滑模技术在梅蓄电站下库岸边坡面板施工中的应用

梁胜利

(中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041)

1 工程概况

梅州抽水蓄能电站下库岸开挖高程为421.000～352.354 m，分为洞口上方扇形区和洞口左右边坡3个区域。其中洞脸边坡设5级马道、6级边坡，马道宽为2 m，马道间高差为10 m，各级边坡坡度为1:2～1:0.75。左右岸边坡设2级马道、3级边坡，马道宽为2 m，马道间高差为10 m，各级边坡坡度为1:2～1:1。贴坡C25混凝土厚为25 cm，钢筋为单层钢筋Φ12@200，系统锚杆与贴坡钢筋焊接，边坡拐点、坡面突变处及规则坡面横向10 m设结构缝，缝宽20 mm缝内填充聚乙烯泡沫板，缝底铺设土工布做反滤，结构缝两侧土工布与面板的搭接长度大于50 cm。

2 混凝土浇筑方案拟定及施工程序

采用搭脚手架+钢模(木模)施工时间长、人材机投入大、砼表面易产生外观缺陷，结合已施工边坡混凝土的实践经验，常态面板混凝土更适宜采用无轨滑模施工[1]。拟定梅蓄电站下库岸规则坡面采用无轨配重式滑模施工。

施工前先将边坡喷混凝土表面浮渣、泥土等杂物清洗干净，坡面排水孔孔口接D63 mm PVC排水管，与排水盲管间空隙使用沥青棉麻纱进行塞缝处理后再进行贴坡混凝土施工，施工程序见图1所示。

图1 下水库进/出水口边坡面板混凝土施工程序示意

2.1 边坡混凝土施工工艺

将护坡上的杂物以及松散的喷锚料清理干净，用高压风清洗喷锚面。对控制点进行复测，并将成果报监理工程师审核批准后进行施工测量放线。用全站仪放出结构体形线，用油漆标识及记录。

1) 模板施工

滑模在加工车间制作，验收合格后运输至现场。侧模安装后人工配合吊车进行滑模安装。以厚度8mm的钢板为面板，以槽钢为纵横肋，滑模呈框架结构[3](见图2)。滑模工程量见表1。滑模配重采用滑模框架内添加沙袋[3]，在运输和组装模板时去除，模板组装就位砼入仓前，根据理论计算结果合理添加。

注：1—ф28圆钢，2—工字钢I20a，3、4、5—槽钢[20。

图2 滑模平面结构(单位：mm)

表1 滑模工程量

浇筑及抹面平台以∠63×5角钢为骨架，满铺5 cm厚木板，分别焊接在滑模槽钢[20及滑模下部工字钢I20a上。浇筑及抹面与滑模滑升同步进行，可提高混凝土外观质量[4]。

2) 模板施工时需主要事项

模板安装后应进行检查及清理干净，模板漆周转2～3次，达到周转数次后，应进行脱漆处理，或采用机具将原有漆膜打掉，不能在原有漆膜上直接涂刷新的模板漆。立模时要逐层校正上下层偏差，以免产生错台。砼浇筑过程中，安排专人看护模板。

3) 开仓验收

验收严格执行“三检制”，并按要求填写验收资料，经由质检员报监理工程师申请验收。各工序验收通过，浇筑准备完成后，最后签砼浇筑开仓证。

4) 混凝土浇筑

为避免混凝土温差产生裂缝，浇筑尽量避开中午高温时段[5]。混凝土由下库区拌合系统拌制，通过10 m3混凝土搅拌车运输至边坡顶部高程平台，经过溜槽均匀入仓。采用50 mm软轴振捣器，先平仓后振捣，严禁以振捣代替平仓，遵循“快插慢拔”的原则，插入下层砼5 cm左右，插入砼的间距小于振捣器有效半径的1.5倍(一般40 cm)，模板的距离大于振捣器有效半径的1/2(一般为20 cm)，呈梅花形布置，尽量不触动拉筋。

