溢洪道大體積混凝土澆筑安全分析

□耿鵬宇 杜雅琪 皇甫澤華 易 磊

（1河南省水利第二工程局；2河南省前坪水庫建設管理局）

1 工程概況

前坪水庫位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、河南省洛陽市汝陽縣縣城以西9 km 的前坪村，是以防洪為主，綜合灌溉、供水、兼顧發電的大型水庫。工程主要包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。前坪水庫總容量為5.84億m3，最大壩高90.30 m，規模為大（2）型水庫，工程等別為Ⅱ等；主壩為1級建筑物，其他主要建筑物級別為2級（包括溢洪道）。根據工程的總體布置，溢洪道位于左岸山體。工程主要包括進水渠段、進口翼墻段、控制段、泄槽段、消能工段等。

前坪水庫溢洪道左岸進口翼墻分為五部分，分別為：扭坡1 段、扭坡2 段、扭坡3 段、衡重式直墻1 段和2 段。其中，衡重式直墻1段和2段方量同為3 077 m3。

左岸進口翼墻衡重式直墻1 段，長19.97 m，高24.50 m，底寬5 m，邊坡為1：0.50。翼墻邊坡長26.80 m，采取掛網噴護。錨桿長度9 m，錨桿孔深8 m，鋼筋直徑25 mm，螺紋鋼，間距3 m，排距3 m，呈梅花狀布置。▽415 處是承重臺，直墻頂寬1 m、▽423.5；向里向下延伸至▽415承重臺，坡比1：0.30。

左岸進口翼墻衡重式直墻1段分為四倉進行澆筑，采用串桶和吊車共同澆筑方式。第一倉，樁號溢0-020—溢0-040，高程▽399—▽407.1，總方量1 133 m3。

2 混凝土澆筑能力分析

澆筑采用吊車澆筑和邊坡串桶澆筑同時進行的澆筑方式，采用HZS60 混凝土攪拌站和ZN70 型8 m 振搗棒，每班澆筑人員18人。

拌和站采用鄭州市長城機械制造有限公司提供的HZS60混凝土攪拌站，工作循環時間60 s，理論生產量60 m3/h。工作中拌和站拌和時間為90 s，1.50 m3/盤。

水平運輸采用四輛9 m3罐車，垂直運輸采用50 t 吊車，吊罐規格2 m3/罐。

入倉效率，拌和站每拌和9 m3混凝土需要約12-13 min，吊車入倉9 m3料需要約35-40 min，串桶入倉9 m3料需要約12-15 min，罐車往返時間約12 min（吊車位置）和23 min（串桶位置）。由此可見，入倉最高效率為45 m3/h。

分層澆筑，逐層振搗。由于倉位底面積較大，高度8.10 m，所以，現場布置八個ZN70型8 m振搗棒，每層澆筑厚道≤50 cm。

3 混凝土澆筑安全分析

3.1 倉位情況

左岸進口翼墻衡重式直墻1段第一倉，高8.10 m，底寬5 m，上口寬9.05 m，計算總方量為1 133 m3。倉內9 m錨桿三排，六根/排，呈梅花狀布置，每根外露錨桿均有直徑14 mm螺紋鋼拉筋與模板螺栓（高強全絲拉桿D=14）焊接。

3.2 錨桿拉拔試驗

3.2.1 試驗標準

按照設計要求，錨桿承拉力≥110 kN。

3.2.2 檢測結果

委托河南方圓水電質量檢測有限公司對左岸邊坡9 m 錨桿隨機抽取3 根進行拉拔試驗。采用鋼板尺（200 mm）和拉拔儀（SW—300），依據《混凝土結構后錨固技術規程》（JGJ145—2013），設定荷載設計值120 kN，三個點的檢測結果分別為119.60 kN，118.30 kN，119.96 kN。

當拉力達到該設定荷載設計值（120 kN）時，巖石基材無裂縫，植筋、錨栓未滑移，且持荷2 min后荷載降低≤5%，3根鋼筋的錨固植筋質量滿足JGJ145—2013規程要求。

3.3 模板側壓力計算

混凝土澆筑現場采取內部振搗，型號：ZN70 型8 m。模板側壓力依據《SL677—2014水工混凝土施工規范》進行計算。

現場澆筑時間12月份，為保證混凝土入倉溫度，采取加熱拌和水方法，混凝土入倉溫度為11℃，所以=7.69 h。也就是在7.69 h后混凝土開始初凝，入倉混凝土總方量最大值為346 m3，澆筑高度為3 m。所以，澆筑速度為0.39 m/h。=2 400 kg/m3，現場塌落度80 mm。

根據《SL677—2014 水工混凝土施工規范》中的取值和荷載分項系數，可以計算出人機和串桶吊罐卸料對模板的側壓力，模板側壓力F=59.94 kN/㎡。有效壓頭高度h=F/=59.94/24=2.49 m。

3.4 模板螺栓受力

模板螺栓采用D14 全絲拉桿，螺紋內徑11.55 mm，凈面積105 mm2，最大容許拉力為17.80 kN。在標準1.50 m×1.20 m 模板上，螺栓間距橫向為600 mm，縱向間距為800 mm，每根螺栓所承受的拉力為：F=30.70 kN/m2×1.20 m×1.50 m/4=13.82 kN＜17.80 kN。所以，在此澆筑速度下，模板螺栓容許拉力大于混凝土澆筑時對模板產生的側壓力，所以，對拉螺栓受力是安全的。

