水電站豎井襯砌施工中滑模技術(shù)的應(yīng)用

張 利

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300）

0 引言

滑模技術(shù)是現(xiàn)代化建筑施工中的一種新型施工方式，截至目前，在“U”型水渠、橋墩、豎井等水利、水電工程中的應(yīng)用相對較多。相比傳統(tǒng)的施工技術(shù)，滑模施工技術(shù)在實際應(yīng)用中，具有可實現(xiàn)連續(xù)施工的顯著優(yōu)勢。因此，此種施工方式可在一定程度上提升工程施工的效率，當下我國水工建筑施工產(chǎn)業(yè)，針對滑模技術(shù)的研究已取得了相當顯著的成績，并實現(xiàn)施工過程的高效率、高質(zhì)量與經(jīng)濟環(huán)保[1]。常規(guī)情況下，滑模技術(shù)是通過采用施工模板移動成型的方式實施，在施工中，按照指定的規(guī)模，由大型機械設(shè)備作為牽引裝置，大型機械設(shè)備通過連續(xù)施工，實現(xiàn)水工項目的連續(xù)施工。在制作特定滑模模型過程中，不僅需要普通工具模板作為支撐，也需要動力滑動裝置及配套的設(shè)備施工工藝作為輔助。相比傳統(tǒng)的施工技術(shù)或施工工藝，滑模技術(shù)屬于傳統(tǒng)技術(shù)在不斷操作與實踐中衍生的一種新型施工技術(shù)，要想通過此種技術(shù)做到對施工行為的規(guī)范，應(yīng)在使用技術(shù)施工過程中先明確此種技術(shù)的優(yōu)勢[2]。結(jié)合市場對此方面的研究，可看出滑模技術(shù)不僅可以減低施工過程中的無用成本，也可以做到對施工質(zhì)量的提升。本文將綜合提出技術(shù)的顯著優(yōu)勢，開展水電站豎井襯砌施工中滑模技術(shù)的應(yīng)用研究。

1 水電站豎井襯砌施工方法

1.1 計算水電站豎井襯砌滑模體力學(xué)參數(shù)

在基于滑模技術(shù)，實施水電站豎井襯砌施工的過程中，必須通過分析滑模體荷載的方式，保證滑模體設(shè)計的合理性[3]。在此過程中，考慮到滑模體在襯砌施工時，主要會受到來自垂直方面的荷載作用，設(shè)其表達式為G，則有公式（1）。

公式（1）中，g1為滑升過程中產(chǎn)生的摩擦阻力；g2為水電站豎井支撐桿自重；g3為施工中使用工具的重量。通過公式（1），計算得出滑模體的垂直荷載[4]。在得出其垂直荷載的基礎(chǔ)上，計算力學(xué)參數(shù)中另一個重要指標，即為滑模體的最大允許承載力，設(shè)其表達式為P，則有公式（2）。

公式（2）中，E為水電站豎井襯砌施工所需支撐桿的數(shù)量，為實數(shù)；I為滑模體的彈性模量；K為滑模體受到荷載的波動系數(shù)；U為滑模體流管長度。通過公式（2），得出滑模體的最大允許承載力[5]。通過上述計算，得出水電站豎井襯砌滑模體力學(xué)參數(shù)，以此為依據(jù)，基于滑模技術(shù)設(shè)計滑模體，并安裝在施工指定位置。在設(shè)計過程中，必須保證參數(shù)的精準度，防止在后續(xù)脫模過程中出現(xiàn)不成功的現(xiàn)象。

1.2 水電站豎井襯砌材料配比

在計算水電站豎井襯砌滑模體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計襯砌材料配比。本文配比原則嚴格遵守相關(guān)的施工要求，以保證施工質(zhì)量為首要前提。在此基礎(chǔ)上，對襯砌材料配比提出具體建議[5]。考慮到水電站豎井襯砌受高度的影響，使用的材料配比一般會比同條件下的普通工程項目使用的材料配比低一個強度等級，因此，在實際使用時需注意強度等級的把握。設(shè)施工材料配比的表達式為W/B，則有公式（3）。

