溢洪道大体积混凝土浇筑安全分析

□耿鹏宇 杜雅琪 皇甫泽华 易 磊

（1河南省水利第二工程局；2河南省前坪水库建设管理局）

1 工程概况

前坪水库位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游、河南省洛阳市汝阳县县城以西9 km 的前坪村，是以防洪为主，综合灌溉、供水、兼顾发电的大型水库。工程主要包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。前坪水库总容量为5.84亿m3，最大坝高90.30 m，规模为大（2）型水库，工程等别为Ⅱ等；主坝为1级建筑物，其他主要建筑物级别为2级（包括溢洪道）。根据工程的总体布置，溢洪道位于左岸山体。工程主要包括进水渠段、进口翼墙段、控制段、泄槽段、消能工段等。

前坪水库溢洪道左岸进口翼墙分为五部分，分别为：扭坡1 段、扭坡2 段、扭坡3 段、衡重式直墙1 段和2 段。其中，衡重式直墙1段和2段方量同为3 077 m3。

左岸进口翼墙衡重式直墙1 段，长19.97 m，高24.50 m，底宽5 m，边坡为1：0.50。翼墙边坡长26.80 m，采取挂网喷护。锚杆长度9 m，锚杆孔深8 m，钢筋直径25 mm，螺纹钢，间距3 m，排距3 m，呈梅花状布置。▽415 处是承重台，直墙顶宽1 m、▽423.5；向里向下延伸至▽415承重台，坡比1：0.30。

左岸进口翼墙衡重式直墙1段分为四仓进行浇筑，采用串桶和吊车共同浇筑方式。第一仓，桩号溢0-020—溢0-040，高程▽399—▽407.1，总方量1 133 m3。

2 混凝土浇筑能力分析

浇筑采用吊车浇筑和边坡串桶浇筑同时进行的浇筑方式，采用HZS60 混凝土搅拌站和ZN70 型8 m 振捣棒，每班浇筑人员18人。

拌和站采用郑州市长城机械制造有限公司提供的HZS60混凝土搅拌站，工作循环时间60 s，理论生产量60 m3/h。工作中拌和站拌和时间为90 s，1.50 m3/盘。

水平运输采用四辆9 m3罐车，垂直运输采用50 t 吊车，吊罐规格2 m3/罐。

入仓效率，拌和站每拌和9 m3混凝土需要约12-13 min，吊车入仓9 m3料需要约35-40 min，串桶入仓9 m3料需要约12-15 min，罐车往返时间约12 min（吊车位置）和23 min（串桶位置）。由此可见，入仓最高效率为45 m3/h。

分层浇筑，逐层振捣。由于仓位底面积较大，高度8.10 m，所以，现场布置八个ZN70型8 m振捣棒，每层浇筑厚道≤50 cm。

3 混凝土浇筑安全分析

3.1 仓位情况

左岸进口翼墙衡重式直墙1段第一仓，高8.10 m，底宽5 m，上口宽9.05 m，计算总方量为1 133 m3。仓内9 m锚杆三排，六根/排，呈梅花状布置，每根外露锚杆均有直径14 mm螺纹钢拉筋与模板螺栓（高强全丝拉杆D=14）焊接。

3.2 锚杆拉拔试验

3.2.1 试验标准

按照设计要求，锚杆承拉力≥110 kN。

3.2.2 检测结果

委托河南方圆水电质量检测有限公司对左岸边坡9 m 锚杆随机抽取3 根进行拉拔试验。采用钢板尺（200 mm）和拉拔仪（SW—300），依据《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ145—2013），设定荷载设计值120 kN，三个点的检测结果分别为119.60 kN，118.30 kN，119.96 kN。

当拉力达到该设定荷载设计值（120 kN）时，岩石基材无裂缝，植筋、锚栓未滑移，且持荷2 min后荷载降低≤5%，3根钢筋的锚固植筋质量满足JGJ145—2013规程要求。

3.3 模板侧压力计算

混凝土浇筑现场采取内部振捣，型号：ZN70 型8 m。模板侧压力依据《SL677—2014水工混凝土施工规范》进行计算。

现场浇筑时间12月份，为保证混凝土入仓温度，采取加热拌和水方法，混凝土入仓温度为11℃，所以=7.69 h。也就是在7.69 h后混凝土开始初凝，入仓混凝土总方量最大值为346 m3，浇筑高度为3 m。所以，浇筑速度为0.39 m/h。=2 400 kg/m3，现场塌落度80 mm。

根据《SL677—2014 水工混凝土施工规范》中的取值和荷载分项系数，可以计算出人机和串桶吊罐卸料对模板的侧压力，模板侧压力F=59.94 kN/㎡。有效压头高度h=F/=59.94/24=2.49 m。

3.4 模板螺栓受力

模板螺栓采用D14 全丝拉杆，螺纹内径11.55 mm，净面积105 mm2，最大容许拉力为17.80 kN。在标准1.50 m×1.20 m 模板上，螺栓间距横向为600 mm，纵向间距为800 mm，每根螺栓所承受的拉力为：F=30.70 kN/m2×1.20 m×1.50 m/4=13.82 kN＜17.80 kN。所以，在此浇筑速度下，模板螺栓容许拉力大于混凝土浇筑时对模板产生的侧压力，所以，对拉螺栓受力是安全的。

