乌东德水电站尾水系统新型模板支撑体系设计与施工技术

(中国水利水电第六工程局有限公司，沈 阳，110179)

1 工程概况

乌东德水电站右岸地下电站尾水系统由尾水支洞、尾水调压室、尾水主洞等部分构成。从左至右分别有6个尾水支洞，3个尾水调压室，3个尾水主洞，混凝土约29.65万m3，钢筋制安约3.03万t。

尾水系统采用C9030W10F150混凝土分层分段浇筑，混凝土衬砌断面有城门洞型、矩形、井型等；衬砌厚度1.5m～4.5m，衬砌最大高度23m，衬砌跨度12m～14m。

尾水支洞及尾水主洞主要为矩形断面，顶拱一次性浇筑，浇筑净高度23m，浇筑净跨度12m，顶拱半径6m，混凝土厚度1.5m～4.5m，底板坡度12.4%～13.65%；尾水调压室底部岔管段浇筑跨度12m～14m.浇筑高度23m，边墙衬砌2.5m，阻抗板衬砌3.0m。

2 施工难点

(1)存在浇筑体积大，浇筑断面多样，结构复杂，浇筑难度大；

(2)顶部多为临空结构，浇筑厚度大，支撑材料用量大、利用率低，混凝土支撑承重结构复杂；

(3)高排架，跨度大，底板有较大坡度不易施工，施工安全系数较低。

3 施工难点对策

(1)针对浇筑断面多样，结构复杂，浇筑体积大等难点，优化支撑体系结构，制定专项支撑体系方案；

(2)针对顶部多为临空结构，浇筑厚度大，材料利用、混凝土支撑承重结构复杂等难点，认真分析复杂结构，经多次受力计算，提升材料利用率，组织研究小组专项分析研究解决方案；

(3)加强安全防护，制定专项安全防护方案。

4 支撑体系安装制作

4.1 尾水支洞及尾水主洞城门洞型支撑体系

尾水系统顶拱衬砌模板支撑体系采用“预埋型钢牛腿+纵向型钢+跨中钢管排架柱+横向型钢主受力梁+纵向型钢连系梁+满堂红支撑排架”构成的新型承重结构钢平台支撑体系。

(1)预埋牛腿：单仓在距底板面以上最大高度14m处两侧边墙平行于水平面的混凝土中各预埋一排I36b工字钢，分仓台阶型布置，间距0.75m，单根长度1.5m，埋入边墙混凝土内长度90cm，伸出混凝土面60cm；埋入端距端头10cm处焊接2根φ25@75cm钢筋，L=1.75m(含弯勾长度25cm)，为保护边墙混凝土面，在每根I36b工字钢底部与边墙混凝土接触面埋设0.14cm∠4×4角钢；

图1 尾水支洞及尾水主洞承重支撑体系断面

图2 尾水支洞及尾水主洞承重支撑体系平面

(2)凑合梁：凑合梁布置在牛腿与主梁之间，作承上启下受力及方便后期主梁拆除的作用。凑合梁采用2I20b工字钢，牛腿I36b工字钢上部纵向通长焊接2I20b工字钢，将牛腿连接形成整体；

(3)主梁：主梁采用I50a工字钢垂直于洞轴线方向铺设，两端与凑合梁焊接。2I20b工字钢顶部垂直洞轴线方向焊接I50a工字钢主受力梁，间距75cm，弯段内弧间距40cm，外弧间距75cm，与两侧边墙预埋牛腿一一对应；

(4)钢管排架柱：为减少主梁跨中弯矩，保证支撑体系稳定性，采取在主梁跨中布置钢管排架柱进行支撑。主梁的跨中部位布置两排φ326×10mm钢管柱支撑，钢管柱每六根采用焊接φ114×4mm钢管纵、横向连接形成整体，横向连接杆间距2.0m，纵向连接杆间距1.5m，横向斜撑连接2.80m；钢管柱底部切割成斜面，使钢管柱置于底板上保持铅垂方向，柱脚斜面上焊接10mm厚50cm×50cm钢板(长×宽)增大受力面积，并焊接10mm厚异形加劲板加强；支撑柱顶部通长布置2I36b工字钢，工字钢与钢管柱对应位置设10mm厚钢板法兰，钢管柱与2I36b工字钢采用螺栓连接方便拆卸后重复使用；

(5)两侧2I20b工字钢顶部与I50a工字钢主受力梁焊接，底部与I36b工字钢埋件焊接，并保证所有焊缝满足相关规范要求；

(6)副梁：I50a工字钢主梁顶部采用[10槽钢沿洞轴线方向连接形成整体，[10槽钢间距60cm；[10槽钢底部及钢管柱上2I36b工字钢顶部与I50a工字钢相接处均设置10mm厚钢板卡槽，单块钢板尺寸为200mm×100mm×10mm(长×宽×厚)，钢板中部焊接10mm厚三角形加劲板加强；