顶部葫芦提升滑模→提升到位侧面葫芦安全保护→抺面、压光→砼入仓、振捣→下一个循环

滑模提升采用10 t手拉葫芦，两侧各配一个10 t平衡葫芦。在边坡坡顶设置2块长1.5 m×宽1.5 m×高1.2 m的混凝土配重块，滑模提升选用公称抗拉强度为1 670 MPa、直径为26 mm纤维芯钢丝绳，与配重块吊环连接。滑模提升系统布置见图3所示，滑模固定措施见图4～5所示。

图3 滑模提升系统布置示意

图4 滑模固定措施1示意(单位：mm)

图5 滑模固定措施2示意(单位mm)

① 初始滑升

砼浇筑高为60～70 cm，砼强度达0.3 MPa时，用手按砼面留有1 mm左右的痕迹，便可试滑升。同时观察砼的凝结情况、是否达到出模强度及模板的倾斜度是否正常等。

滑模初次滑升应缓慢进行，滑升过程中对提升装置、模板结构作全面的检查，发现问题及时处理。第1次浇筑3～5 cm厚的水泥砂浆；再按分层厚度30 cm浇筑2层，开始滑升5 cm，检查砼凝固情况；第4层浇筑后滑升10 cm，浇筑第5层再滑升15～20 cm；第6层浇筑后滑升20～30 cm，无异常便可进行正常滑升。

② 正常滑升

应控制速度10～20 cm/h，每次滑升20～30 cm，严禁1次滑模滑升过快[6]，滑升间隔不超过1.5 h，滑升平均速度控制在0.5～1.0 m/h，每次提升高度控制在15～20 cm，或结合现场实际情况进行调整。

滑升时若滑模砼有流淌、坍塌或表面呈波纹状，说明砼滑模强度低，应放慢滑升速度；若滑模砼表面不湿润，手按有硬感或伴有砼表面被拉裂现象，则说明砼强度高，宜加快滑升速度。

③ 滑模上浮和倾斜处理措施

造成原因：一是砼的上升速度过快和模板拉升速度过快使模板上浮；二是手拉葫芦不同步使模板倾斜。为防止模板上浮，现场严格控制入仓塌落度、入仓速度以及爬升速度。爬升时控制在0.5～1.0 m/h，每次上升0.2 m左右。为防止模板倾斜，每个手拉葫芦在使用前必须进行调试，保证行程一致；每个手拉葫芦在拉升时，用钢卷尺进行测量限位，使整个模板基本处于水平上升。

在滑模滑升过程中，专人负责检查、纠正，准确掌握砼的强度、模板的提升时间和速度，防止因操作不当而引起模板上浮和倾斜。

④ 滑模换仓

滑模每次滑升至顶后将它滑下平移至另一块混凝土坡脚，重新开始滑升。滑模迎混凝土面滑下后，卸掉上面的挂绳，然后在滑模下垫钢管作为滚筒，用3 t手拉葫芦迎马道平移至另一块混凝土的底部，恢复滑模系统，进入下一个循环。

⑤ 滑模停滑处理

正常停滑指滑模滑升至预定高程停滑，特殊情况下的停滑包括出现故障及其他以外因素引起的停滑。停滑后，在砼达到滑模强度时，将滑模全部脱离砼面，防止模体与砼粘在一起，并清理好模板上的砼、涂刷滑模剂。因特殊情况造成的停滑，砼面按施工缝进行处理。

⑥ 抹面

滑模滑开后，及时进行人工压光抹面。

5) 混凝土养护

在面板混凝土外露面铺设土工布洒水保湿，养护时间不少于7 d[7]。

2.2 滑模牵引系统设计

1) 滑模提升系统固定措施布置

在1级边坡(421平台)布置2块配重块(长宽高为1.5 m×1.5 m×1.2 m)+10 t手拉葫芦，作为滑模的牵引装置。洞脸EL416～EL376四级边坡及洞口左右侧，采用在各级边坡坡顶布置锚筋+10 t手拉葫芦[8-9]作为滑模的牵引装置。

