滑模在阿尔塔什右岸进水口闸井冬季施工中的应用

2022-12-23赵建军王晓军

水利规划与设计 2022年12期

赵建军，刘雨，王晓军

(1.新华水力发电有限公司，北京 100070;2.中国葛洲坝集团第三工程有限公司阿尔塔什工程项目部，新疆喀什 830000)

阿尔塔什水利枢纽工程右岸联合进水口由1#发电引水系统进水口闸井、2#发电引水系统进水口闸井、1#深孔进口闸井组成。1#深孔进口闸井在2个发电引水系统进口闸井中间；1#发电引水系统进水口闸井与2#发电引水系统进水口闸井间距47m。底板高程1750.0m，闸井顶高程1827.000m，闸井高度77m。进水口由拦污栅段和事故门井段组成，考虑下游灌溉水温要求，进水口挡水门采用叠梁门的布置型式。1#发电进口拦污栅段长18.9m，4孔，每孔宽4.5m，挡水门4孔，每孔宽4.5m，叠梁门孔口尺寸宽为4.5m，顶高程为1813.00m。事故门井段长13.1m，设置事故检修闸门一道，宽×高为8.0m×9.0m。2#发电进口拦污栅段长18.9m，5孔，每孔尺寸宽为4.5m，叠梁门孔口尺寸及顶高程同1#。事故检修闸门一道，宽×高为8.0m×11.0m。

联合进水口高边坡在开挖过程中，因地质因素边坡曾出现多次较大规模的滑塌体，边坡开挖及支护措施设计根据不同部位重新进行了设计修改，处理滑塌体及边坡加固处理使得联合进水口高程1750m以上边坡石方开挖及支护滞后总进度计划达11个月，从非关键线路成为下闸蓄水的关键线路。若联合进水口3个闸井采用常规分层混凝土浇筑施工方案，无法满足2019年11月中下旬蓄水的目标要求，为此，需另辟蹊径，采用成熟、速度快且质量有保证的施工方案替代常规分层施工方案。

1 右岸联合进水口整体施工方案

滑模技术是一项具有现代特色的工程技术，应用过程中具有施工便捷、操作空间小、机械应用范围广、安全性高、抗震性能强等优势，这些特点都能够为整体工程的工期提供保障，并节约工程建设时间[1]。为加快联合进水口闸井结构混凝土施工进度，对联合进水口采用井身混凝土采取滑模施工。与传统混凝土衬砌施工相比，滑模工程技术是一种机械化程度高、施工速度快、结构整体性强、经济性更高并且能使工程项目更美观的一种先进施工工艺[2- 3]。在加大施工安全监管力度，各个工序完美配合的前提下，滑模技术在水利工程建设中的应用能有效减少成本、提高施工效率、加快施工进度[4- 5]。

经系统研究并综合各方咨询意见，联合进水口下部及上部非标准段井身采用常规分层浇筑施工方案，标准井身段采用整体滑模施工方案。施工次序如下：1#发电引水系统进水口闸井→1#深孔进口闸井→2#发电引水系统进水口闸井，1#闸井在变断面滑模改造时，穿插进行1#深孔进口闸井非标准段常规施工及闸井滑模制安工作，1#闸井滑模完成后，进行1#深孔进口闸井滑模施工，穿插进行2#发电引水系统进水口闸井非标准段闸井施工及闸井滑模制安工作。

从施工整体计划安排，2#发电引水系统进水口闸井成为影响下闸蓄水的关键因素，滑模混凝土施工时段为2018年11月21日—2019年2月28日，需进行冬季施工。根据莎车县气象站多年统计资料，工程区冬季环境温度3～-15℃，极端最低气温-24℃。环境温度高低是影响混凝土强度增长的主要因素，温度较低时，混凝土硬化速度较慢，尤其是当气温低于0℃时，混凝土硬化更慢，强度增长更低。因此，为确保混凝土结构工程质量，应根据工程所在地多年气温资料，采取适当措施[6]。