在公式（3）中，W為水量；B為水泥量；αa為系數(shù)，采用碎石時為0.46，采用卵石時為0.48；fb為水泥實測強度值；fcu2o為目標混凝土強度等級值；αb為系數(shù)，采用碎石時為0.52，采用卵石時為0.61。根據(jù)應(yīng)用的實際要求，對混凝土原料進行配比調(diào)試。在施工試拌、試鋪的階段做好調(diào)整配制工作，并固定一個最佳的混凝土水膠比取值的范圍[7]。在計算出材料水膠比的基礎(chǔ)上，首先確定襯砌施工的用水量。設(shè)施工用水量為mw0，則有公式（4）。

在公式（4）中，β為碎石最大粒徑。通過用水量以及混凝土水膠比，計算膠結(jié)材用量。設(shè)膠結(jié)材用量為mb0，則有公式（5）。

在得出公式（5）的基礎(chǔ)上，考慮到水電站豎井襯砌施工通常情況下使用中砂，砂率取值42%，用βs進行表示，設(shè)混凝土骨料用量為ms0，則有公式（6）。

根據(jù)公式（6）可以得出，通過改變混凝土的用水量，能夠打破混凝土的動態(tài)平衡，改變混凝土骨料用量，并在此配合比的基礎(chǔ)上，允許水膠比在±0.03之間浮動，不影響混凝土的力學(xué)性能。在計算出混凝土水膠比以及骨料用量后，利用雙摻法并根據(jù)1∶1的比例，控制其配比[8]。考慮到項目施工對混凝土的粘聚性要求，必須最大限度提高混凝土的基底承載能力。因此，充分考慮工程項目概況等多方面因素進行設(shè)計，并經(jīng)過以上計算控制施工材料配比。

1.3 混凝土澆筑

將拌合好的混凝土運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，采用流管入倉。為了進一步補強襯砌施工地基，利用混凝土澆筑溜筒能夠與混凝土基層牢固結(jié)合，將混凝土表層脫落的部分進行手工處理，利用砂紙對混凝土基層進行打磨，打磨厚度嚴格控制在0.1～0.2 cm之間。如果混凝土內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)有部分裸露出現(xiàn)，需在其表層再涂上一層混凝土，對其進行修復(fù)，利用上述處理方法將所有待粘貼碳纖維部位進行處理[9]。對于混凝土受壓產(chǎn)生的較大裂縫，尤其是對路面下的基層密實度不高的斷板進行加固處理時，應(yīng)采用補強地基的加固方法，并采用混凝土澆筑溜筒同標號換板處理，完成對裂縫的加固處理。混凝土澆筑一般采用：樹根樁法、強夯法、內(nèi)填法等，根據(jù)工程項目建設(shè)施工的經(jīng)費及路面結(jié)構(gòu)針對性地進行選擇。本文以樹根樁法為例，在補強地基時，首先在頂板結(jié)構(gòu)上進行鉆孔，并注入藥劑；其次多個布孔之間應(yīng)保持10～15 cm距離，并恢復(fù)其原貌[10]。在本次施工中，混凝土澆筑第1段壓力要求，如表1所示。

表1 混凝土澆筑第1段壓力要求

結(jié)合表1所示，為混凝土澆筑第1段壓力要求。設(shè)澆筑段的澆筑壓力的計算表達式為δ，以下各段的澆筑壓力按下式計算：

公式（7）中，P0為第1段的澆筑壓力；a為巖石破碎系數(shù)，本次工程中取值為0.05；h為阻塞器栓塞以下的基巖段長度。在此基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)裂縫加固的不同加設(shè)型號不同的鋼筋網(wǎng)片結(jié)構(gòu)，加設(shè)時首先安裝底網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其次是鋼筋和加墊網(wǎng)安裝，最后進行加網(wǎng)和鋼筋的安裝。通過上述等一系列操作，當澆筑到預(yù)期高度時，停止?jié)仓诨炷凉潭ê蟛捎萌斯ΨQ的方式拆除滑模體。以此，實現(xiàn)混凝土澆筑。

