宗格鲁水电站重力坝模板设计与施工

雷 鸣

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000)

宗格鲁（Zungeru）水电站位于尼日利亚联邦共和国尼日尔州宗格鲁镇东北17 km的卡杜纳（Kaduna）河上，其上游77 km为已建成运行的希罗罗（Shiroro）水电站。宗格鲁水电站是一座兼有发电、防洪、灌溉、养殖、航运等多用途的水电工程，电站装机容量700 MW，正常蓄水位230.00 m，设计洪水位230.00 m，校核洪水位 231.00 m，死水位 223.00 m，工程总库容为114.19×108m3，正常蓄水位对应库容 109.1×108m3，死库容为 82.43×108m3，具有多年调节性能。拦河大坝碾压混凝土重力坝顶宽10 m，顶高程233.00 m，最大坝高90.0 m，坝体上游面竖直，下游面坡比为1：0.8。坝体内设排水廊道及灌浆廊道，坝体采用“金包银”形式，坝体内部采用碾压混凝土，上下游面采用常态混凝土。大坝每20 m分缝，缝内设止水带。为增加防渗效果，在坝体上游侧5 m范围内，相邻碾压层（层厚30 cm）间须铺设水泥砂浆。宗格鲁水电站重力坝为大体积混凝土现浇结构，结构截面形状与一般水电站不同，模板设计不当便会增加拉螺杆加固施工荷载。所以，该工程重力坝模板结构型式设计与施工方案的选择对工程施工质量、施工效率至关重要。

1 模板方案设计

1.1 模板方案选择

宗格鲁水电站工程重力坝结构为大体积混凝土现浇型式，加固施工荷载不能采用对拉螺杆模板，结构截面形状也较为特殊，包括倾坡、后仰坡和竖直墙等。坝段间结构缝处存在混凝土楔键，必须安装止水带，所以工程重力坝模板方案的选择对于工程质量和施工成本非常重要。

碾压混凝土施工中，拟采用以下几种型式模板：（1）重力坝上游面及横缝面采用连续上升可调式翻转大模板，局部地方采用组合钢模板，与坝基基岩面接触部位采用木模补缝；（2）碾压混凝土重力坝下游台阶式常态混凝土，采用悬臂式定型钢模，面板采用P3015模板拼装，挑流坎、WES堰面采用小钢模拼接；（3）溢流坝段下游外侧斜坡面采用滑模；（4）局部不能使用翻转大模板和悬臂式定型钢模的采用小钢模及木模板补充；（5）灌浆廊道、排水廊道、交通廊道等部位采用预制混凝土模板。

1.2 模板结构设计

工程重力坝悬臂钢模板包括大钢模板和悬臂架子两部分，其中每块大钢模板幅面尺寸3 m×3 m，面板为Q235型6 mm厚钢板，竖肋选用8号热钆槽钢，横肋则选择80 mm×6 mm的钢带，在模板横背楞共设置三道横竖肋。而悬臂架子主要包括模板连接器、螺杆机构、模板调高机、横竖向背楞、锚固系统、退模系统、主三脚架及滞后系统等部分。

2 关键部件验算

本工程重力坝重点部位均采用悬臂钢模板，悬臂钢模板的设计计算主要包括大钢模板、横背楞、主背楞、主三角架、锚固系统、受力螺栓等[1]，其对重力坝模板的质量和安全起决定性作用。大钢模板结构设计及强度、钢度的确定均按照《全大钢模板应用技术规程》（DBJ01-89-2004）进行，而横背楞、主三角架、受力螺栓的设计则基于悬臂大钢模板有针对性的进行。

2.1 横背楞

2.1.1 计算荷载

横背楞是指基于竖向主梁支座的连续梁，计算简图见图1。

图1 横背楞弯矩图

横背楞上的均布线荷载按下式计算：

式中：lmax为横背楞间距最大值，取lmax=1175 mm；Fmax为模板版面所承受的混凝土侧压力最大值，取Fmax=58.5 kN/m2。

计算得：qmax=58.5×10-3×1175=70.5N/mm。

2.1.2 强度计算与验算

按下式进行强度计算：

式中：Mmax为横背楞弯矩最大值；rx为截面塑性变化系数，取rx=1.0；wx为弯矩平面内横背楞净截面抵抗矩，由于本工程横背楞采用双排 16a 槽钢，所以 wx=109.5×103×2mm3。

对于本工程3 m宽的大纲模板而言，其：

2.1.3 挠度验算

（1）悬臂部分

对于α=600 mm的最大悬臂，16 a槽钢Ix=867.5×104mm4，此外：

故符合要求。

（2）跨中部分

故符合要求。

2.2 主三角架

主三角架常用于承放模板及模板荷载、模板施工人员站立、行走和操作工具的堆放，主三角架随工程结构的上升而提升，两榀三角架所构成的整体通过Φ48钢管连接，并通过陀螺将主三角架悬挂于受力螺栓之上后，将受力螺栓与爬锥、预埋螺栓连接。

2.2.1 主三角架受力分析

G模表示重力坝大钢模板与竖向主背楞自重，主三角架承受着模板传递给竖向主背楞的施工荷载，本工程中每榀主三角架所承受的大纲模板和竖向主背楞自重荷载为10000 N（1000 kg），G架表示悬臂架重量，每榀主三角架所承受的悬臂架子重量荷载约为7500 N（750 kg），qs表示施工荷载，每榀主三角架所承受的施工荷载约3750 N/mm（375 kg/m），详见图2。此外还包括受力螺栓产生的拉力与支撑力（TDX、TDY），墙面对主三角架的支撑力（NEX），退模系统的作用力（NBX、N’BX、NBY、N’BY），花篮螺杆的作用力（NA、NC）等[2]。