2 2#发电引水系统进水口闸井施工特点及难点

(1)闸井施工处于冬季，混凝土拌合、运输、浇筑及浇筑后的保温等环节均需保温，闸井输薄壁混凝土，混凝土保温和升温难度大，温控要求高，冬季混凝土浇筑量约1.5万m3，施工质量控制难度大。

(2)闸井结构尺寸大，断面变化多；结构复杂，在每个结构变化断面处需对滑模重新进行改装，耗时长，辅助工作多，施工难度大，影响闸井混凝土有效施工时间。

(3)闸井钢筋制安工作量大，钢筋含量54.32kg/m3，现场钢筋制安直接制约闸井滑模混凝土上升速度及施工质量，需辅以大量人工完成该项工作。

(4)闸井滑模混凝土连续浇筑，仓面374.8m2，滑模每提升1.0m，混凝土浇筑量374.8m3，混凝土小时浇筑强度高，对混凝土拌制、运输和入仓设备要求高。

(5)闸井滑模混凝土钢筋绑扎、混凝土浇筑、入仓、保温升温等多工序交叉作业，施工干扰大，安全隐患突出。

(6)滑模在北方冬季也有施工，但一般均为结构简单、体量小的闸井或其它构筑物，如此大规模、结构复杂、体量大的闸井尚属首次，可借鉴的成功案例少，只能在实践中探索。

3 2#发电引水系统进水口闸井冬季施工保温措施

3.1 混凝土拌合系统

根据混凝土工程量，冬季施工期间混凝土采用2×2m3拌和系统进行拌制。

(1)拌合站下料口

将保温材料固定在拌和机下料口周围门架钢结构上形成封闭的保温棚，保温棚内设4只火炉升温。紧邻拌和楼下料口延伸搭设一座保温棚，保温棚内设8只火炉升温，以保持混凝土罐车接料时保温棚内的温度。

(2)拌合楼

拌和楼内共3层，一、二层采用锅炉供暖，每层设置4组暖气，第三层采用2kW的电暖器，设置4组。

(3)储水箱和外加剂罐

储水箱和外加剂罐均设置在拌和楼内底部，采用锅炉供暖，设置4组暖气。

3.2 混凝土原材料

(1)拌和用水升温

在拌合站处分别设置1台5t、1台10t的无压热水锅炉，对拌和用水进行加热，锅炉房采用彩钢板搭建。热水通过水泵(≤80℃)输入拌和楼内储水箱，水箱水温由专人控制。

(2)骨料

骨料分料仓和储料堆2个部分，采用型钢料仓和棉帐篷搭设保温棚。每个料仓设4只火炉升温；料仓底部廊道采用2kW电暖器进行升温，廊道进口用棉篷布进行封闭。储料堆内设16只火炉升温。拌合站骨料仓与拌合楼之间采用保温棚封闭保温，内设10组2.0kW电暖气升温。。

3.3 混凝土外加剂

在拌和站搭设一座彩板房库房存放外加剂，外挂保温被，内设20组2.0kW电暖器升温，保证室内温度5℃以上。

3.4 混凝土拌制

混凝土拌制时采用二次投料法，向拌合机投入粗骨、砂子及拌和水(液体外加剂)搅拌至少30s，再投入全部粉料(掺和料或粉体外加剂)、水泥，搅拌90s至均匀。混凝土出机口温度不低于10℃，派专人进行检测。

3.5 混凝土运输

混凝土采用10.0m3搅拌运输车运输，每辆罐车配备2套防滑链，罐体采用特制保温套包裹保温，减少混凝土在运输过程的中的温度散失。

3.6 混凝土施工保温升温

现场混凝土施工设备、仓面和闸井成型混凝土搭设暖棚保温，仓面用2.0kW电暖气升温，其他保温棚用火炉升温。

(1)仓面保温升温

从滑模桁架顶部至辅助盘底部(高3.0m)采用棉篷布(含顶部)封闭保温，辅助盘下部紧贴混凝土悬挂4.0m高棉篷布进行混凝土保温(保温棚面积4205.3m2)。在闸井结构外侧的滑模辅助盘布置2.0kW电暖气升温，沿辅助盘每5.0m布设1组电暖气，共布置80组电暖气。

