预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构施工中的应用研究

李林LI Lin；吕尔福LV Er-fu；吴永辉WU Yong-hui

（中国水利水电第四工程局有限公司第三分局，甘孜 626200）

0 引言

大坝工程的悬挑结构施工一直是复杂而具有挑战性的任务，要求在确保结构安全和质量的前提下，高效地完成施工过程。近年来，预制混凝土模板技术作为一项先进的施工方法，逐渐在大坝工程中崭露头角。这项技术的应用为解决大坝工程悬挑结构施工中的诸多问题提供了新的途径，包括减少施工周期、降低施工成本、提高结构稳定性和质量。本文将对预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构施工中的应用进行研究和探讨，以揭示其在大坝工程领域中的潜在优势和挑战。

1 预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构施工中的优势

1.1 保障混凝土浇筑稳定性

预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构施工中具有显著的优势，其中之一是它能够有效地保障混凝土浇筑的稳定性。首先，预制混凝土模板由于在工厂环境下制造，具有高度的制造精度和质量控制。这意味着每块模板的尺寸、强度和质量都能够得到精确的控制，避免了传统现场浇筑中可能出现的浇筑误差和不均匀性，确保了整个悬挑结构的稳定性。其次，预制混凝土模板的设计和制造可以根据工程需要进行定制，以满足大坝悬挑结构的特殊要求。这种定制化的特点使得模板能够更好地适应复杂的结构形状和荷载要求，从而在施工过程中提供了更高的稳定性和安全性。此外，由于模板通常采用高强度的混凝土材料制成，能够承受较大的荷载，有效地减轻了施工过程中的风险。

1.2 最大限度消除安全隐患

首先，预制混凝土模板提供了更高的施工质量和一致性。由于这些模板在工厂环境中制造，可以更好地控制材料的质量和施工工艺。这确保了每个模板都符合规格要求，减少了在施工现场可能出现的变异性。悬挑结构的施工对施工精度要求非常高，预制模板可以确保结构的准确性和可靠性，从而减少了因质量问题而引起的安全隐患。

其次，预制混凝土模板的使用减少了施工现场的人员和设备需求。在大坝悬挑结构的施工中，通常需要大量的工人和重型机械设备。然而，通过使用预制模板，可以减少对施工现场的依赖，从而减少了与大型机械操作相关的安全风险。此外，模板的预制还可以加快施工速度，减少施工现场的工期，降低潜在的风险。

最后，预制混凝土模板有助于减少施工过程中的不安全工作条件。悬挑结构的施工可能涉及到高空工作和悬挑施工，这些工作条件对工人来说可能非常危险。通过在工厂中生产模板，可以减少在危险高空工作环境下的工作时间，并减少工人的风险。这有助于提供更安全的施工条件，减少意外事件的发生机会。

总之，预制混凝土模板的使用为大坝工程悬挑结构的施工提供了更高的质量和安全性。通过降低质量变异性、减少施工现场的人员和设备需求以及改善工作条件，这些模板帮助最大限度地减少潜在的安全隐患，确保工程的成功完成。

2 工程简介

作为当地一项重要水源工程，计划建设在干流的上游。本项目被归类为Ⅳ等小型水利工程，具有关键的水源调配功能。这项工程主要包括一个重力式碾压混凝土坝和库区淹没公路。具体而言，该重力式碾压混凝土坝的总库容达到了983 万m3。坝体的建造采用碾压混凝土技术，主要构件包括坝身、开敞式溢流表孔、泄洪排沙底孔以及引水管道等。溢流表孔被布设在坝体的中部，分布在第7 号和第8 号坝段之间。这些溢流表孔以垂直方向布置，从坝右侧0+160m 一直延伸到坝右侧0+193m，总长度为33m。在这一坝段，共设有3 个溢流孔，其中单孔的净宽度为7m，总的溢流宽度达到21m。溢流堰顶的高程为645m，而挑流鼻坎的高程为611m。在悬挑结构的部分，采用了钢筋混凝土预制模板进行浇筑，以确保工程的结构稳定性和安全性。这个工程的规模和设计旨在满足当地的水资源需求，同时强调工程的可持续性和对环境的友好性。

该工程的重力式碾压混凝土坝是整个工程的核心部分，需要确保坝体的牢固性和稳定性。由于坝的高度和规模较大，施工过程需要严格控制混凝土的质量和坝体的压实，以防止坝体发生裂缝或变形。其次，溢流表孔的建设需要精确的布置和浇筑，以确保溢流的顺畅和稳定。在坝体上游的开敞式溢流表孔的施工需要考虑坝段的坡度和高差，以便实现有效的溢流控制。泄洪排沙底孔的建设需要精确的位置和尺寸控制，以确保在需要时可以有效地泄洪和排砂。这需要在施工中采用准确的测量和施工技术。以上施工难点需要严格遵循工程设计规范和标准，采用高质量的建筑材料和先进的施工技术。此外，施工过程中还需要密切监测工程的进展，及时发现和解决潜在的问题，确保工程的安全性和可靠性。

