漢陰洞河水庫負壓溜槽運輸系統的設計與應用

田鵬鵬

（中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710068）

1 概況

1.1 工程概況

洞河水庫樞紐工程位于安康市漢陰縣以東8 km的澗池鎮境內，地處漢江北岸月河一級支流洞河下游，是一座以灌溉、供水為主，兼有發電和防洪等綜合利用效益的Ⅲ等中型工程，可控制灌區面積4.57萬畝，電站裝機容量3430 kW，年發電量797.52萬 kW·h。

樞紐工程由攔河壩、溢流表孔、泄洪底孔、引水洞、電站廠房和變電站等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程397.5 m，最大壩高65.5 m，壩底寬15.645 m,壩頂寬6.5 m，壩頂上游弧長264.473 m。

1.2 地質概況

大壩壩址位于洞河下游段，地貌形態屬侵蝕中低山區，洞河在此呈NE向，河谷左岸地形較陡，坡度50°～60°。右岸單薄山梁高程375 m以上表部巖體裂隙發育，斷層破碎帶及影響帶造成巖體風化嚴重，普遍松弛，破裂結構為主，為Ⅳ級巖體。

2 安裝規劃方案

洞河水庫主體工程碾壓混凝土雙曲拱壩由于施工地形的限制，前期臨時上壩道路已無法滿足366.0 m高程以上碾壓混凝土的繼續施工。針對右岸壩肩槽以及兩側邊坡上壩道路特點，如采用常規墊渣形成臨時道路的運輸方式，右岸下游邊坡巖體陡峭，危險系數大，運距長，難以滿足拱壩大體積的運輸需求。通過在右岸397.5 m平臺布置負壓溜槽和皮帶運輸機系統，能夠及時解決這個技術為題，同時也節約了運輸成本，具有顯著的經濟效益。

本套負壓溜槽結合皮帶運輸機系統的基礎塔架共6個，底部基礎為固定于基巖上的1.5 m×1.5 m鋼筋混凝土現澆平臺，為方便安裝，下部3個桁架將在運至右壩段358.1 m高程壩面后，使用汽車吊由上至下進行安裝；上部3個桁架將運至右壩肩397.5 m高程平臺由下至上進行安裝。

施工過程中測量人員嚴格配合安裝人員保證桁架水平方向與溜槽方向一致，并保證豎直方向垂直于水平面。方向調整完畢，將桁架底部與提前預埋在C30混凝土基礎中的插筋焊接，并使用Φ8高強度鋼絲繩在桁架2/3處進行對角斜拉，鋼絲繩錨固在壩肩槽上下游基巖中，確保鋼絲繩連接好后處于拉緊受力工作狀態。

在基礎安裝完成后，再固定溜槽兩排I18工字鋼，工字鋼焊接∠70×70×7角鋼反桁架，用來增強工字鋼的剛度及整體性，在工字鋼上焊接爬梯用于在負壓溜槽的安裝和在系統運行時發生堵管后人工疏通溜槽提供平臺。之后安裝皮帶運輸機，并利用焊接在工字鋼上的爬梯安裝負壓溜槽，最后安裝集料斗。

3 系統組成及參數布置設計

3.1 主要組成及運行方式

此系統在右壩肩397.5 m高程回車平臺布置1套18m3卸料斗、1套深槽式負壓溜槽以及1條15 m皮帶機（D=800 mm）沿平臺左側邊坡通過壩基槽坡度轉換延伸至現場施工工作面，保證高程366.0 m以上碾壓混凝土順利入倉。

（1）負壓溜槽坡度為42°，由于設計開挖壩基槽坡度為36°，需要在水平段布置皮帶運輸機轉料，調整坡度至42°，系統性能參數見表1。為滿足碾壓混凝土卸料要求以及減小對集料斗的不間斷磨損，集料斗采用6 mm厚鋼板焊接，外側采用50×5 mm角鋼作加勁肋。負壓溜槽下半部采用6 mm鋼板制成的半圓形，上半部覆蓋10 mm厚柔性耐磨橡膠板，使用夾板固定連接，每段3 m，中間和兩端用6 mm鋼板作支撐以方便安裝，尺寸見圖1、圖2。