(2)闸井混凝土成型后保温升温

在闸井外围搭设保温棚，滑模成型混凝土用火炉升温；滑模提升后，成型混凝土面(侧面)挂装防火保温被保温保湿

(3)混凝土输送系统保温升温

进口闸井混凝土冬季施工采用3台混凝土泵入仓，混凝土泵布设在闸井底板(1750m高程)平台，输送泵泵管用棉被包裹保温，并搭设廊道保温棚，内设4只火炉升温，设置3组灭火器。输送泵采用搭设保温棚保温，侧面和顶部采用棉篷布封闭，进口设棉篷布门帘；各设3只火炉，共9只火炉升温；设置3组灭火器。另在闸井底板1750m平台搭设停放2台混凝土搅拌车保温棚，侧面和顶部采用棉篷布封闭，进口设棉篷布门帘；各设2只，共4只火炉升温；设置1组灭火器。

3.7 混凝土拌合物热工计算

根据TGT/104—2011《建筑工程冬期施工规程》附录A.1[7]混凝土搅拌、运输、浇筑温度计算公式，进行闸井混凝土冬季施工拌合物、出机口、入模等温度计算。对拌和水、水泥、砂子和骨料的温度进行假定(均为可实现的温度)，现以水泥温度Tc=0℃、砂子温度Ts=1℃、骨料温度Tg=1℃分别表示之，水的温度Tw分别取40、50、60、70、80℃。混凝土配比强度以闸井混凝土C30为例(水：水泥：粉煤灰：砂：骨料：外加剂=0.506∶1∶0.334：:2.256∶3.532∶0.016)；其中胶凝材料质量为411kg，砂子695kg，石子1088kg，水和外加剂160.9kg。砂子含水率取2.5%，骨料含水率取2%。

(1)混凝土拌合物温度计算

当罐内水泥温度为0℃，砂石骨料的温度为1℃，不同温度的拌和水所拌制的混凝土的理论、出机及入模温度见表1。

表1 混凝土施工不同时段温度计算表单位：℃

(2)混凝土蓄热养护温度计算

根据TGT/104—2011《建筑工程冬期施工规程》附录A.2[7]混凝土蓄热养护过程中的温度计算公式，混凝土成型后及蓄热养护温度计算见表2。

表2 混凝土成型后及蓄热养护温度计算表单位：℃

综上所述，为保证冬季混凝土施工质量，气温-10～-15℃时，混凝土浇筑仓内温度必须保持在5℃以上，拌和用水加热至60℃～80℃，且温度不得高于80℃。混凝土浇筑尽量选择在晴朗，风小的天气。

4 2#发电引水系统进水口闸井主要施工方法

进水口闸井(1769.625～1817.0m高程，5孔闸)标准段井身滑模混凝土冬季施工包括：滑模设计、滑模安装、钢筋制安、保温与升温，混凝土浇筑(拌制、运输、入仓)、混凝土保温等。

4.1 滑模设计

滑模由模板系统、液压爬升系统及操作和辅助系统3部分组成。采用液压调平内爬式滑升模板浇筑，滑模装置应有足够的强度、刚度及稳定性；整个模体设计为钢结构，模板、围圈、操作盘、提升架等构件之间均为焊接连接。

整个滑模装置主要由模板、围圈、操作盘，提升架、支撑杆(俗称“爬杆”)、液压系统等几部分构成。

液压系统(中空千斤顶与配套的油箱、油管等)从专业厂家购置，滑模结构如图1所示。

图1 2#发电引水系统进水口闸井滑模结构图

滑模模板设计荷载计算依据DL/T 5400—2016《水工建筑物滑动模板施工技术规范》，液压提升系统所需千斤顶和支撑杆的最小数量Nmin按式(1)确定：

Nmin=N/P0

(1)

