直立式混凝土水尺压印成型技术研究

黄照元

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

溪洛渡水电站是国家“西电东送”骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上。工程以发电为主，兼有防洪、拦沙和改善上游航运条件等综合效益，并可为下游电站进行梯级补偿。电站主要供电华东、华中地区，兼顾川、滇两省用电需要，是金沙江“西电东送”距离最近的骨干电源之一。

溪洛渡水电站水库调度专用站分布在大坝上游2.7km处左、右各一个坝上库水位站和坝下约3.1km处一个出库水位站。共计3个水位站的土建工程主要包括站房、梯步、水尺、水准点、线槽和其他配套设施，3.24m×3.24m站房3间，208m2生活站房1栋，永久观测梯步475m、简易梯步290m，钢筋混凝土直立水尺160根、简易水尺160根，倾斜水尺80m，线槽475m。

大坝上游左右岸两个水位站死水位以上永久观测段采用的是直立式混凝土水尺，水尺刻度和数字直接刻划在混凝土表面。大坝下游水位站采用倾斜式水尺。死水位以下水库初期蓄水时临时观测段采用预埋钢管外挂搪瓷水尺。直立式水尺在水位高程610m至537m之间布设，水尺在水位测验断面沿程铺设，相邻水尺水位衔接不小于0.2m。在观测断面高度方向每1m布置1根混凝土直立式水尺，水尺采用预制钢筋混凝土结构，断面呈五边形。单根水尺高度为2.0m，埋深0.8m，净高1.2m。水尺一个直立面上有刻度、数字及水尺编号标识，设计要求水尺数字及水尺编号刻画深度5mm，字体为宋体，字体高35mm，宽25mm。永久水尺编号首字母为B。水位最小刻度0.01m，要求刻度划分、数字标示清晰醒目。混凝土强度不低于C25。直立式水位尺设计如图1所示。

图1 直立式水位尺设计(单位：mm)

2 混凝土表面刻字方案对比

经调查了解，常见的直立式水尺主要是立柱上外挂水尺板，水尺板由木板、搪瓷板、高分子板或不锈钢板做成，本项目直接将刻度和字体刻画在混凝土表面，这种方式无成熟施工案例可借鉴。现有的石碑、铁路轨道板、清水混凝土等结构表面刻字工艺总结下来有人工雕刻、机械雕刻、现浇成型等方式，各种成型方式优缺点对比如表1所示。

表1 混凝土表面文字成型方式对比

本工程直立式混凝土水尺共160根，刻划工程量大，项目地点偏远，经综合对比，先排除人工雕刻和机械雕刻两种方式，选择了现浇成型方案着手实施，并在实际施工中最终改进为压印成型方案。

3 直立式混凝土水尺预制安装技术

3.1 钢筋加工

直立式水尺五边形断面上每个角布置有1根直径12mm的螺纹钢，箍筋采用光圆钢筋φ6@200mm。钢筋笼采取绑扎方式加工，底模上铺垫同标号混凝土垫块，钢筋笼放置在混凝土垫块上，预留保护层厚度。

3.2 混凝土配合比设计及原材料质量要求

3.2.1 混凝土配合比设计

由于水尺构件体积较小，宽度方向只有20cm，刻度凹陷深度为5mm，采用细石混凝土。混凝土既要满足强度要求，又需要浇筑振捣后表面保护层浆液丰富，便于刻划。混凝土参考配合比如表2所示。

表2 C25细石混凝土配合比参考

3.2.2 原材料质量要求

(1)碎石：细石混凝土使用的集料为粒径5.0mm～15.0mm的连续级配碎石。其含泥量0.6%，泥块含量0.3%，针片状颗粒9%，松散体堆积密度1460kg/m3。

(2)水泥：42.5的普通硅酸盐水泥。

(3)砂：细集料为级配良好的天然中砂。其含泥量0.6%，泥块含量0.2%，细度模数2.4，表观密度2550kg/m3，堆积密度1660kg/m3。

(4)粉煤灰：Ⅰ级粉煤灰。

(5)外加剂：为增加混凝土的耐久性，加入减水剂、防水剂。

3.3 工艺试验及压印成型技术核心思想

对字模布置在底面、顶面两种情况进行了工艺对比试验，优选一种合理可行的施工方案。

3.3.1 水尺本体及刻度文字一次浇筑成型工艺试验

因最初无类似施工经验可参考，最直观的想法是将字模布置在水尺底模上同时浇筑，带字模的水尺整体模板展开图如图2所示。水尺模板特殊的地方在于刻度标识和文字模板制作，由于文字和刻度具有方向性，制作模板时数字和刻度需要做倒模处理，在设计模板时可在制图软件中采用镜像功能生成倒模图形。

图2 带字模的水尺整体模板展开(单位：mm)

混凝土水尺为细长构件，断面为五边形，经过入仓方式的对比，采取水尺长边平放浇筑，混凝土层厚为20cm，入仓和振捣均比长边竖直放置简单，模板顶面作为进料口。拌合楼打料后混凝土罐车运输至预制场地，将混凝土料卸在水尺模具旁，人工用铲子将混凝土铲起送入模具内。小功率插入式振捣器进行振捣，混凝土振捣掌握以下要领：垂直插入、快插慢拔、三不靠。振捣器插入时要快，拔出时要慢，以免在混凝土中留下空隙；每次插入振捣的时间为20s～30s左右，并以混凝土不再显著下沉，不出现气泡，开始泛浆时为准；振捣时间不宜过久，太久会出现砂与水泥浆分离，石子下沉，并在混凝土表面形成砂层，影响混凝土质量；振捣插入前后间距一般为30cm～50cm，防止漏振；三不靠振捣时不要碰到模板、钢筋和预埋件，模板附近振捣时，应同时用木锤轻击模板，在钢筋密集处和模板边角处，应配合使用铁钎捣实。浇筑完成24h后洒水养护。