1.4 施工結(jié)束養(yǎng)護

為保證襯砌施工效果更好，還需對其進行養(yǎng)護。當施工環(huán)境溫度在20.0～30.0 ℃之間時，高溫更有助于碳纖維布和樹脂膠水的固化，所以對其進行10 d的養(yǎng)護即可；當施工環(huán)境溫度在10.0～20℃之間時，固化養(yǎng)護時間需延長3～5 d，具體延長時間根據(jù)實際情況而定，即養(yǎng)護時間為13～15 d；當施工環(huán)境溫度在0～10.0 ℃之間時，固化養(yǎng)護時間需延長5～7 d，即養(yǎng)護時間為15～17 d；當大施工環(huán)境平均溫度低于0 ℃時，較低溫度不適宜碳纖維布和樹脂膠水固化，養(yǎng)護時間最少需要20 d。待固化養(yǎng)護工作完成之后，還需在碳纖維布表層涂抹一層防火涂料，以此實現(xiàn)施工結(jié)束養(yǎng)護，完成整體施工。

2 對比實驗

選擇某地區(qū)水庫電站作為實驗環(huán)境，該水庫電站的建設(shè)項目中包含多種不同環(huán)節(jié)，此次僅針對豎井襯砌施工進行詳細說明。該項目水頭為12.58 m，總裝機容量為2×550 kW，電站引水道為有壓式，引水道橫截面直徑為3.58 mm。為進一步驗證基于滑模技術(shù)的水電站豎井襯砌施工方法和傳統(tǒng)施工方法在實際項目中的應(yīng)用效果，在保證除上述操作存在差異以外，其余影響最終施工效果的因素均設(shè)置為相同條件，由兩種施工方法同時開始施工。該項目的特點為豎井底部與整個水庫電站的引水洞完全貫通，在項目施工方案圖當中規(guī)定，豎井口到底部的距離應(yīng)為52.21 m，開挖過程中斷面直徑應(yīng)為12.5 m，襯砌過程中其后斷面直徑應(yīng)為12.5 m。設(shè)置實驗組采用的施工方法為基于滑模技術(shù)的水電站豎井襯砌施工方法，對照組采用的施工方法為常規(guī)分段模式下的澆筑方式，分別對其設(shè)置相同的施工任務(wù)，并在兩種施工方式均達到相同的施工預(yù)期后，記錄實驗組和對照組的施工工期，并將其相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄，繪制成如圖1所示的實驗結(jié)果對比圖。

圖1 實驗組與對照組施工工期對比圖

從圖1中可以看出，實驗組與對照組在1～5個施工環(huán)節(jié)分別針對豎井進行襯砌施工時，實驗組的施工工期明顯小于對照組的施工工期。實驗組在1～5個不同施工環(huán)節(jié)中，施工工期均未超過20 d，而對照組在1～5個不同施工環(huán)節(jié)中，施工工期均超過了25 d。由于最終兩種施工方法的施工質(zhì)量在各個指標上均相同，因此，進一步說明實驗組的施工效率更高。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，滑模技術(shù)在實際應(yīng)用到豎井襯砌施工當中能夠?qū)崿F(xiàn)對豎井的連續(xù)性作業(yè)，因此這一技術(shù)的引入也是提升實驗組施工效率的最主要因素。在兩種施工方法完成對豎井的襯砌施工后，本文施工方法當中引入了更加合理的養(yǎng)護策略，對固化養(yǎng)護時間進行了適當?shù)难娱L。本文養(yǎng)護策略當中，對不同水電站建設(shè)的施工環(huán)境溫度進行了針對性的養(yǎng)護策略制定，因此能夠進一步提高豎井襯砌施工最終的質(zhì)量，并為其后續(xù)在水電站當中的使用提供安全保障。因此，通過對比實驗進一步證明，基于滑模技術(shù)的水電站豎井襯砌施工方法在實際應(yīng)用中能夠在保證施工質(zhì)量的前提條件下，縮短施工工期，為水電站其他項目的施工提供時間條件，實現(xiàn)水電站整體施工的高效性要求和標準。

3 結(jié)束語

本文通過計算水電站豎井襯砌滑模體力學(xué)參數(shù)、設(shè)計水電站豎井襯砌材料配比的方式，完成對基于滑模技術(shù)的水電站豎井襯砌施工方法設(shè)計，并通過實驗證明本文方法優(yōu)于傳統(tǒng)方法。