2) 滑模配重设计

施加一定配重，防止滑模上浮引起浇筑成型的混凝土外形尺寸偏差超过规范要求[10]。

① 浮托力计算

参考黄河水利出版社1997年8月第2版《坝工模板工》一书相关内容，混凝土对模板的浮托力，在模板面成45°角时(坡比为1:1)浮托力为4.5 kN/m2。该滑模与新浇混凝土面为宽6 m×高1.5 m，浮托力计算见图6所示。

故该滑模所受浮托力为：

F浮=6×1.5×4.5=40.5 kN

(1)

② 模板自重及施工荷载

根据滑模结构图其自重为：

1.22×10=12.2 kN

(2)

施工人员按3人考虑，振捣器等工器具按200 kg考虑，因人员设备经常处于移动状态故取荷载分相系数为1.4，则施工荷载为：

(3×0.06+0.2)×1.4×10=5.32 kN

(3)

故模板及施工人员总荷载为：

G1=12.2 kN+5.32 kN=17.52 kN

(4)

图6 浮托力计算示意

③ 滑模配重计算

不考虑混凝土浇筑及抹面平台重量的情况下，为不产生滑模上浮，滑模的配重及自身的重力需要大于产生的浮托力，即：

(G1+G配重)×sinθ>F浮

(5)

式中θ为竖向与坡面的夹角。

计算详见下式：

当坡比为1:1时，配重G=F浮/sinθ-G1=40.5/(20.5/2)-17.52=37.76 kN。

当坡比为1:1.5时，配重G=F浮/sinθ-G1=40.5/(3/130.5)-17.52=31.15 kN。

当坡比为1:2时，配重G=F浮/sinθ-G1=40.5/(2/50.5)-17.52=27.76 kN。

当坡比为1:0.75时，配重G=F浮/sinθ-G1=40.5/(3/5)-17.52=67.5 kN。

3) 滑模牵引系统设计

① 滑模牵引力计算

滑模在浮托力恰好抵消模板及配重压力时滑模与混凝土间摩擦力最大，此时滑模所受到的上滑阻力最大，故选择此时作受力计算，受力分析如图7所示。

图7 牵引力计算示意

T=Gx+f+f粘+G1

(6)

式中T为牵引力，kN；Gx为总重力G沿边坡向下的分力；f为混凝土与滑模间摩擦力；f粘为混凝土与滑模间的粘结力；G1为钢丝绳重量。

Gx=Gcos45°=(37.76+17.52)×0.707=

50.15 kN

(7)

f参照黄河水利出版社1997年8月 第2版《坝工模板工》一书的相关内容，混凝土与滑模间摩擦系数为0.4～0.5，取0.45，则有：

f=0.45×Gn=F浮×0.45=40.5×0.45

=18.23 kN

(8)

f粘根据黄河水利出版社1997年8月第2版《坝工模板工》一书的相关内容，混凝土与钢模间粘结力与混凝土凝固程度有关，一般取0.45 kN/m2。

f粘=6×1.5×0.45 kN/m2=4.05 kN

(9)

G1按100 m进行计算，为2.28 kN。

因此，滑模所需牵引力为：

T=Gx+f+f粘+G1=50.15+18.23+4.05+2.28=74.71 kN

(10)

② 配重块安全分析

抗滑移计算：坡顶采用混凝土配重块固定提升钢丝绳，配重块体积2.7 m3，共配置2块(见图8所示)。

图8 抗滑移计算示意(单位:mm)

G配重块=ρV=25×2.7×2=135 kN

(11)

根据建筑施工计算手册查得软岩与混凝土基底摩擦系数μ=0.6。

G滑模×μ=135×0.6=81 kN>74.71 kN

(12)

