术改进措施，包括：为降低混凝土温升，尽量利用混凝土的后期强度，泄洪洞混凝土设计龄期由28d调整为90d，粉煤灰掺量按25%控制，并认为经试验论证后可进一步提高到 30%；在泄洪洞高速水流部位采用掺粉煤灰低水胶比混凝土，补充抗气蚀性能试验，优化配合比；尽量采用常态混凝土；原则采用二级配，有条件的部位尽量采用三级配混凝土；泄洪洞混凝土采用中热水泥，同时研究低热水泥应用的合理性；综合论证硅粉混凝土、纤维混凝土和HF混凝土等的适应性。经大量试验研究和2009年5月召开的“溪洛渡和向家坝水电站抗冲耐磨混凝土技术交流暨专题咨询会议”论证认为，低热硅酸盐水泥具有水化热低、后期强度高和较好的抗冲耐磨的特性，应进行开展相关浇筑试验和应用研究[8]；泄洪洞龙落尾段、明渠段及挑坎过流面底板采用硅粉混凝土；其他部位混凝土采用高掺粉煤灰（掺量30%以内）。
三峡集团公司通过三峡水利枢纽工程、溪洛渡水电站、向家坝水电站水工隧洞工程为适应高强、抗冲耐磨、抗渗、抗冻等设计与运行要求，围绕着施工期衬砌混凝土温控防裂问题，提出了调整设计龄期以发挥粉煤灰后期强度、高掺粉煤灰、掺硅粉和其他外加剂改性、采用低热水泥等措施，在深入开展混凝土物理力学性能、抗冲耐磨、抗渗、热学、变形和防裂等性能研究基础上，结合工程实践，不断总结经验与提高，逐渐形成了适应水工隧洞各部位结构运行和施工温控防裂要求的高性能绿色衬砌混凝土（常态混凝土、泵送混凝土和高掺粉煤灰混凝土和硅粉混凝土系列），并结合不同工程的具体情况，先后制定了符合各工程特点的混凝土质量控制和原材料质量控制等一系列企业标准。