(7)满堂支撑架：在形成的钢平台上布设满堂红支撑架，均匀分布受力传递钢平台。[10槽钢顶部搭设满堂红支撑排架，排架采用φ48，壁厚不小于3.24mm的钢管，排架立杆落于每根[10槽钢与I50a工字钢交点位置，即排架立杆间排距为0.75m×0.6m，步距1m，每根立杆底部对应[10槽钢上焊接φ28、L=10cm的短钢筋，防止立杆位移。

4.2 尾水调压室阻抗板支撑体系

两侧边墙预埋型钢牛腿，预埋型钢牛腿间距0.75m，型钢牛腿纵向凑合梁采用I20b工字钢连接，洞室跨中增加钢管排架柱进行支撑，立柱高21.98m，钢柱顶部纵向凑合梁采用I36a工字钢连接，由I50a工字钢间距0.75m作为洞室横向支撑梁，主梁之上纵向连接梁(方木间距0.20m)构成新型承重结构钢平台支撑体系。

图3 尾水调压室承重支撑体系断面

图4 尾水调压室承重支撑体系平面

(1)预埋牛腿：在两侧边墙混凝土中距底板21.78m处的混凝土中预埋I36b工字钢牛腿，单根长度1.5m，间距0.75m，埋入混凝土内长度90cm，伸出混凝土面60cm；埋入端距端头10cm处焊接2根φ25@75cm钢筋，L=1.75m(含弯勾长度25cm)，为保护边墙混凝土面，在每根I36b工字钢底部与边墙混凝土接触面埋设0.14cm∠4×4角钢，牛腿I36b工字钢上部纵向通长焊接2I20b工字钢，将牛腿连接形成整体；

(2)凑合梁：凑合梁布置在牛腿与主梁之间，作承上启下受力及方便后期主梁拆除的作用。凑合梁采用2I20b工字钢，底部与牛腿I36b工字钢焊接，顶部垂直洞轴线方向与I50a工字钢主受力梁焊接，并保证所有焊缝满足相关规范要求；

(3)钢管排架柱：为减少主梁跨中弯矩，保证支撑体系稳定性，采取在主梁跨中布置钢管排架柱进行支撑。钢管排架柱由φ325×6mm承重钢管及φ114×4mm连系钢管制作双排支撑体系；承重钢管间排距为2m×1.5m，纵向及横向采用φ114×4mm连系钢管水平焊接，跨距为1.83m，跨内斜撑加密，钢管排架柱总高度为22.04m。承重钢管底部焊接10mm厚50cm×50cm钢板(长×宽)增大受力面积；顶部采用2I36b工字钢纵向连接形成整体；

(4)主梁：主梁采用I50a工字钢垂直于洞轴线方向铺设，两端与凑合梁焊接，间距为75cm，弯段内弧间距39cm，外弧间距68cm。主梁与牛腿一一对应；

(5)副梁：副梁采用10cm×12cm方木，沿洞轴线方向铺设在主梁上，间距20cm，副梁顶部铺设模板。

4.3 施工工艺流程

预埋型钢牛腿→纵向凑合梁安装焊接→钢立柱制作安装→钢立柱纵向连接梁安装→主梁安装→副梁安装→满堂支撑排架安装→安全防护安装→安全验收→立堵头支模板→混凝土浇筑→拆模及养护→清理及缺陷处理。

5 支撑体系拆除

尾水调压室阻抗板衬砌施工完成且达到龄期后，可对系统钢支撑体系进行拆除，采用2台25t汽车吊人工辅助进行拆除。拆除程序为：纵向I20b及纵向I36b工字钢拆除→木方、模板拆除→I50a工字钢主梁拆除→钢管排架柱拆除。

5.1 纵向I20b及纵向I36b工字钢凑合梁拆除

阻抗板模板支撑体系两侧牛腿上部各设有2根I20b纵向凑合梁，中部钢管排架柱上部设有4根I36b纵向凑合梁(或流道两侧钢管排架柱上部设有的8根I36b纵向凑合梁)，支撑体系拆除时，先利用气焊将凑合梁腹板切割为两半，将上部翼板分解抽出，利用25t汽车吊将其吊下放置在尾调室底板相应位置，下部翼板保留作为I50a主梁支撑轨道。切割时使用25t汽车吊人工切割(由左至右依次切割)，切割跨中两侧时另一侧使用25t汽车吊托撑I50a工字钢并固定防止突然坠落，切割后将I50a工字钢缓慢降至下部翼板。

5.2 木方及木模板拆除

凑合梁上半部分抽出后，主梁下降至下部翼板轨道上，支撑体系上部木方下沉约10cm，利用25t汽车吊配合人工将木方抽出，同时将木方上部木模板按块拆除，运送至底板相应位置，木方拆除后采用5t手拉葫芦配合25t汽车吊将I50a工字钢倾倒放置。