式中，N—总垂直荷载，kN，所有竖向荷载之和；P0—取单个千斤顶的允许承载力较小值kN，千斤顶允许承载力取其额定提升能力的1/2，支撑杆的允许承载力按规范附录B.0.2计算。

支撑杆和千斤顶的总数量应根据允许承载力计算的数量、结构构造所需数量和调整操作平台所需数量的总和来确定[8]。

4.2 滑模安装

4.2.1滑模安装工艺流程

施工准备→测量放线→支撑平台组装→桁架梁工作平台框架→提升架→部分液压千斤顶→围圈→面板→铺盘→液压系统→辅助盘→验收。

4.2.2安装方法

滑模模体在加工厂加工成模体构件，现场组装，构件的长度和重量以方便装运为宜。闸墩混凝土浇筑至相应高程时，加工好的模体构件运送到现场，塔机配合吊车进行吊装。闸井滑模组装时，用联合进水口1795.0m马道、1827.0m平台架设的2台塔式起重机联合闸井底板处布置的100t汽车起重机配合安装。

2#发电引水系统进水口闸井如图2所示，塔机布置如图3所示。

图2 2#发电引水系统进水口闸井结构图

图3 联合进水口塔机布置

4.3 钢筋制安

滑模施工的特点是钢筋制安、混凝土浇筑、滑模滑升等工序平行作业，连续进行、互相适应。钢筋在加工厂集中制作，16.0t随车吊将钢筋运至联合进水口闸井1827.0m高程平台，利用现场2台塔式起重机辅助闸井施工平台。采用人工安装钢筋安装，立筋采用直螺纹套筒(机械)连接，分布筋与竖向钢筋采用铁丝绑扎，两端头处采用正反直螺纹套筒连接。

4.4 混凝土入仓

混凝土的水平运输及垂直入仓能力是影响滑模施工的关键，施工采用3台混凝土泵和仓内溜槽入仓，混凝土泵布设在闸井底板1750m高程平台。混凝土采取平铺法浇筑，分层浇筑厚度0.30～0.50m。混凝土采用φ50、φ70型插入式振捣器。

4.5 滑模滑升

模板的滑升升速度与混凝土的脱模时间、混凝土的运输条件、浇筑强度、混凝土的标号、陷度、气温等因素有关。

混凝土初次浇筑和模板初次滑升应严格按以下6个步骤实施：第1次浇筑100mm厚半骨料的混凝土或砂浆，接着按分层300mm浇筑两层，厚度达到700mm时，开始滑升30～50mm检查脱模的混凝土凝固是否合适，第4层浇筑后滑升150mm，继续浇筑第5层，滑升150～200mm，第6层浇筑后滑200mm，若无异常情况，便可进行正常浇筑和滑升。

模板初次滑升要缓慢进行，并在此过程中对提升系统、液压控制系统、盘面及模板变形情况进行全面检查，发现问题及时处理，待一切正常后方可进行正常浇筑和滑升。

施工进入正常浇筑和滑升时，应尽量保持连续施工，并设专人观察和分析混凝土表面情况，根据现场条件确定合理的滑升速度和分层浇筑高度。依据下列情况进行鉴别：滑升过程中能听到“沙沙”的声音，出模的混凝土无流淌和拉裂现象，手按有硬的感觉，并留有1mm左右的指印；能用抹子抹平。

滑升过程中有专人检查千斤顶的情况，观察爬杆上的压痕和受力状态是否正常，检查滑模中心线及操作盘的水平度。

滑模正常滑升根据现场施工情况确定合理的滑升速度，按正常滑升每次间隔2h，控制滑升高度30cm，日滑升高度控制在2.5m左右。

4.6 表面修整及养护

混凝土表面修整是关系到结构外观和保护层质量的的一道重要工序[9]，当混凝土脱模后，须立即进行此项工作。滑升时混凝土脱模强度控制在0.1～0.3MPa，混凝土表面用手指按压可留1mm的压痕，这时混凝土仍处于初凝期间，一般用抹子在混凝土表面作原浆压平或修补，如表面平整亦可不做修整。外挂防火保温被蓄热法养护，养护时间不小于14d。

