两河口水电站土工膜快速收放机研制与应用

刘武超

(中国水利水电第十二工程局有限公司, 浙江 杭州 310000)

两河口水电站大坝的填筑主要参照心墙土料的填筑速度而定，由于土料在气温出现负温度时，会出现冻土情况，因此施工规范规定，当大气温度低于0℃时，应停止心墙土料施工并采取有效的覆盖保温措施，保温后可防止仓面已填筑的心墙土料出现冻土现象。故负温时段将直接影响到大坝心墙土料填筑工期，影响大坝填筑的整体工期。目前已经修建的或在建的土石坝工程在冬季低温时段一般采用“干土覆盖”或“季节性停工”两种施工方法，待气温回升后，再开始施工。但采用这两种方法的施工质量不易得到控制，同时会一定程度上造成施工成本增加、施工设备闲置、填筑强度大幅降低，影响工期。

两河口水电站及双江口水电站均处于高海拔、高寒地区，冬季气温比较低，修建300m级砾石土料心墙坝的施工质量和进度也将会受到影响。同时，在出现负温期间，会导致大量资源闲置，经济损失十分巨大。为解决常规施工方法存在的问题，项目部结合现场实际的施工情况研制了一种可满足工程实际需要的“三布两膜”保温材料。但土工膜生产厂家未研究相应的收放机械装备，目前只能人工进行土工膜收放施工，需要投入大量的施工人员和机械设备，导致填筑强度和资源投入不匹配。

1 概 述

两河口水电站工程地处青藏高原东侧边缘地带，属川西高原气候区，最低气温为-15.9℃，每年最低温度主要集中在当年12月至次年1月，每天23 ∶00至次日11 ∶00为负温时段。该工程冬季施工时段长达5个多月，冬季昼夜温差较大，低温时段局部土体会受冻而含冰晶，中午升温后冰晶受热一般会消融，土体则经受冻融过程。两河口水电站为砾石土直心墙堆石坝，坝高295m，砾石土设计填筑量441.14万m3，接触黏土17.96万m3，冬季施工填筑方量达到128万m3，占心墙填筑土料的28%。

两河口水电站大坝心墙土料冬季填筑施工采用“三布两膜”保温材料进行土料覆盖保温，施工时段随现场的气温而定，温度高于0℃时恢复施工，低于0℃时停止施工。目前心墙填筑面积约7500m2，采用常规的铲车配合人工收放土工膜，每平方米土工膜质量约为1kg左右，每块土工膜被裁剪的尺寸为20m×6m。收揭土工膜时需25个人和2台装载机配合，3h完成土工膜收揭工作。铺设土工膜时需30个人和1台装载机，铺设土工膜的时间为3.6h。但每天有限的土料施工时间为10h左右，故为了能最大化地利用正温下土料的施工时间，实际施工时存在收揭土工膜时间提前及铺设土工膜时间推后的情况，导致外界气温在低于0℃时，土料未覆盖，土料保温未受到保障。同时采用铲车配合搬运对土工膜的破坏较大，导致重复利用率较低，并且每块土工膜尺寸较小，整体的保温效果较低，需要消耗大量人工，劳动强度大、时间长、费用高，极易浪费每天有限的正温施工时段，无法满足快速流水作业要求。

为了解决上述土工膜快速收放问题，项目部使用了自主研发的“土工膜快速收放机”。

2 结构设计

项目部利用液压挖掘机的正铲油压系统，设计制造了土工膜快速收放机的固定支撑平台和支撑系统，布置了液压旋转动力系统，可在液压挖掘机驾驶室原正铲操作平台控制收放机的旋转方向和旋转速度。