表1 系統性能設計參數

圖1 集料斗結構尺寸

圖2 溜槽結構尺寸

（2）系統桁架結構為增強支撐的穩定性，桁架底部尺寸設計為1 m×1 m，上部尺寸0.9 m×0.9 m，外側豎直方向為∠70×70×7角鋼，內部起穩定結構部分采用∠50×50×5角鋼。使用Φ8高強度鋼絲繩在桁架2/3處進行對角斜拉。系統支撐桁架基礎采用C30混凝土澆筑平臺，尺寸設計為1.5 m×1.5 m，并在基礎內深入基巖1.5 m插注4根Φ25錨桿，外露1.0 m,錨固基礎混凝土平臺。

（3）負壓溜槽槽體架設在桁架之間相連的兩根I18工字鋼橫梁上，工字鋼槽身下游側設人工檢修通道，采用∠50×50×5角鋼和Φ25鋼筋焊接而成，并設扶手。皮帶運輸機下游側同樣用∠50×50×5角鋼和Φ25鋼筋焊接人行通道，用于檢修。見圖3。

圖3 工字鋼與爬梯結構

（4）負壓溜槽系統整體布置見圖4，使用20t自卸汽車通過溫洞路與右岸施工道路將碾壓混凝土運輸至397.5 m平臺后，將混凝土傾倒于平臺末端的集料斗中，通過集料斗輸送至皮帶運輸機上，轉動碾壓混凝土至轉料斗，最后混凝土通過負壓溜槽送至施工工作面。

圖4 負壓力溜槽整體布置圖

3.2 系統設備參數設計

負壓溜槽系統的支撐體系采用角鋼焊接的鋼結構桁架作為主要承重結構，桁架四根承重角鋼采用∠70×70×7標準角鋼，中間結構角鋼采用∠50×50×5標準角鋼，在桁架上搭工字鋼用來固定負壓溜槽，桁架由底到頂2/3處用四根Φ8高強度鋼絲繩對角斜拉，鋼絲繩錨固在兩側山體，用以保證桁架穩定性。以下為系統運行中的溜槽受力及穩定性驗算，根據對實際安裝所需尺寸中的最不安全尺寸進行驗算，取桁架高13 m,所支撐溜槽長度9 m，如驗算結果滿足規范要求，即證明負壓溜槽系統支撐體系是安全可靠的。

3.2.1 荷載

1）恒載

①負壓溜槽自重：鋼槽壁自重（π/2×0.6×9）m2×0.462 kN/m2=3.919 kN，托架鋼板自重 0.805 m2×6×0.462 kN/m2=2.231 kN， 兩側∠50×50×5 角鋼自重（2×9）m×0.0369 kN/m=0.664 kN，上側橡膠：（π/2×0.6×9×0.01）m3×1.274 kN/m3=0.108 kN；

②混凝土自重：24 kN/m3×（π×0.32×9）m3=61.073 kN；

③工字鋼自重：0.237 kN/m×9 m×2=4.266 kN，工字鋼上爬梯鋼筋自重：0.0378 kN/m×100.8 m=3.810 kN，工字鋼上70×7角鋼自重：0.0725 kN/m×12.6 m=0.914 kN；

④支撐桁架自重：∠70×70×7角鋼自重：13 m×4×0.0725 kN/m=3.77 kN,∠50×50×5 角鋼自重：（4×4×13+4×1.414×4×12）m×0.0369 kN/m=10.18 kN；

則：NG=3.919+2.231+0.664+0.108+61.073+4.266+3.810+0.914+3.77+10.18=90.935 kN。

2）活載

施工荷載取NQ=5 kN；總荷載：N總=NG+NQ=90.935 kN+5 kN=95.935 kN；每根70×7承重角鋼底部受力N=N總/4=95.935 kN/4=23.984 kN。