脱模后检查发现部分E形刻度棱角残缺，1、2、3、5、7这些开放结构的字体成型效果比较完整，但0、4、6、8、9、P这类有封闭结构的字体轮廓残损较多，字迹模糊。原因可能是在刻度边缘由于在小尺度上的毛细效应，混凝土中水分、气泡吸附在刻度和文字的棱角部位，加上脱模剂无法均匀分布等原因，造成脱模后字体成型效果不好。另一个问题是在脱模时，需要把水尺吊起一定高度，水尺要达到吊装强度才行，会造成脱模时间过晚，脱模剂失效，混凝土和模板之间粘接牢固不易拆除，强行拆除容易对混凝土外观造成影响，文字和刻度容易缺棱少角，不满足设计要求。

3.3.2 先浇筑水尺本体后施作刻度文字工艺试验

经过研究，由于整体式模板浇筑时水尺构件本体与水尺刻度文字标识强度发展及拆模时间不匹配，于是想到将刻度刻划和水尺本体浇筑分为两个工序，先浇筑水尺本体，再施作水尺表面的刻度文字标识。将带刻度的一面选择在入仓口所在的顶面，采取类似活字印刷的方式，在混凝土初凝前将带字和刻度的模板按压在平整的混凝土表面，利用这个阶段混凝土具有的可塑性将标识模具上的凹凸信息“印制”形成刻度和文字标识，这就是压印成型技术的核心思想。

由于刻度密集，阴阳角需要重点保护，为避免水尺刻度及文字压印时填充不饱满以及揭开模板时大面积粘连破坏，将带字模板设计成有一定柔性的专用模板，如图3所示。刻度和字体模块采用激光切割5mm厚不锈钢板形成，不锈钢板表面应光滑洁净，刻度和字模按设计给定的间距顺序排列在3mm厚薄钢板上，数字的下边缘应靠近相应的刻度处。薄钢板背面不设置加强肋条，保持一定柔性，模板在长度方向上可以有一定程度的弯曲，浇筑混凝土时可以局部卷曲，便于压印及脱模。

图3 水尺标识压印专用柔性模板(单位：mm)

水尺本体混凝土浇筑完成后大约静置2h～3h，混凝土接近初凝前，用水尺标识专用模板从水尺混凝土表面一个方向往另外一个方向缓缓压下，混凝土能朝着一个方向产生细微的推移塑性变形，突出的字模首先接触到混凝土表面，字模突出部位挤压混凝土凝土面形成凹陷部位。凹陷部位挤压后的混凝土向四周溢出，随后盖模压下来挤压溢出的混凝土，这部分混凝土构成刻度的突起部分，采用橡胶锤轻轻锤击模板，使得混凝土重新分布均匀，将水尺刻度的阴角和阳角填充完整，操作过程中要保持模板的相交线，横平竖直，使用柔性模板将边角完全压到。压印后从一侧向另一侧缓慢揭开柔性模板，刻度及字体标识随即呈现，水尺标识柔性模板压印工艺示意见图4。压印时间要掌握准确，过早的话压出的表面全为毛面，没有光泽度，而且表面耐磨性很差，严重影响质量；过晚则会难以压出完整的纹理，影响美观。在压印完成24h后，用薄膜遮盖养护或洒水养护。

图4 水尺标识柔性模板压印工艺示意

改进后的压印成型技术施工的水尺刻度及文字成型效果良好，达到设计要求。

3.4 安装工艺

人工沿着观测段梯步将水尺搬运至安装现场，手拉葫芦吊装水尺至观测段预留坑槽中，全站仪进行放样，调整水尺的平面位置，确保所有水尺在一个观测断面上，再用水准仪测量校准水尺的高程，安装要求达到四级水准测量标准。水尺应与水面垂直，安装时吊垂线校正。灌注细石混凝土将直立式水尺埋设固定。

水尺安装后，用四等以上水准测量的方法测定每支水尺的零点高程，在读得水尺上的水位数值后加上该水尺的零点高程就是要观测的水位值。

4 实施效果评价

采用柔性模板压印工艺生产的混凝土水尺表面标识刻度和文字清晰美观，无沾浆脱落，轮廓外沿无砂角，效果良好。完工验收并运行多年后直立式混凝土水尺现场照片见图5，照片中可见所有直立式水尺排列在一条直线上，水尺表面刻度、文字标识清晰美观。

图5 直立式混凝土水尺现场照片

5 结语

将靠桩、刻度及字母数字标识融为一体的直立式混凝土水尺是一种新的设计形式，具有抗水流冲刷，抗泥沙磨蚀，后期维护简单的优点。针对该水尺预制时标识刻度密集，刻度精度要求高的难点，本项目创新性地研制了分体式水尺标识压印专用柔性模板，并结合混凝土的塑形变形特点研究应用了压印成型技术，混凝土水尺合格美观经久耐用，值得类似工程参考借鉴。