現場模板也用到0.90 m×1.50 m，它的拉筋受力情況比1.20 m×1.50 m要小，所以，在此不再分析。

3.5 錨桿受拉力

錨桿外露鋼筋受力主要是迎水面和側面模板螺栓拉筋的拉力。ABEF（a）面為迎水面，EFGH 面是上游擋墻，ABCD（b）面為下游側面，CDGH（c）面為邊坡，見圖1。

圖1 倉位及邊坡錨桿示意圖

c 面上有三排錨桿，高程▽399、402、405 分別呈梅花狀布置六根錨桿。在澆筑高度3 m 時，高程▽399、▽402 處錨桿都受到拉力。

錨桿采用的是河南濟源鋼鐵（集團）有限公司生產的直徑為25 mm的HRB400E型鋼筋，該鋼筋屈服強度標準值為400 MPa，抗拉強度標準值為540 MPa。

3.5.1 迎水面拉力

在迎水面，根據錨桿拉拔試驗所確定的錨桿安全受力之和≤1 400 kN，所以，模板對拉螺栓綜合受力相對于錨桿要≤1 400 kN。30.70 kN/㎡×3 m×20 m=1 842 kN＞1 400 kN，所以，在此澆筑速度下，不能保證錨桿受力安全性。應減少每小時入倉方量，降低澆筑速度。

假設每小時入倉量為x m3/h，則初凝時期，入倉總方量為7.69x m3，此時倉內高度為H m，則有（（5+5+0.50 H）×H/2）×20=7.69x，H=-10），v=H/7.69。因為錨桿垂直邊坡，當拉筋垂直錨桿時，錨桿受力方向與模板側壓力形成夾角，此時錨桿總受力Fm=（1/cos15.60）×F×20×H，且Fm≤1 400 kN。即：0.22×24×7.69×1×1.2×1.038×20×H≤1 400 kN。

所以，H≤2.45 m，v≤0.32 m/h，入倉量≤35.80 m3/h，即，當澆筑速度≤0.32 m/h時，才能保證錨桿的安全性。此時，錨桿受到的正應力σ=237.62 MPa＜540 MPa抗拉強度標準值。

通常，為保證澆筑的安全，在澆筑過程中都有安全富余量，如果根據安全荷載1.4 系數換算，則澆筑速度應在0.23 m/h 左右，但不應超過0.32 m/h，否則，很可能對錨桿產生破壞（因為拉筋對錨桿的力在實際施工過程中不是理想中那么均勻），導致安全事故。

3.5.2 倉位側面拉力

在保證迎水面模板、錨桿、拉筋受力安全的情況下，相應的倉位側面模板總受力F=379 kN，作用在相鄰最近的兩根錨桿和地錨上。每根螺栓所承受的拉力為：F=27.56 kN/m2×1.20 m×1.50 m/4=12.41 kN＜17.80 kN。根據現場拉筋與錨桿連接情況，共有10根拉筋與錨桿焊接，如果都按照最大拉力12.41 kN計算，拉筋焊接位置位于邊坡外則錨桿受到的橫向拉力F=124.10 kN，此時，錨桿受到的剪應力τ=81.56 MPa，遠小于錨桿鋼筋的屈服強度。所以，側面模板受力是安全的。

鋼筋的屈服強度為400 MPa，先按照安全系數1.40 折算，屈服強度為285.70 MPa，設此時最大拉力的拉筋根數為X 根，根據上述公式可以推算出，X=35 根。三根臨近側面模板的錨桿和兩排地錨，完全可以保證側面模板的安全性。

4 結語

文章從宏觀幾何受力方面進行了混凝土澆筑倉位安全分析，確定了大體積混凝土的澆筑速度，滿足項目制定的生產進度計劃。在實際澆筑過程中，澆筑入倉速度始終控制在36m3/h，專業看護模板人員，在澆筑過程中也沒有發現脹模等不安全現象。

通過參與本次安全分析，自己對大體積混凝土澆筑有了更深刻的認識。一般情況下，大體積常態混凝土澆筑速度＜6 m/h，塌落度＜150 mm。在料源有保證、配料單正確的前提下，大體積常態混凝土澆筑應該主要注意以下三個方面：一是入倉溫度，它決定了混凝土的初凝時間，混凝土初凝后，對模板側壓力會逐漸減小，直至可以忽略；二是控制澆筑速度，速度太快，混凝土對模板的側壓力會急劇增大，因為有進度和安全要求，最好理論計算響應的澆筑速度，保證安全的同時也要趕進度；三是倉面振搗，倉面振搗要均勻、全面，這樣不但能不但能保證質量，還可以減少模板所受側壓力。大量研究表明，振搗后混凝土變得密實，內部產生抗剪強度，同時與模板粘結力也逐漸增大，起了自立和起拱作用，所以模板側壓力在振搗均勻后會減小，隨著上層混凝土的澆筑現象會更加明顯。

當然，混凝土澆筑過程中，需要控制的因素還有很多，其中明顯的是還需要在規定的時間間隔內現場測量入倉溫度和塌落度，以便在問題萌芽時及時調整相關設備和數據，以保證混凝土的拌和和澆筑質量。