5.3 I50a工字钢主梁拆除

木方及模板拆除完成后，采用2台汽车吊(装有吊框)对I50a主梁进行拆除。主梁拆除前，在两台汽车吊吊框上部各焊接两根φ36，L=0.2m长短钢筋，钢筋须与汽车吊吊框焊接牢固，并在I50a工字钢上部左右侧利用φ22钢筋各焊接一个直径10cm的拉环。主梁拆除时，两台吊车分别移动至钢管排架柱左右侧，将吊框移动至主梁处，利用5t手拉葫芦将I50a工字钢沿下部支撑轨道移动至轨道边缘，人工利用φ10钢丝绳通过I50a工字钢上部拉环及吊框上部短钢筋将工字钢绑扎到吊框上，并用扣件绑扎，绑扎牢固后，两侧吊车同时伸缩，将I50a工字钢拆除，缓慢下降，最后利用塔吊将工字钢放置底板相应位置。

5.4 钢管排架柱拆除

主梁拆除后将剩余凑合梁整体拆除，然后利用25t汽车吊配合φ15钢丝绳对钢管排架柱进行拆除，钢管排架柱分两层进行拆除，第一层高度12m(两节)，第二层高度10m。

5.5 25t汽车吊计算

单根12mI50a工字钢重量为：106×12=1.272t。

单套12m钢管立柱重量为：12×47.7+10.85×(16×2×1.5+14×3×2)=2.00t。

单根φ15mm钢丝绳一个固定点计算，钢丝绳采用6×37+FC钢丝绳，钢丝绳公称抗拉强度为1850MPa，单根φ15mm钢丝绳最大破断力总和为：157.5×0.82=129.15kN，安全系数为：129.15kN/20kN=6.5，根据《建筑施工手册》第四版可知，钢丝绳用作吊索，无弯曲时安全系数为6～7，因此，满足要求。

由汽车吊性能可知，最大工作半径16m，最大吊臂长度31.5m，即当垂直距离为25.5m，可起吊最大重量为2.3t(安装拆除最大吊装2.00t，最大垂直距离为23m)，满足起吊需要。

6 安全施工措施

(1)加强安全教育，提高全员的安全意识，严格按照安全操作规程施工，严禁违章作业、违规作业，制止盲目蛮干；

(2)操作人员应持证上岗，操作时必须佩带安全帽、安全带(在搭建脚手架平台高出3m后施工人员必须系好安全带)、穿防滑鞋；

(3)支撑体系搭设完毕，必须由技术部门、质检部门、安全监督部门进行检查验收，报监理机构现场检查后签证，通过验收后挂牌投入使用；

(4)支撑体系搭设完毕开始架上作业时，应随时清理架上材料，不要乱放材料和工具，防止影响架上正常作业和坠物伤人；严禁在架上嬉戏、打闹，注意保持身体平衡；运送材料时应相互提醒、避让；架上作业应严格按照设计规定荷载使用，严禁超载，并注意荷载对称、均匀分布；

(5)作业层及施工通道应铺设脚手板，脚手板的铺设应平稳，不得有空隙和探头板；各作业层之间应设置可靠的防护棚架，以防止上层坠物伤及下层工作人员；遇有节点松动、架子歪斜、杆件变形等问题，在问题解决之前应停止使用操作架；

(6)架上应设有足够的照明设施；主要通道应设有路灯，所有照明设施须采用36V安全电压；

(7)架上施工作业人员，都要设专人指挥，作业人员要服从统一指挥，不得自行其是；

(8)施工时要划出警戒范围，做好警示警戒工作并由专人指挥，作业人员要服从统一指挥，非作业人员严禁入内；

(9)加强操作架日常维护和安全保护工作，以防操作架人为破坏。

7 结语

乌东德尾水系统目前已完成一个尾水调压室阻抗板衬砌施工，采用新型承重结构体系，浇筑效果良好，达到了预期支撑浇筑效果。在保证工程质量的同时，优化支撑体系结构，不但能够提高模板支撑体系搭设时间，使施工成本大幅度降低，大幅加快施工进度，还能降低施工难度。各工序作业循环时间缩短(10%～20%)，为右岸尾水系统按时完成施工目标提供了有力的基础保障，同时提升了经济效益，减少约210万元材料费用，缩减总工期约140d。

鉴于浇筑结构复杂、断面多样、多临空面浇筑，在结构计算过程中，技术人员通过多次受力计算，通过优化支撑体系达到样板工程，保障施工安全，在后续大体积混凝土衬砌施工中，还待进一步优化承重结构，加强质量控制和技术探讨。

〔1〕DL/J 5099-2011，水工建筑物地下开挖工程施工技术规范[S].北京：中国电力出版社，2011.

〔2〕全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册[M].北京：中国电力出版社，2002.

〔3〕GB50017-2014，钢结构设计规范[S].

〔4〕JGJ130-2011，建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].