狹小空間高落差混凝土運輸澆筑系統(tǒng)研究

□王 茹 □王五洲 □郝保興（河南科源水利建設(shè)工程檢測有限公司）

0 引言

在目前工業(yè)、民用、道路、水電等基礎(chǔ)工程的建設(shè)中，有時受地形及空間條件的影響，如山區(qū)深峽谷修建水工結(jié)構(gòu)、地下峒室、隧道或豎井等工程，在澆筑混凝土?xí)r，常無法修建施工便道及臨時施工場地，換言之，難以采用常規(guī)方案施工。此時，一般需要采取其他輔助或特殊的施工方法，若方案選擇不當或缺乏理論、經(jīng)驗支撐時，往往會導(dǎo)致成本增加、施工效率低下或質(zhì)量難以保證等問題。目前，針對搞落差澆筑混凝土方面，應(yīng)用較為成熟的仍是考慮采用高落差向下泵（輸）送混凝土方案，即利用自重將拌合好的混凝土通過溜管經(jīng)緩流器從高處送往低處。這一方法對工作面要求低，大福減少泵送能耗，加快了混凝土澆筑速度，而對于混凝土在高落差下形成的高速度導(dǎo)致離析現(xiàn)象則可通過設(shè)置緩流器予以解決，該技術(shù)目前已在水利工程得到了較為廣泛的應(yīng)用。

當然，目前高落差向下泵（輸）送混凝土技術(shù)仍然存在諸多問題，如缺乏系統(tǒng)的理論、試驗研究以及數(shù)值分析等，特別是混凝土高落差下離析問題依然沒有得到有效解決。為此，本文依托河口村水庫泄洪洞進水塔工程，該工程存在施工作業(yè)面狹小，常規(guī)混凝土施工方案無法滿足工程建設(shè)需求等諸多實際問題亟待解決，擬通過方案必比選、緩流器設(shè)計開發(fā)以及桁架穩(wěn)定分析等角度展開研究，以便在確保混凝土性能的前提下，保障工程的順利進行，縮短建設(shè)工期，從而提高工程的經(jīng)濟效益。

1 工程簡介與施工方案

1.1 工程簡介

河口村水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐。工程沿壩軸線從右往左依次為混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發(fā)電洞、1#泄洪洞及2#泄洪洞，壩下游400 m的左岸布置有大、小電站廠房。其中，進水塔為2級建筑物，相鄰兩個進水塔高度分別為102m和86m，均為岸坡式建筑物，混凝土工程量13.20萬m3，塔體采用限裂設(shè)計。進水塔混凝土運輸系統(tǒng)的確立是本工程順利實施的關(guān)鍵。

1.2 方案比選

混凝土熟料從拌和系統(tǒng)出來后經(jīng)水平運輸和垂直運輸?shù)綕仓鳂I(yè)面，施工中，需要根據(jù)地形、工程量、混凝土性質(zhì)和企業(yè)能力等采用不同的運輸方式。對于水平運輸，中小型工程一般采用斗車或罐車，大型工程一般采用罐車、自卸汽車或皮帶機運輸；對于垂直運輸，中小型工程一般采用溜槽、人工翻倉、汽車吊、輸送泵等，大型工程一般采用塔式起重機、門式起重機、塔帶機和纜機等。根據(jù)本工程的特點，擬定三種方案，分別是泵送方案、塔帶機方案以及皮帶機方案，分別進行技術(shù)與經(jīng)濟比較，詳見表1。

由表1可知，結(jié)合施工場地狹窄，進水塔澆筑方量大，溫控要求高等特點，從施工強度、成本控制等方面出發(fā)，最終確定優(yōu)選皮帶機方案，即皮帶機、box管與倉面布料機聯(lián)合混凝土運輸方案，具體為：在施工道路旁架設(shè)皮帶機（簡稱1#機）進行水平運輸，通過鉛直布設(shè)的box管進行垂直運輸，box管的下端再架設(shè)一條皮帶機（簡稱2#機）把混凝土輸送給倉面布料機，3600旋轉(zhuǎn)的倉面布料機兩端掛直徑420 mm的象鼻溜管進行倉面布料，當完成2～3個澆筑層（一般每層3 m）需要上升布料機時，用900 tm塔式起重機把2#皮帶機和布料機提升布設(shè)，進行下一循環(huán)的作業(yè)。混凝土運輸系統(tǒng)布置如圖1所示。