為安全起見在驗算過程中取N=1.4N=33.578 kN。

3.2.2 強度驗算

根據《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)關于軸心受壓的規定：

式中，N為軸心拉力或軸心壓力大小；A為軸心受力桿件的凈截面面積。

安全系數205 MPa/35.63 MPa=5.75。負壓溜槽支撐體系的強度滿足規范要求。

3.2.3 穩定性驗算

式中，Φ為軸心受壓構件的穩定系數，與λ有關。

根據《鋼結構設計規范》-(GB50017-2003)，λ=l/ix=100/2.16=46.296，ix為回轉半徑。由于Q235鋼屬于b類截面，查表附錄D-2，安全起見取λ=50時的Φ值0.852。所以：

該支撐體系的受力穩定性符合規范要求。

4 應用效果分析

4.1 實用情況

洞河水庫負壓溜槽和皮帶運輸機系統施工布置歷時45天，在正式輸送碾壓混凝土之前，進行了多次試驗性運行，各項檢測數據良好，可以有效保證倉面的施工進度和設計溫控措施要求。為使系統能夠長期、高效地運行，自身不受到系統故障的影響，項目組織專人維護保養，在4個方面進行了備用考慮：（1）在卸料斗與集料斗之間設置行人通道，以保證系統在不間斷運行時做局部的維修和故障處理；（2）在負壓溜槽上游397.5 m馬道2 m處備用了1條輸送帶，可隨時更換使用；（3）在碾壓混凝土輸送過程中集料斗、溜槽等極易發生因摩擦而導致的空腔處，焊接了加厚鋼板，以保證結實耐用；（4）組織專人24小時定點定時保養維護。

此系統運行8個多月，累計輸送混凝土6.34萬m3，其中碾壓混凝土占90%，砂漿占8%，未出現一次維修故障，得到了上級各單位的一致好評。

4.2 經濟效益評估

這套自行設計系統的成功運用，解決了洞河水庫因地理環境條件限制的運輸問題，并使洞河水庫大壩能在正常工期內按時完工，取得了良好的經濟效益，并在溫控措施要求嚴格的碾壓混凝土入倉方式上取得了突破性的進展，為后期同類問題提供了強有力的技術支持。

依據不同方式的均等測算，洞河水庫碾壓混凝土拌合站供料能力最高峰值為51.8 m3/h，施工中，自卸車與負壓溜槽兩種運輸方式高峰產量與成本分析統計見表2。表中月產量的差值是由碾壓混凝土不同的鋪筑方式所造成，因此采用負壓溜槽與皮帶運輸機系統不僅相對投入少，而且對輸送碾壓混凝土所達到的運輸效率與自卸車相當，通過對人員、設備、機械等3項指標的綜合單價分析可以得出如下結果，見表2。

表2 兩種入倉方式峰值產量與成本分析比較表

洞河水庫碾壓混凝土合同總量為12.74萬m3，在前期施工中366.0 m高程以下已通過鋪墊渣土組成的臨時道路完成澆筑，完成方量占總合同量的48%，剩余52%的碾壓混凝土全部要通過負壓溜槽和皮帶運輸機一次性澆筑完成。通過以上成本分析表，此系統比自卸車運輸每立方米混凝土節約成本9.8元，此系統設計安裝、維護保養費用為13.42萬元，實際節約成本51.5萬元。

5 結語

洞河水庫負壓溜槽結合皮帶機運輸系統在設計之初，項目部技術人員根據現場地形的實際情況，邀請專家指導并參考國內類似工程的經驗，最終確定在右壩肩壩頂397.5 m高程至366.0 m高程壩肩槽段采用此系統輸送碾壓混凝土入倉方案，以期能有效解決大體積碾壓混凝土的入倉問題，采用負壓溜槽輸送碾壓混凝土的入倉方式具有較強的可行性和可操作性。為確保安全，在正式投入使用前，項目組織專職人員對負壓溜槽輸送系統進行了入倉調試試驗，取得了各項參數都達標的可靠數據，同時對本系統安裝、運行、拆卸的觀察及工藝改進均有實質性的創新與提高，強有力的保證了碾壓混凝土入倉強度及質量。