狭小空间高落差混凝土运输浇筑系统研究

2015-11-26王五洲郝保兴河南科源水利建设工程检测有限公司

河南水利与南水北调 2015年23期

□王茹 □王五洲 □郝保兴（河南科源水利建设工程检测有限公司）

0 引言

在目前工业、民用、道路、水电等基础工程的建设中，有时受地形及空间条件的影响，如山区深峡谷修建水工结构、地下峒室、隧道或竖井等工程，在浇筑混凝土时，常无法修建施工便道及临时施工场地，换言之，难以采用常规方案施工。此时，一般需要采取其他辅助或特殊的施工方法，若方案选择不当或缺乏理论、经验支撑时，往往会导致成本增加、施工效率低下或质量难以保证等问题。目前，针对搞落差浇筑混凝土方面，应用较为成熟的仍是考虑采用高落差向下泵（输）送混凝土方案，即利用自重将拌合好的混凝土通过溜管经缓流器从高处送往低处。这一方法对工作面要求低，大福减少泵送能耗，加快了混凝土浇筑速度，而对于混凝土在高落差下形成的高速度导致离析现象则可通过设置缓流器予以解决，该技术目前已在水利工程得到了较为广泛的应用。

当然，目前高落差向下泵（输）送混凝土技术仍然存在诸多问题，如缺乏系统的理论、试验研究以及数值分析等，特别是混凝土高落差下离析问题依然没有得到有效解决。为此，本文依托河口村水库泄洪洞进水塔工程，该工程存在施工作业面狭小，常规混凝土施工方案无法满足工程建设需求等诸多实际问题亟待解决，拟通过方案必比选、缓流器设计开发以及桁架稳定分析等角度展开研究，以便在确保混凝土性能的前提下，保障工程的顺利进行，缩短建设工期，从而提高工程的经济效益。

1 工程简介与施工方案

1.1 工程简介

河口村水库是一座以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电、改善河道基流等综合利用的大（2）型水利枢纽。工程沿坝轴线从右往左依次为混凝土面板堆石坝、溢洪道、引水发电洞、1#泄洪洞及2#泄洪洞，坝下游400 m的左岸布置有大、小电站厂房。其中，进水塔为2级建筑物，相邻两个进水塔高度分别为102m和86m，均为岸坡式建筑物，混凝土工程量13.20万m3，塔体采用限裂设计。进水塔混凝土运输系统的确立是本工程顺利实施的关键。

1.2 方案比选

混凝土熟料从拌和系统出来后经水平运输和垂直运输到浇筑作业面，施工中，需要根据地形、工程量、混凝土性质和企业能力等采用不同的运输方式。对于水平运输，中小型工程一般采用斗车或罐车，大型工程一般采用罐车、自卸汽车或皮带机运输；对于垂直运输，中小型工程一般采用溜槽、人工翻仓、汽车吊、输送泵等，大型工程一般采用塔式起重机、门式起重机、塔带机和缆机等。根据本工程的特点，拟定三种方案，分别是泵送方案、塔带机方案以及皮带机方案，分别进行技术与经济比较，详见表1。

由表1可知，结合施工场地狭窄，进水塔浇筑方量大，温控要求高等特点，从施工强度、成本控制等方面出发，最终确定优选皮带机方案，即皮带机、box管与仓面布料机联合混凝土运输方案，具体为：在施工道路旁架设皮带机（简称1#机）进行水平运输，通过铅直布设的box管进行垂直运输，box管的下端再架设一条皮带机（简称2#机）把混凝土输送给仓面布料机，3600旋转的仓面布料机两端挂直径420 mm的象鼻溜管进行仓面布料，当完成2～3个浇筑层（一般每层3 m）需要上升布料机时，用900 tm塔式起重机把2#皮带机和布料机提升布设，进行下一循环的作业。混凝土运输系统布置如图1所示。