配重块不会发生滑移。

抗倾覆计算：若配重块在O点的力矩大于牵引力对O点的力矩，则配重块不会发生倾覆。

配重块在O点的力矩M配重块：

0.75G配重块=0.75×135=101.25 kN·m

(13)

牵引力对O点的力矩M牵：

0.515F牵=0.515×74.71=38.48 kN·m

(14)

M配重块>M牵，配重块不会发生倾覆。

③ 锚固筋安全分析

抗拔力计算：锚固点共布置4根C32，L=3.2 m，单侧入岩深度为1.500 m，对锚固筋进行抗拔力计算。

抗拔力计算式：

Rt≤0.8πd1·l·f

(15)

式中Rt为单根锚杆的抗拔承载力,kN;d1为锚杆孔直径,mm，一般取3d，但不小于d+50 mm，此处取100 mm；d为锚杆直径,mm;l为锚杆的有效锚固长度,mm，一般大于40d，而不小于80 cm，此处取1 500 cm;f为砂浆与岩石的粘结强度特征值,N/mm2，当水泥砂浆为M30时，对软岩f≤0.2，对较软岩f=0.2～0.4，对硬岩f=0.4～0.6，此处取0.2。

单根锚筋的抗拔力：

Rt=0.8π×100×1 500×0.2=75.36 kN。

锚固点总承载力为T=75.36×8=602.88 kN>>74.71 kN，抗拔力满足施工要求。

锚点抗剪计算：锚点由3根Φ32圆钢组成，其剪应力应满足式(16)要求：

τmax=Fmax/A≤[τ]

(16)

式中Fmax为剪力，Fmax=74.71 kN；A为Φ32圆钢截面积，A=803.84×3=2 412 mm2；[τ]为材料许用剪切应力，Q235钢材许用剪切应力为120 MPa。

τmax=Fmax/A=74 710÷2 412=30.97 MPa≤[τ]=120 MPa

(17)

满足抗剪强度要求。

4) 荷载试验及验收

在滑模正式投入运行前，进行滑模的负荷和超负荷加载试验。

试验前完成手拉葫芦、提升钢丝绳安装并进行验收，并准备相关配重沙袋。

① 滑模焊接位置是否有裂纹、气孔、弧坑和飞溅等缺陷，螺丝是否有松动；

② 手拉葫芦在试验前的全面检查，链条、制动器等部位工作是否正常，各部轴承、销轴、制动器铰链是否已润滑；

③ 检查钢丝绳全段是否已涂黄油保护，是否有变黑、锈皮、外层钢丝松动等损伤。

按25%、50%、75%的额定负荷逐级增加砂袋，负荷时长0.5 h，满负荷试验前，应全面检查各部件。

检验要求：钢丝绳无断裂，各结合面处焊接牢固，配重块不发生倾覆。

试验过程观测正常，即可完成试验。相关人员记录试验过程收录成表备案。

3 结语

无轨配置式滑模施工技术通过在梅蓄电站下库岸边坡面板混凝土施工中的成功应用，实现了多级边坡、不同坡比混凝土一次浇筑到顶，施工速度快，成型表面平整，节约施工成本，有良好推广参考价值。

1) 建议滑模正常滑升速度为10～20 cm/h，每次滑升20～30 cm，以手按混凝土表面产生浅印为准，滑升最大间隔不超过1.5 h，滑升进度控制在0.5～1.0 m/h。

2) 可采用砼预制块、沙袋、短钢筋等作为滑模配重。坡度越陡，需要的配重越大，施工时应合理放置滑模配重，不小于理论计算值。

3) 滑模技术的应用关键是不出现上浮、倾斜等异常现象。

4) 在侧模顶部设置角钢及控制混凝土坍落度不大于10 cm，有利于牵引力的储备，提高施工工效、安全更有保障。