图2 主三角架受力分析

2.2.2 荷载计算

结合大模板与竖向主背楞受力情况，根据静力平衡条件可以得到以下公式：

2.3 受力螺栓安全验算

受力螺栓作为承受水电站重力坝悬臂钢模板全部荷载的关键性部件，除了同时承受弯曲应力、剪应力和拉应力外，还承受着高频率激振力和冲击力，所以受力螺栓的力学性能直接影响并决定着悬臂钢模板的安全程度。本水电站工程采用40Cr钢材料，调制过程中通过盐浴加热并在油中冷却，随后高温回火，获得硬度为35 HRC～40 HRC的回火索氏体金相显微组织，热处理结束后，还需通过超声波探伤。

重力坝模板的安全程度取决于受力螺栓混凝土强度，爬锥螺纹通常为中等旋合长度，只要其与受力螺栓及预埋螺栓强度适当，则其强度足以，无需进行爬锥的强度校核[3]。受力螺栓承受着自悬臂模板的拉应力和剪应力，又要承受混凝土振捣时所产生的的激振力。本工程采用40 Cr钢材料，根据《机械设计手册》并结合工程实际调整后其抗剪强度[rb]=750～850 N/mm2，极限抗拉强度[σb]=890～980 N/mm2，屈服强度[σs]=758 N/mm2。

2.3.1 受力螺栓最大剪应力

式中：TDY为受力螺栓承受的最大剪力值，根据本水电站工程悬臂架子受力情况，TDY≈25735N；Ds为受力螺栓的直径，Ds=35 mm。

2.3.2 受力螺栓拉应力

式中：TDr为受力螺栓承受的而拉应力最大值，结合工程悬臂架子受力情况，TDr≈409178.8N。

2.3.3 受力螺栓模态分析

混凝土振捣过程中激振力通过模板和悬臂架子传递至受力螺栓，引起螺栓沿轴线方向的运动，振捣器频率和受力螺栓频率相同时出现的共振现象将大大影响受力螺栓的使用寿命，为此必须对反复周转使用螺栓的受力模态进行分析，指导工程施工。

受力螺栓一端固定而另一端自由，螺栓杆受到f(x,t)激振力作用后发生纵向震动，将x截面的位移表示为u(x,t)，其为截面位置x和时间t的函数，螺栓杆纵向振动的偏微分方程为：

式中：ρ为受力螺栓单位体积质量，ρ=6.97×104N/m3；E为钢的弹性模量，E=2.13×1011N/m2；A 为受力螺栓危险面截面积，A=1.105×10-3m2。

螺栓杆的频率固定值如下：

式中：L—受力螺栓长度有效值，L=0.155 m。

此外，所对应的振型函数为：

将 ρ、E、A 及 L 的值分别带入式（13）和（14），则求得前三阶受力螺栓杆频率固定值和振型函数具体值为：

ω1≈4.13×104Hz，ω2≈1.32×105Hz，ω3≈2.11×105Hz；

U1（x）=sin(11.678x)，U2（x）=sin(36.9x)，U3（x）=sin(63.82x)。

通过分析反复周转使用螺栓的受力模态可知，受力螺栓固有频率比混凝土振捣器振捣频率要大，所以两者频率相同而引发共振的现象不可能发生，可见，混凝土振捣过程中所产生的激振力对受力螺栓寿命的不利影响可以忽略不计。

3 模板施工难点分析

宗格鲁△水电站工程悬臂大钢模板施工中主要面临以下难点：重力面39.6 m高程位置后仰牛腿支模和拆模以及重力坝面自下而上凹廊模板的配置。

3.1 后仰牛腿支模和拆模

与其他模板结构相比，后仰牛腿支模与拆模结构体系复杂，这也是悬臂模板体系的特征之一，△为确保支模与拆模质量，本工程专门设计制作了适合重力面39.6 m高程位置的后仰三角挂架，设置在主三角架前端，解决支模与拆模问题。混凝土浇筑过程中，于退模系统上方混凝土垂直埋设Ф45 mm×3 mm钢管，拆模时先拆大钢模板，待其吊走后，再用吊装机拆掉悬臂架。

3.2 凹廊模板配置

重力坝面自下而上凹廊宽4.0 m，进深5.59 m，悬臂大钢模板施工过程中，角模与钢模板之间采用子母口搭接和螺栓连接，并通过直角芯带加固。为确保阳角不漏浆，应采用专用的拉结件并加强海绵条压边，为承载钢模板，凹廊两侧应采用小三角挂架，并用可调节的顶撑模板支顶以承载混凝土对模板的侧压。

4 结论

宗格鲁水电站结构采用悬臂大钢模板施工确保了工程质量，加快了施工进度，劳动强度有效降低，尤其增加了重力坝大尺寸牛腿位置施工的安全与快捷，无需搭设脚手架，同时狭窄凹廊模板的支拆也能有效承载混凝土重力坝对模板的测压力。实践证明，当前国内水工建筑物重力坝施工中，悬臂钢模板安全、方便，优势显著，值得推广。