表1 三種方案的技術(shù)、經(jīng)濟與效率比較表

圖1 皮帶機運輸方案圖

1.3 緩流器的設(shè)計

皮帶機方案設(shè)計一個關(guān)鍵技術(shù)是如何高效合理緩沖高落差混凝土，以保證混凝土性能穩(wěn)定。在生產(chǎn)中，已有科研人員提供一種用于混凝土垂直運輸?shù)木彌_裝置，采用轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉和“人”形管，通過混凝土直接垂直落在轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉上進行緩沖，但這種緩沖裝置不僅對轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉的強度要求很高，而且所采用的緩降裝置，容易造成堵管現(xiàn)象，整體不能從根本上解決對管道的沖擊，緩沖裝置壽命大大降低。針對這一技術(shù)難題，如圖2所示文章設(shè)計一種用于混凝土垂直運輸?shù)木彌_裝置（緩降器）。緩降器可通過模具鑄造，緩降原理為：由進料管和出料管并排放置連通而成，進料管的底端設(shè)有清料活門，進料管的中部開設(shè)有緩流口，出料管的頂部與進料管通過緩流口連通連接；進料管的頂部和出料管的底部設(shè)有連接法蘭；進料管的頂部設(shè)有連接法蘭，出料管的底部設(shè)有滑流口，滑流口的下側(cè)的滑流板為傾斜放置，傾斜角度為10～15°；進料管和出料管管徑為270～330 mm，緩流口的高度為450～550 mm；進料管上設(shè)有觀察活門；清料活門與緩流口之間的緩沖段高度為400～750 mm。

圖2 緩流器實物與結(jié)構(gòu)示意圖

采取該緩流器后，工程實踐表明：一是在高落差、高坡度進行混凝土垂直運輸過程中，一方面防止混凝土自由落體產(chǎn)生骨料分離，另一方面避免高落差對管壁和管下方的皮帶機造成的嚴重的損傷；二是管道內(nèi)的骨料不會自由落體下落，而會成為流體狀，在管道中的流動相當于二次攪拌，使得混凝土混合更加均勻；三是不出現(xiàn)卡堵現(xiàn)象，可通過清料活門清除和更換緩沖材料，還設(shè)有觀察活門，一方面對物料的流速進行調(diào)整觀察，另一方面能夠及時清理內(nèi)腔；四是結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，不需在高落差垂直運輸時在中部修建中轉(zhuǎn)站，縮減施工工期、降低施工成本。

2 桁架穩(wěn)定性分析

2.1 計算模型與條件

混凝土運輸系統(tǒng)豎直高度90 m，皮帶機跨度69 m，一號剛站柱 (中心水平投影形心坐標X=25.88 m，Y=60 m)豎直高度取30 m，二號剛站柱(中心水平投影形心坐標X=49.88 m，Y=69 m)豎直高度取21 m。建模時，利用Ansys有限元分析軟件，采用桁梁混合模型[5-6]對混凝土輸送桁架進行建模，其中二力桿采用Link8桿單元模擬，生成空間桁架結(jié)構(gòu)體系模型；考慮到實際的混凝土輸送桁架結(jié)構(gòu)中，連接主材的節(jié)點板或法蘭的剛度通常很大，將主材作為剛接的梁單元，用梁單元Beam4來模擬。最終形成以link8和beam4兩種單元類型組合形成的三維模型，模型共有單元934個，節(jié)點386個。模型中，設(shè)定的各部分材料屬性，見表2。

表2 材料屬性表

本次分析擬通過Ansys的有限元計算，確定垂直運輸系統(tǒng)中的桁架結(jié)構(gòu)（剛站柱、扶壁支撐、皮帶機、布料機）的承載能力和穩(wěn)定性。

2.2 計算結(jié)果分析

仿真計算結(jié)果如圖3、圖4和表3所示，其中圖5為桁架結(jié)構(gòu)變形圖，桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖，通過反演過程不同載荷的受力情況，分別為在自重荷載基礎(chǔ)上分別增加48，144，240，432 kN。由計算結(jié)果可知，隨著荷載的不斷增加，當承受自重和432 kN的等效運輸組合荷載時，單元最大應(yīng)力18.341 MPa，18.341 MPa，接近桁架節(jié)點容許應(yīng)力18.29 MPa；在此最大荷載下，能夠滿足混凝土運輸澆筑的穩(wěn)定需求。

圖3 桁架結(jié)構(gòu)最大承載變形圖

3 結(jié)論

文章針對河口村水庫進水塔施工場地狹窄，常規(guī)混凝土施工方案無法滿足質(zhì)量、強度、經(jīng)濟等需求的問題，通過多方案比選最終確定采用皮帶機方案，并建立以皮帶機、box管與倉面布料機聯(lián)合桁架系統(tǒng)的混凝土運輸澆筑體系。

針對該方案中存在的混凝土澆筑過程易出現(xiàn)離析的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計了一種緩流器，有效實現(xiàn)了高落差混凝土澆筑的防離析保性能的目的。此外，針對桁架系統(tǒng)澆筑運輸承載能力和穩(wěn)定性問題，采用大型通用商業(yè)軟件Anasys對其進行三維仿真計算與分析，結(jié)果表明該桁架系統(tǒng)穩(wěn)定性佳，承載能力完全能夠滿足工程高峰時段混凝土運輸澆筑的需求。

圖4 桁架結(jié)構(gòu)最大承載應(yīng)力圖

[1]胡曉日.緩降溜管在思林水電站碾壓混凝土垂直運輸中的應(yīng)用[J].貴州水力發(fā)電,2007,21(6):31-39.

[2]王道平,舒非敏,李小斌.高落差遠距離泵送混凝土施工技術(shù)生產(chǎn)實踐[J].中國礦山工程,2009,38(1):25-28.