4.7 滑模纠偏控制

为保证滑模模体垂直滑升，根据闸井结构情况分别在门槽、墩体等关键部位自动激光垂直仪进行中心测量控制，确保门槽的垂直，满足测量要求和金结安装要求，每升高5m后，还采用全站仪投点法对模板平面位置进行校核。水平度控制及调平利用千斤顶的筒式调平器控制。

4.8 冬季混凝土质量控制

联合进水口闸井滑模混凝土冬季施工前，按照SL 677—2014《水工混凝土施工规范》低温季节施工条款执行[10]，根据工程区气温、现场施工条件和节点控制工期制定闸井滑模混凝土专项施工方案、保温升温方案及作业指导书等；施工前对现场管理、技术和作业人员进行详细的技术交底；严把工序质量控制，严格执行“三检”度制，确保闸井滑模混凝土冬季施工质量满足设计和规范要求。

4.9 混凝土温控措施

(1)冬季施工期间，加强温度监测，外界气温每天测量不少于4次，暖棚内温度每4h测量1次，水、外加剂、骨料温度每小时测1次，混凝土出机口温度和现场混凝土浇筑温度应每2h测量1次，气温骤降或寒潮期间，应增加温度观测次数。

(2)冬季混凝土拌制时，专人监督混凝土拌制质量、数量和投料计量；复核外加剂掺入量，冬季混凝土拌制时间为90～120s，拌合机出口混凝土温度不得低于10℃。

(3)对原材料及混凝土出口温度和入仓温度进行实时监控，混凝土浇筑入仓温度控制在5℃以上，保证混凝土浇筑质量。

5 滑模施工中存在的问题及解决措施

(1)爬杆替代竖向钢筋问题。滑模提升主要靠提升架传递给爬杆，爬干采用φ48mm的钢管(壁厚3.5mm)，存在爬杆与竖向钢筋相互干扰，经设计复核验算，在爬杆部位与竖向钢筋交叉干扰处，用φ48mm的钢管爬杆代替竖向钢筋。滑升施工中，爬杆在同一水平内接头不超过1/4，爬杆要有3种以上长度(6、3、2m)，错开布置。

(2)闸墩现浇混凝土连系梁改为预制混凝土梁问题。征得设计同意，将闸墩连系梁全部采用预制混凝土梁替换，提前预制好混凝土梁，运至现场，利用塔吊将预制梁调入孔内，在梁窝处现浇混凝土，可节省现浇混凝土支撑、立模、浇筑、养护、拆模及支架等一系列工序，大大加快了施工进度，同时减少了高空作业危险。

(3)连系梁和牛腿预留问题。滑模遇到连系梁与墙连接处以及牛腿部位时，采用预留梁窝和预留插筋。传统预留梁窝均采用预埋木盒子的方法，但后期凿除将需用大量的人工，并且凿毛质量难以保证，本工程采用快易收口网(俗称“免凿毛”)来进行梁窝预留，梁窝顶部预留一定的坡度，以确保二次连系梁施工混凝土浇筑密实。另在梁窝底部30～50cm位置放置预埋件，便于后期进行梁窝施工作临时支撑使用。

(4)临时预埋件问题。结合滑模施工工艺的特殊要求，为满足滑模工艺的连续性，保证滑模顺利滑升，留作二期安装的门槽埋件可采用预埋钢板或者将预留钢筋改为一级钢，后期进行回直的方法施工。边滑升边安装，待脱模后利用辅助盘将埋件凿出。

(5)混凝土的局部坍塌。混凝土脱模时局部坍塌易在模板的初升阶段发生，其主要原因是提升过早或未严格地按分层交圈的方法浇筑。对已坍塌的混凝土，及时清除干净，然后在坍塌处补以强度等级高一级的干硬性豆石混凝土(同品种的水泥)，修补后，将表面抹平，做到颜色及平整度一致。