2.1 悬挑模板结构设计及受力验算

2.1.1 结构设计

①在溢流坝段的总长度为33m 的区域，我们采用了3m 长度的模板。每层需要安装11 块模板，而每块模板的长度为2.99m。这些悬挑模板是采用C25 钢筋混凝土预制板制成的，每块模板的尺寸为1.6m×2.99m×0.12m。这些模板包括C12 热轧带肋钢筋的配筋，间距为10cm，而钢筋的端头通过角钢点焊连接固定。

②为了增强模板的结构稳定性，在混凝土板的外侧四周埋设了12 号角钢作为包边。同时，在其中的一侧短边埋设了12 号角钢接缝。接缝处的角钢的一半埋入混凝土内并与钢筋网焊接牢固，而另一半则露出5cm，用作上层模板的支撑。这些露出的角钢会永久性外露，并经过防锈漆处理以提高耐用性。

③内部的预制模板预埋了φ12 热轧光圆锚筋。这些锚筋固定在板内的钢筋网上，长度为30cm，间距为0.7m。锚筋的外露部分与拉锚筋双面焊接，并连接在预埋的20a工字钢上。此外，预制板内还预埋了4 个φ12 热轧光圆吊环，以增强结构的承载能力。更多详细结构细节可参考图1。

图1 悬挑模板结构设计图

图2 模板安装结构图

2.1.2 模板受力验算

矩与剪力分析：首先，需要分析悬挑模板的受力情况。悬挑模板在混凝土浇筑过程中承受弯矩和剪力。弯矩可以通过公式M=P×L 计算，其中M 代表弯矩，P 是作用在模板上的荷载，L 是悬挑长度。剪力可以通过公式V=P 计算，其中V 代表剪力。

荷载计算：悬挑模板的荷载主要包括混凝土的自重和浇筑混凝土的重量。混凝土的自重可以通过公式Wc=Vc×γc计算，其中Wc代表混凝土的自重，Vc是混凝土体积，γc是混凝土的密度。浇筑混凝土的重量可以通过公式Wp=Vp×γp计算，其中Wp代表浇筑混凝土的重量，Vp是浇筑混凝土的体积，γp是浇筑混凝土的密度。

挠度分析：悬挑模板的挠度是另一个关键的考虑因素。挠度可以通过公式δ=（5/384）×（P×L3）/（E×I）计算，其中δ 代表挠度，P 是荷载，L 是悬挑长度，E 是弹性模量，I是截面惯性矩。

抗弯和抗剪验算：最后，需要对悬挑模板的截面尺寸和材料强度进行抗弯和抗剪验算。抗弯验算可以使用公式σ=M×c/I，其中σ 代表应力，M 是弯矩，c 是截面的最大离心距离，I 是截面惯性矩。抗剪验算可以使用公式τ=V×Av/（b×d），其中τ 代表剪应力，V 是剪力，Av 是纵向钢筋的截面积，b 是截面宽度，d 是截面高度。

通过这些公式的分析，可以评估悬挑模板的结构安全性，确保其能够承受混凝土浇筑期间的荷载并满足工程要求。需要注意的是，具体的计算和验算需要根据悬挑模板的实际参数和工程要求进行调整和优化。

2.2 预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构施工方法

2.2.1 模板预制

模板预制工作是在专用的预制场地进行的，使用3m×3m 的钢模板进行拼接，以确保模板的平整度符合要求。在进行混凝土浇筑之前，会施加脱模剂，以方便后续的脱模工作，减少混凝土与模板之间的黏附。钢筋、预埋角钢和吊环将在专业加工厂进行成型，然后使用10 吨载重的卡车运输到预制场地进行安装。采用标准化的钢模板可以确保模板的尺寸和形状准确无误。

混凝土采用C25 标号，在混凝土拌和站进行中央拌制，然后由10m3混凝土搅拌运输车运送到预制场地。在预制场地，使用平板振捣机对混凝土进行振捣，以确保混凝土的均匀性和致密性。此外，对混凝土表面进行拉毛处理，以提高表面的质量。这些措施有助于确保预制模板的质量和性能。

混凝土浇筑完成后，及时采用土工布覆盖并进行洒水养护，持续养护28 天。这个养护期间非常关键，可以确保混凝土获得足够的强度。一旦悬挑模板的强度达到了预定的75%，就可以进行移动和堆存，而在达到100%的强度时，模板可以进行调运和安装。这种施工方法具有一定的优势，包括精确的预制、严格的混凝土浇筑和养护措施，以确保悬挑模板的质量和性能。通过精心的计划和实施，可以保证悬挑结构的安全性和可靠性，同时提高施工效率。

