一种基于缆索的堆石混凝土堆石入仓方式及应用

陈长久 ，安雪晖 ，闭忠明 ，朱建生 ，于玉贞

(1.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，100084，北京；2.北京华实水木科技有限公司，100082，北京；3.中国水利水电第八工程局有限公司，410007，长沙)

堆石混凝土是一种新型大体积混凝土施工方式，以自密实混凝土在堆石体中流动充满堆石体形成完整的混凝土。根据堆石混凝土施工工艺的特点，堆石入仓对于施工质量和施工速度都具有重要影响。堆石入仓主要解决的是堆石体垂直、水平、上下游方向的三维运输问题，从现有工程实施经验看，主要用到的堆石入仓方案有：

①自卸汽车入仓挖机辅助平仓的方式。采用汽车运输堆石体直接进入浇筑仓面，自卸完成后由挖机辅助转运均匀堆放在浇筑仓面内，实现平仓。该方式施工速度快，成本低，但是一般会存在杂物混合石料一起进仓问题，需要加强堆石质量监控，及时清除带入的混合石料等杂物。在具备汽车直接上坝条件的施工中应用较多，如清峪水库、围滩水电站工程。在施工高程较高且不具备修筑上坝公路的施工中难以应用。

②塔吊。先用装载机将堆石体装入吊斗中，然后通过塔吊将吊斗运输至仓面指定位置，打开吊斗卸料。该方式一次性完成堆石体的垂直、水平和上下游运输，且堆石质量易于控制。由于单次作业周期长，堆石效率较低，且成本高。适用于不具备直接入仓条件的堆石混凝土施工，比如恒山水库、长坑水库后期施工。

本文介绍了一种基于缆索的堆石混凝土堆石入仓方式。

一、工程概况

安徽大龙潭水库的拦水坝坝体原为浆砌石抛物线型双曲拱坝，最大坝高64.5 m，坝顶弧长185.49 m，坝底厚13.0 m，坝顶厚3.0 m。 2012年开始，在原拱坝下游背水面采用堆石混凝土加厚坝体。工程项目地理位置较为特殊，主要体现在以下几点：

①从河道开辟的进场公路狭窄且基础不牢固，大型器械设备装运进场困难；并且坝下基坑的施工作业面积狭小，给大型设备的安装带来极大不便。

②在高程267.0 m （基岩面）至285.0 m部位的坝体堆石原采用长臂挖机进行，随着坝面高程的上升和仓面弧长的加大，在285.0 m高程以上部位长臂挖机运送石料进仓时的臂展角度已达到临界值，石料在挖机斗里容易产生晃动导致其从高空滑落，给安全施工带来隐患，因此无法满足更高部位的施工需求。

③堆石混凝土加厚坝体的最大设计宽度4.2 m，坝顶宽度不足2 m，并且两岸山体险峻陡峭，岩层走势不规则，无法铺修新的上坝道路，因此无法使用自卸汽车进行仓面堆石。根据现场情况，为保证现场施工的正常运转，通过各方专家多次开会研讨，对多种方案的可行性及经济成本进行排查分析，最终确定采用架空缆索起重方案进行285.0 m高程以上部位的施工。

二、基于缆索的堆石系统

1.缆索设备构造

通过在山体上设置锚固装置，架设索道，将索道作为承载绳，通过卷扬机、滑轮装置等起重吊装堆石入仓。图1是缆索设备的布置示意图。

缆索设备通过三向运动将堆石吊运至指定仓面位置。考虑到工作效率，溢流面底部高程以上不采用此种方式进行堆石。该套索道设备设计起重量为6t，最大提升高度为65m，斜拉最大距离11.17m，斜拉最大偏角14.5°。

2.堆石流程

采用缆索设备进行堆石入仓的施工流程如下：

①堆石运输。采用自卸汽车将块石运送到施工基坑处供使用。

②堆石冲洗。人工对堆石料进行冲洗，冲掉石料表面附着的泥土等杂物。

③堆石筛选。通过挖机对堆石料进行翻滚筛选，避免小粒径石头集中，控制堆石粒径在30 cm以上。

④堆石入仓。基于缆索将堆石运入浇筑仓内：a.采用挖机将石料装运到吊篮至满，将吊篮螺丝拧紧，耗时约3 min；b.将吊篮提升至一定高度后，通过上游牵引索将吊篮拉至浇筑仓上空，然后下放吊篮至仓面，约6 min（随浇筑高程的增加而逐渐增大）；c.轻缓放下吊篮，并松开螺丝，将石料卸下，耗时约 3 min；d.吊篮返回，约 3 min。

每一次堆石循环耗时约15 min，并随着坝体高程的增加而逐渐增大。

⑤人工平仓。根据仓面堆石的情况，由人工辅助平整仓面，使仓面充分堆石，且堆石高度一致。

3.安全事项

缆机安装完成后，需要空载试运转，试运转完成后再满载试吊。试吊时，应有专人观察地锚及钢丝绳的工作情况，发现异常情况要及时中止。

缆机属特种设备，易损伤。需经常进行安全检查，以防止安全事故的发生。地锚、上下游斜拉钢丝绳、卷扬机滚筒上的钢丝绳等是缆机安全检查的重点。发现异常情况要及时处理，不得让吊装系统带病运转。