表1 三种方案的技术、经济与效率比较表

图1 皮带机运输方案图

1.3 缓流器的设计

皮带机方案设计一个关键技术是如何高效合理缓冲高落差混凝土，以保证混凝土性能稳定。在生产中，已有科研人员提供一种用于混凝土垂直运输的缓冲装置，采用转动导叶和“人”形管，通过混凝土直接垂直落在转动导叶上进行缓冲，但这种缓冲装置不仅对转动导叶的强度要求很高，而且所采用的缓降装置，容易造成堵管现象，整体不能从根本上解决对管道的冲击，缓冲装置寿命大大降低。针对这一技术难题，如图2所示文章设计一种用于混凝土垂直运输的缓冲装置（缓降器）。缓降器可通过模具铸造，缓降原理为：由进料管和出料管并排放置连通而成，进料管的底端设有清料活门，进料管的中部开设有缓流口，出料管的顶部与进料管通过缓流口连通连接；进料管的顶部和出料管的底部设有连接法兰；进料管的顶部设有连接法兰，出料管的底部设有滑流口，滑流口的下侧的滑流板为倾斜放置，倾斜角度为10～15°；进料管和出料管管径为270～330 mm，缓流口的高度为450～550 mm；进料管上设有观察活门；清料活门与缓流口之间的缓冲段高度为400～750 mm。

图2 缓流器实物与结构示意图

采取该缓流器后，工程实践表明：一是在高落差、高坡度进行混凝土垂直运输过程中，一方面防止混凝土自由落体产生骨料分离，另一方面避免高落差对管壁和管下方的皮带机造成的严重的损伤；二是管道内的骨料不会自由落体下落，而会成为流体状，在管道中的流动相当于二次搅拌，使得混凝土混合更加均匀；三是不出现卡堵现象，可通过清料活门清除和更换缓冲材料，还设有观察活门，一方面对物料的流速进行调整观察，另一方面能够及时清理内腔；四是结构简单，安装方便，不需在高落差垂直运输时在中部修建中转站，缩减施工工期、降低施工成本。

2 桁架稳定性分析

2.1 计算模型与条件

混凝土运输系统竖直高度90 m，皮带机跨度69 m，一号刚站柱 (中心水平投影形心坐标X=25.88 m，Y=60 m)竖直高度取30 m，二号刚站柱(中心水平投影形心坐标X=49.88 m，Y=69 m)竖直高度取21 m。建模时，利用Ansys有限元分析软件，采用桁梁混合模型[5-6]对混凝土输送桁架进行建模，其中二力杆采用Link8杆单元模拟，生成空间桁架结构体系模型；考虑到实际的混凝土输送桁架结构中，连接主材的节点板或法兰的刚度通常很大，将主材作为刚接的梁单元，用梁单元Beam4来模拟。最终形成以link8和beam4两种单元类型组合形成的三维模型，模型共有单元934个，节点386个。模型中，设定的各部分材料属性，见表2。

表2 材料属性表

本次分析拟通过Ansys的有限元计算，确定垂直运输系统中的桁架结构（刚站柱、扶壁支撑、皮带机、布料机）的承载能力和稳定性。

2.2 计算结果分析

仿真计算结果如图3、图4和表3所示，其中图5为桁架结构变形图，桁架结构应力图，通过反演过程不同载荷的受力情况，分别为在自重荷载基础上分别增加48，144，240，432 kN。由计算结果可知，随着荷载的不断增加，当承受自重和432 kN的等效运输组合荷载时，单元最大应力18.341 MPa，18.341 MPa，接近桁架节点容许应力18.29 MPa；在此最大荷载下，能够满足混凝土运输浇筑的稳定需求。

图3 桁架结构最大承载变形图

3 结论

文章针对河口村水库进水塔施工场地狭窄，常规混凝土施工方案无法满足质量、强度、经济等需求的问题，通过多方案比选最终确定采用皮带机方案，并建立以皮带机、box管与仓面布料机联合桁架系统的混凝土运输浇筑体系。

针对该方案中存在的混凝土浇筑过程易出现离析的关键技术问题，设计了一种缓流器，有效实现了高落差混凝土浇筑的防离析保性能的目的。此外，针对桁架系统浇筑运输承载能力和稳定性问题，采用大型通用商业软件Anasys对其进行三维仿真计算与分析，结果表明该桁架系统稳定性佳，承载能力完全能够满足工程高峰时段混凝土运输浇筑的需求。