2.2.2 模板安装

一旦预制混凝土模板的强度达到100%，采用40 吨平板车进行运输。在运输过程中，采用方木进行牢固的固定，以避免模板的移动和损坏。这些步骤对于确保模板在运输和安装过程中保持完好至关重要。安装程序按照下层混凝土浇筑完成后，才进行上一层模板的安装，这个顺序确保了底层混凝土已经达到足够的强度，以支撑上一层模板的安装。此外，任何不合格的模板都不允许进场安装，以确保施工质量和工程安全。每块模板的重量达到4.8 吨，需要使用25 吨吊车进行安装，并需要工作人员进行精确的协同操作。一旦模板被吊装到位，就使用φ12 光圆拉锚筋进行焊接，将其连接到吊环，并将吊环固定在事先预埋在坝体内的工字钢上。这一步确保了模板的牢固固定和连接。此外，全站仪用于检查和校正安装位置，以确保模板的平整度满足相关规范和设计要求。模板采用预埋工字钢进行拉锚固定，这些工字钢插入到下层坝体内0.5m，并在顶部露出0.1m，上下层工字钢之间采用C16 热轧带肋钢筋进行焊接连接。预制模板与工字钢之间同样采用φ12 光圆拉锚筋进行焊接。工字钢的布置间距为1.43m，距离预制模板底部1m，这一设计确保了整个结构的稳定性和连接的可靠性。

2.2.3 混凝土浇筑

在混凝土浇筑前，必须确保混凝土材料的质量和配比是合适的。混凝土是由水泥、骨料、砂、水和掺合料等成分组成的，它们的比例和质量决定了混凝土的强度和耐久性。通过混凝土试块的试验和质量控制，确保混凝土的配比符合工程要求，以防止后续的结构问题。

混凝土浇筑的工艺和方法至关重要。这包括混凝土输送、均匀分布、振实、抹平和养护等过程。使用合适的浇筑工具和设备，确保混凝土在浇筑时能够均匀分布在模板内，同时使用振捣器来振实混凝土，以排除气泡并提高混凝土的致密性。养护工程的养护过程也非常重要，通常需要持续保持湿润环境，以确保混凝土逐渐获得足够的强度。混凝土搅拌运输车或其他相关设备将混凝土运输至工作面后，按照摊铺厚度为50cm 的标准进行混凝土浇筑。在浇筑过程中，采用φ100 插入式振捣器进行振捣操作。这一步骤有助于排除混凝土中的空气泡泡，提高混凝土的致密性和均匀性。一旦本层混凝土浇筑完成，混凝土需要经过一段时间的固化和养护，以确保混凝土强度达到2.5MPa 以上。一旦混凝土达到了这一强度要求，就可以进行下一层混凝土的施工。这个等待时间通常是必要的，以确保混凝土在继续施工之前具备足够的强度和耐久性，以支撑上层结构的负荷和要求。

混凝土浇筑过程中需要控制温度和环境因素，以避免裂缝和混凝土强度降低。这包括在高温天气中采取降温措施，如遮阴和洒水，以减少混凝土的温度升高。在寒冷天气中，需要采取保温措施，以确保混凝土充分凝固和养护。此外，需要防止雨水或其他外部因素对混凝土的不利影响，以保持浇筑过程的稳定性。

2.3 工程经济性分析

2.3.1 节省造价

在工程的溢流坝段，当进行悬挑部位混凝土浇筑时，有两种施工方法可供选择：一是采用满堂支撑架，二是采用预制混凝土模板。选择满堂支撑架的总费用将达到12.7万元。然而，如果我们决定采用预制混凝土模板施工，需要预制77 块尺寸为3m×1.6m×0.12m 的钢筋混凝土模板，总费用为7.5 万元。这意味着采用预制混凝土模板施工可以实现5.2 万元的费用节省。这种经济方式的选择对于工程管理具有显著的优势，不仅能够降低施工成本，还加快了工程进度，减少了潜在的工程风险。因此，选择在工程的溢流坝段悬挑部位采用预制混凝土模板是一种经济、可行的选择，有助于实现成本控制、确保工程质量和加快施工进度。

2.3.2 节省工期

在传统的施工方式中，为了搭设满堂架和加固悬挑部位的模板，需要等待坝体达到悬挑部位所需的高程。这过程需要耗费大量的时间和资源，包括搭设平均高度为28m的满堂架、总计约6800m3的支撑结构以及370m3的钢模板。然而，如果我们选择采用预制混凝土悬挑模板的施工方法，可以显著地缩短工程的工期，减少搭设满堂架和钢模板所需的时间。通过采用预制混凝土悬挑模板的施工方式，我们能够节省长达28 天的满堂架和钢模板搭设时间。这种方法的优势在于，预制混凝土模板的快速安装和使用不仅加快了施工进度，还降低了工程的复杂性，大幅提高了施工效率。这种高效的施工方式不仅可以节省时间，还能够有效地降低工程成本，确保工程的顺利进行。

3 结束语

综上所述，预制混凝土模板在大坝工程悬挑结构的施工中展现出了巨大的潜力和优势。这种先进的施工方法不仅可以提高工程的效率和质量，还能够降低施工过程中的风险和成本。通过充分利用预制混凝土模板技术，能够更好地满足大坝工程中悬挑结构的复杂需求，同时为未来的工程提供了可行的解决方案。在不断的研究和改进中，预制混凝土模板技术有望在大坝工程领域取得更多的成就，为工程施工带来更多的创新和便利。