2.1 研制思路

a.根据土工膜的宽度、长度，提出土工膜收放机固定支撑平台的具体结构型式、长度、宽度和高度等参数，及该平台和液压挖掘机的连接方式。

b.依据设想的土工膜收放机的工作方式和原理，选择液压马达的型号和布置位置，以及轴的结构型式和液压马达连接方式。

c.选择液压马达和正铲的油系统连接的方式，由正铲的油系统为土工膜收放机提供动力来源。

2.2 研制过程

两河口水电站采用“三布两膜”保温材料进行土料覆盖保温，土工膜尺寸为6m×100m，重量约为600kg/卷，由于其宽度较大，所设计的固定支撑平台必须具有足够的刚度和稳定性，综合分析决定采用工字钢制作该平台。平台的结构型式确定完成后，需要设计平台的总体宽度、长度和离地面高度等参数。根据填筑面实际情况以及支撑行走轮的尺寸，选择该平台离地面高度为0.4m；根据土工膜的尺寸、液压马达的布置，选择该平台的长度为7.2m，宽度为1m，见图1；根据每卷土工膜的直径，选择液压马达支撑座及轴支撑座的高度为0.65m，即可保证土工膜收放机的强度和稳定性，平台与液压挖掘机的连接方式和正铲与液压挖掘机的连接方式相同，同时需保证该平台上的所有部件在液压挖掘机的最大回转半径2.05m以外，不能阻碍挖掘机的正常旋转操作，故平台与液压挖掘机连接杆的长度根据实际情况而定，见图2。

图1 土工膜快速收放机平台设计 (单位：mm)

图2 土工膜快速收放机设计(单位：mm)1—平台；2—弧形压板；3—导向装置；4—轴支撑；5—轴；6—限位装置；7—液压马达；8—液压马达支撑座；9—液压挖掘机；10—行走轮胎；11—联轴器

研制土工膜快速收放机要解决的核心问题是正铲的油系统能否实现液压马达的正反旋转以及旋转速度的调节。

如图3所示，轴的直径为108mm，中间部位为空心轴，两侧0.3m的位置为实心轴，轴与液压马达采用自制的联轴器进行连接，轴的长度为6.7m，液压马达固定在支撑座上，轴放置在轴支撑座上，轴与轴支撑座、轴与联轴器的连接方式均采用活连接，方便轴的拆卸，土工膜快速收放机的重点是一卷土工膜与一根轴的配合使用。

图3 土工膜快速收放机轴设计 (单位：mm)

液压马达依据土工膜的重量及旋转速度进行选择，将液压马达与正铲的油路采用油管连接，并在此油管上设置限流阀门，调整最大旋转速度，同时将两根油管在液压马达上的安装位置分别做好标记，保证每次操作时液压马达的旋转方向是一致的。

如图2所示，在轴上布置3块长度为500mm、宽度为20mm的弧形压板，并采用螺栓固定；在轴的两侧设置两个定位板，定位板的直径为600mm，采用螺栓固定在轴上，定位板的间距为6.2m；同时在固定支撑平台上布置导向装置，设置该装置的主要目的是除去土工膜膜面上黏结的土和石头，且可以拉直褶皱的土工膜，对土工膜起到收放方向的指引作用。

2.3 土工膜收放过程

a.将土工膜的一端按弧形压板的间距进行裁剪，利用弧形压板将土工膜固定在轴上，然后将土工膜卷在轴上。

b.在冬季心墙砾石土填筑施工过程中，当外界气温低于0℃时，利用液压挖掘机的反铲配合使用钢丝绳将成卷的土工膜吊在土工膜快速收放机上，吊装过程中，注意保护土工膜防止受到机械损害。

c.司机在驾驶室操作原正铲的手柄，开始铺设土工膜，铺设过程中液压挖掘机的行走速度与释放土工膜的旋转速度相匹配，铺设过程需一人进行指挥配合。该卷土工膜铺设完成后，利用液压挖掘机的反铲配合使用钢丝绳将释放完成的轴吊下来，再吊一卷成卷的土工膜放在土工膜快速收放机上，重复上述操作，铺设过程中保证土工膜互相搭接宽度为300mm。

d.当外界气温高于0℃时，利用液压挖掘机的反铲配合使用钢丝绳将轴吊在土工膜快速收放机上，在吊装过程，注意避免轴受到机械损害。

e.司机在驾驶室操作原正铲的手柄，开始收揭土工膜，收揭过程中液压挖掘机的行走速度与收放土工膜的旋转速度相匹配，同时需要增加力度，使土工膜的褶皱部位经过导向装置后自动压平，利于收卷，收揭过程需一人进行指挥配合。该卷土工膜收揭完成后，利用液压挖掘机的反铲配合使用钢丝绳将收揭完成的土工膜吊下来，再吊一根轴放在土工膜快速收放机上，重复上述操作(见图4)。