吊装系统进行吊装作业时必须统一指挥、统一行动，不得随意蛮干。

三、工艺效果

为了综合评价基于缆索的堆石入仓方式，在施工过程中对堆石工艺的运行效率和成本进行了统计，结合河北省石河水库除险加固工程中塔吊堆石入仓的运行情况，对比了挖机、缆索、塔吊三种堆石入仓方式的效率和成本，详细结果如下：

1.堆石效率

从三种堆石入仓施工的原始记录数据中选取了15个仓面的堆石数据，对比结果表明：塔吊堆石入仓施工速度最快；缆索堆石入仓速率居中，高于挖机直接堆石入仓的方式；长臂挖机料斗容量小，为缆索吊斗的1/5，加之垂直水平距离运输，因而堆石效率低。

2.堆石成本

（1）设备投入固定成本

根据表1数据分别计算三种堆石工艺每月设备投入的固定成本：

①采购设备按照年限平均法进行折旧。月折旧率=（1-预计净残值率）÷预计使用寿命÷12，其中，预计净残值率取5%，预计使用寿命为10年。

②安装费用按照工期进行均摊。

③堆石工艺设备投入的月固定成本=月折旧额+月安装费+租金+维护保养费。

图1 缆索设备布置示意图

计算结果如图2所示。从图表可以看出：①长臂挖机堆石入仓方式设备投入的月固定成本高，跟工期长短不直接相关。②缆索和塔吊堆石入仓方式由于涉及一次投入的成本摊销，随着工期的增长，设备投入的月固定成本降低。③工期较短时，塔吊设备投入的月固定成本一般低于缆索。同样情况下，当工期较长时，缆索设备投入的月固定成本会优于塔吊。

（2）单方堆石成本

从表2中可以看出：塔吊的单方堆石成本最低，缆索次之，挖机的单方堆石成本最高。

（3）单方堆石总成本

单方堆石总成本=月固定成本÷月堆石方量+堆石成本。

在月固定成本一定的情况下，由于堆石成本由堆石工艺决定，因此，随着月堆石方量的增加，单方堆石的总成本会降低。塔吊的堆石效率高，因此当月堆石方量需求高时，使用塔吊能够降低单方堆石的总成本。

图2 堆石工艺设备的月固定成本

根据以上分析结果可以得出：

①长臂挖机每月设备投入的固定成本高，且单方堆石成本也高，所以单方堆石的总成本也高，仅适用于满足短期的临时堆石需求。

②相对于塔吊，工期较长时缆索堆石入仓方式每月的设备固定成本低；当月堆石方量需求高时，塔吊单方堆石的综合成本低于缆索堆石入仓方式。

3.技术优势

通过该工程的实际应用，发现采用缆索设备进行堆石施工具有以下优势：

①缆索设备运输方便，普通道路即可运送设备进场。

②对坝下基坑的作业面积要求很小，与该工程作业面特点十分吻合。

③与塔吊相比缆索的安装不需要配置紧密的施工设备，便利且快捷；由于是架空作业，所以对大坝其余部位的施工没有影响，可以同步进行作业。

表1 堆石工艺设备投入成本表

表2 堆石工艺单方堆石成本表

④缆索采用架空起重进行作业，无需在山体上铺设新的上坝道路，不仅节约了工期，还可以通过缆索运送模板、钢筋等材料，包括堆石混凝土施工中的自密实混凝土浇筑，一举多得。

⑤该工程方量小，施工速度慢，资金投入量不大，采用缆索堆石入仓方式成本较低，实现了资源的最大优化配置。

四、结 论

①缆索堆石入仓的施工速率低于塔吊堆石入仓方式，高于长臂挖机堆石入仓方式。

②由于涉及一次投入的成本摊销，随着工期的增长缆索堆石入仓设备投入的月固定成本降低，当工期较长时，每月设备投入的固定成本低于塔吊堆石入仓方式。

③缆索堆石入仓的单方堆石成本高于塔吊，当月堆石方量高时，缆索单方堆石的总成本高于塔吊堆石入仓。

④基于缆索的堆石入仓方式适用于工期较长、施工速度要求不高的堆石混凝土工程施工。为了解决堆石垂直运输问题，挖机、缆索、塔吊三种堆石入仓方案相比，长臂挖机仅适用于短期的临时堆石需求，对于中长期的堆石需求，缆索和塔吊的方式综合运行成本较低。相对于塔吊，缆索适用于工期较长、堆石效率要求不高的堆石混凝土施工，单方堆石综合成本低。

[1]安雪晖,黄绵松,周虎,金峰.堆石混凝土施工技术综述[R].中国土木工程学会全国混凝土新技术及其工程应用技术交流会暨2007年年会,2007.

[2]侯艳芬.堆石混凝土坝体施工的监理控制技术[J].建设监理,2010（9）.

[3]金峰,周虎,安雪晖,等.堆石混凝土技术新进展 [R].水利水电工程新技术推广研讨会暨中国水利学会水工结构专业委员会第九次年会,2010.