现场模板也用到0.90 m×1.50 m，它的拉筋受力情况比1.20 m×1.50 m要小，所以，在此不再分析。

3.5 锚杆受拉力

锚杆外露钢筋受力主要是迎水面和侧面模板螺栓拉筋的拉力。ABEF（a）面为迎水面，EFGH 面是上游挡墙，ABCD（b）面为下游侧面，CDGH（c）面为边坡，见图1。

图1 仓位及边坡锚杆示意图

c 面上有三排锚杆，高程▽399、402、405 分别呈梅花状布置六根锚杆。在浇筑高度3 m 时，高程▽399、▽402 处锚杆都受到拉力。

锚杆采用的是河南济源钢铁（集团）有限公司生产的直径为25 mm的HRB400E型钢筋，该钢筋屈服强度标准值为400 MPa，抗拉强度标准值为540 MPa。

3.5.1 迎水面拉力

在迎水面，根据锚杆拉拔试验所确定的锚杆安全受力之和≤1 400 kN，所以，模板对拉螺栓综合受力相对于锚杆要≤1 400 kN。30.70 kN/㎡×3 m×20 m=1 842 kN＞1 400 kN，所以，在此浇筑速度下，不能保证锚杆受力安全性。应减少每小时入仓方量，降低浇筑速度。

假设每小时入仓量为x m3/h，则初凝时期，入仓总方量为7.69x m3，此时仓内高度为H m，则有（（5+5+0.50 H）×H/2）×20=7.69x，H=-10），v=H/7.69。因为锚杆垂直边坡，当拉筋垂直锚杆时，锚杆受力方向与模板侧压力形成夹角，此时锚杆总受力Fm=（1/cos15.60）×F×20×H，且Fm≤1 400 kN。即：0.22×24×7.69×1×1.2×1.038×20×H≤1 400 kN。

所以，H≤2.45 m，v≤0.32 m/h，入仓量≤35.80 m3/h，即，当浇筑速度≤0.32 m/h时，才能保证锚杆的安全性。此时，锚杆受到的正应力σ=237.62 MPa＜540 MPa抗拉强度标准值。

通常，为保证浇筑的安全，在浇筑过程中都有安全富余量，如果根据安全荷载1.4 系数换算，则浇筑速度应在0.23 m/h 左右，但不应超过0.32 m/h，否则，很可能对锚杆产生破坏（因为拉筋对锚杆的力在实际施工过程中不是理想中那么均匀），导致安全事故。

3.5.2 仓位侧面拉力

在保证迎水面模板、锚杆、拉筋受力安全的情况下，相应的仓位侧面模板总受力F=379 kN，作用在相邻最近的两根锚杆和地锚上。每根螺栓所承受的拉力为：F=27.56 kN/m2×1.20 m×1.50 m/4=12.41 kN＜17.80 kN。根据现场拉筋与锚杆连接情况，共有10根拉筋与锚杆焊接，如果都按照最大拉力12.41 kN计算，拉筋焊接位置位于边坡外则锚杆受到的横向拉力F=124.10 kN，此时，锚杆受到的剪应力τ=81.56 MPa，远小于锚杆钢筋的屈服强度。所以，侧面模板受力是安全的。

钢筋的屈服强度为400 MPa，先按照安全系数1.40 折算，屈服强度为285.70 MPa，设此时最大拉力的拉筋根数为X 根，根据上述公式可以推算出，X=35 根。三根临近侧面模板的锚杆和两排地锚，完全可以保证侧面模板的安全性。

4 结语

文章从宏观几何受力方面进行了混凝土浇筑仓位安全分析，确定了大体积混凝土的浇筑速度，满足项目制定的生产进度计划。在实际浇筑过程中，浇筑入仓速度始终控制在36m3/h，专业看护模板人员，在浇筑过程中也没有发现胀模等不安全现象。

通过参与本次安全分析，自己对大体积混凝土浇筑有了更深刻的认识。一般情况下，大体积常态混凝土浇筑速度＜6 m/h，塌落度＜150 mm。在料源有保证、配料单正确的前提下，大体积常态混凝土浇筑应该主要注意以下三个方面：一是入仓温度，它决定了混凝土的初凝时间，混凝土初凝后，对模板侧压力会逐渐减小，直至可以忽略；二是控制浇筑速度，速度太快，混凝土对模板的侧压力会急剧增大，因为有进度和安全要求，最好理论计算响应的浇筑速度，保证安全的同时也要赶进度；三是仓面振捣，仓面振捣要均匀、全面，这样不但能不但能保证质量，还可以减少模板所受侧压力。大量研究表明，振捣后混凝土变得密实，内部产生抗剪强度，同时与模板粘结力也逐渐增大，起了自立和起拱作用，所以模板侧压力在振捣均匀后会减小，随着上层混凝土的浇筑现象会更加明显。

当然，混凝土浇筑过程中，需要控制的因素还有很多，其中明显的是还需要在规定的时间间隔内现场测量入仓温度和塌落度，以便在问题萌芽时及时调整相关设备和数据，以保证混凝土的拌和和浇筑质量。