图4 土工膜快速收放机工作过程

f.冬季心墙砾石土填筑施工完成后，拆除依托在液压挖掘机上的土工膜快速收放机，恢复液压挖掘机的正铲部位，液压挖掘机即可投入到其他施工工作中去。

土工膜快速收放机由液压挖掘机改装而成，利用液压挖掘机正铲的油系统，实现液压马达的正反旋转以及旋转速度的调节，进行长宽规格为6mm×100mm的“三布两膜”保温材料的土工膜快速收放，单机标配人员2名(驾驶员1人，指挥1人)，液压挖掘机可自动化装卸土工膜，单台收放机铺设作业效率达到5000m2/h，收揭作业效率达到5900m2/h，极大地提高了收放效率，有效地避免了人工收放作业的弊端，减少了施工成本。

3 效益分析

3.1 效率分析

a.两河口水电站大坝2016年冬季心墙土料填筑施工面积约为7500m2，采用常规的人工收放土工膜方法，收土工膜需要25人以及2台装载机配合， 铺设土工膜需要30人以及1台装载机配合。土工膜收放消耗时间的统计数据见表1。

表1 土工膜收放耗时统计(2016年冬季施工数据)

结论：采用人工收放土工膜的方法，每次收揭土工膜平均耗时171min，平均每小时收揭土工膜面积为7500/(171/60)=2632m2，每次铺设土工膜平均耗时214min，平均每小时铺设土工膜面积为7500/(214/60)=2101m2。

b.土工膜快速收放机在现场使用时需配备一名驾驶员和一名指挥人员。在单卷土工膜(6m×100m)进行收放时，对用时进行了统计，数据见表2。

表2 土工膜收放机使用收放时间统计(2016年冬季施工数据)

结论：使用土工膜快速收放机单次收揭平均用时5min26s，单次铺放平均用时6min27s。使用土工膜快速收放机时，单台平均每小时铺放土工膜面积为540×(60/(6+27/60))=5023m2，单台平均每小时收揭土工膜面积为540×(60/(5+26/60))=5945m2。

3.2 经济效益分析

将使用土工膜快速收放机与采用人工覆盖土工膜的费用进行分析对比，统计结果见表3。

表3 两种方案费用对比

通过计算可知，采用常规的人工收放土工膜，每天机械费用和人工费用总计为5845元，每月施工成本为5845元×30天=175350元，每年冬季按三个月计算，则每年冬季施工成本为52.61万元。采用土工膜快速收放机进行施工，每天机械费用和人工费用总计为258.68+306.16=564.84元，每月施工成本为564.84元×30天=16945.2元，每年冬季施工成本为5.08万元，土工膜快速收放机设计制作费用总计约15万元。

3.3 对比分析

2017—2022年冬季时心墙的面积为90280m2，以后几年若采用人工加机械进行施工，成本为(90280/7500)×52.61=633.28万元(不考虑人工上涨)，采用土工膜快速收放机进行施工的成本为(90280/7500)×5.08=61.15万元。

通过计算得出，采用土工膜快速收放机节约直接施工成本633.28-61.15-15=557.13万元，经济效益十分突出。因此，采用土工膜快速收放机进行施工，可以提高土工膜收铺施工效率，大大增加其他施工机械(凸块碾、推土机、自卸车)和施工人员的有效施工时间，减少工程机械和人员的闲置时间，提高工程机械的利用率和人员的工作效率，间接地增加了经济效益。

4 结 语

该台“土工膜快速收放机”在两河口水电站冬季心墙砾石土填筑施工中使用，为两河口水电站3个月的冬季心墙砾石土填筑施工争取了更高的填筑高度，保证了大坝心墙的填筑进度，达到了经济、高效、快捷的目的，得到了业主方、设计方和监理方的高度评价，创造了良好的经济效益和社会效益。

目前我国规划与在建的高土石坝工程相对较多，大部分都地处高海拔、高寒冷地区，如四川的双江口水电站、西藏的米林水电站等工程项目，心墙的土料填筑方量巨大，同时均存在冬季心墙土料填筑施工强度高和质量低的问题，但是若冬季停止心墙土料填筑的施工，加之雨季会对心墙土料的填筑造成影响，一年中可用于心墙土料填筑施工的时段会更少，工程的建设期将会变得很长。采用“土工膜快速收放机”解决了冬季心墙土料填筑施工中土工膜收放的效率问题，保证了冬季心墙土料填筑施工的进度及工程质量，降低了施工成本，值得在类似条件的项目中进行推广应用。