烏東德水電站泄洪洞出口段底板隱軌自行式滑模設計與應用

鄭 強，曹中升，劉傳煒, 曹金慧, 王義文

(中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

1 工程概況

烏東德水電站左岸泄洪洞工程無壓段為城門洞形，開挖凈斷面尺寸16 m×20.71 m，由進口漸變段、上游緩坡段、摻氣坎段、下游陡坡段及出口擴散段組成。無壓段總長456.05 m，起止高程為910.00 m～860.75 m，起始部位設25 m長漸變段，上游緩坡段長265.53 m，設計坡比3%，中部摻氣坎段長43.8 m，下游陡坡段長101.5 m，設計坡比26.8%，出口擴散段長20.22 m。無壓段襯砌為鋼筋混凝土結構，采用“先邊頂拱，后底板”的施工方法。其中陡坡段底板襯砌厚度1 m，寬度14 m。陡坡段為泄洪洞水流流速最大區域，高流速運行特點對底板混凝土平整度及密實性提出了很高的要求。泄洪洞出口段結構見圖1。

圖1 泄洪洞出口段結構圖 單位：高程，m;其他，mm

2 模板方案比選

2.1 常規滑模方案

帶狀混凝土板澆筑通常使用滑模施工。常規滑模由卷揚機系統、導軌設施和桁架式模板系統組成。施工時，在倉位兩側布置導軌，桁架架設于軌道之上，模板固定在桁架上，混凝土澆筑過程中移動桁架實現混凝土模板的移動。常規的滑模方案一般采用卷揚機拉升，1個條帶一次澆筑完成，節省了模板拆除工序，施工工效較高。但同時混凝土拉模時機受拌和質量波動較大，不易控制，易發生跑模，成型質量易受較大影響[1-2]。

2.2 隱軌自行式滑模方案

隱軌自行式滑模系統由桁架式鋼模板、液壓自行系統和埋入式軌道組成，模板通過液壓自行系統在軌道上實現緩慢勻速滑動，軌道隱藏埋入混凝土結構面之內。

隱軌自行式滑模將軌道布置在混凝土結構內，軌道不再拆除，可實現混凝土澆筑過程的均衡連續，解決了軌道布置與混凝土倉面之間的相互影響，同時避免了軌道拆裝損壞混凝土面的情況，提高了高速過流面整體成型質量。

采用液壓自爬升系統，取消了常規滑模所必需配置的卷揚機系統，設計采用自行系統，避免了卷揚機系統占用作業空間，減少了施工干擾和安全風險。綜合比較后，在施工中采用了隱軌自行式滑模方案。

3 隱軌自行式滑模設計

滑模主要由走行系統、平臺系統、模板系統及液壓系統組成。走行系統由走行托臂主體、行走托臂支撐、行走托臂小斜撐、行走托臂可調支撐等組成；平臺系統主要由抹面平臺組成；模板系統由平面模板、組合桁架、調模組件等組成；液壓系統由液壓油缸、液壓動力單元、液壓管路、控制箱等組成。隱軌自行式滑模模型見圖2。

圖2 隱軌自行式滑模模型圖

3.1 模板結構

3.1.1結構型式

滑模模板采用9塊標準1.5 m×1.5 m模板拼裝組合成13.5 m×1.5 m大面模板，另有柔性膠皮連接兩側。模板主要采用6 mm面板和橫筋板，6 mm邊框以及[10槽鋼制作。組合桁架采用兩組間距100 mm雙[12槽鋼與[10槽鋼焊接組成桁架單元，并布置橫向及斜向支撐。桁架截面中心尺寸為1.2 m×1 m，橫向長度為13.8 m。桁架與模板通過專有連接件連接固定，并可通過調模組件調節模板傾角及高度[3]。

3.1.2受力計算

(1) 幾何模型

使用SolidWorks2017建立模板系統的三維模型，并對細部結構進行了簡化處理，去掉了一些對受力計算影響不大的特征與零部件，考慮到簡化后的模型仍然較大，不適合整體計算，為優化計算量，提高計算精度，實際計算時采用單塊1.5 m×1.5 m鋼模板模型進行計算分析。

(2) 網格劃分

網格劃分直接影響計算結果的精度與計算過程的效率。一般來說，網格劃分得越細，計算結果的精度越高，使用的計算時間越長。為了兼顧計算的準確性與計算機的硬件要求，經過反復嘗試，得到了計算效率較高的，滿足計算結果精度要求的網格劃分。模板系統模型網格總數為42334個。網格劃分結果如圖3所示。

圖3 模板系統網格劃分結果圖

(3) 邊界處理

模板系統在澆注工況中承受的荷載主要來自于混凝土上托力、配重水箱的重力及模板系統與抹面平臺挑梁鉸接處支座反力，其次來自于模板系統的自重。在空載工況中承受的荷載主要來自于配重水箱的重力及模板系統與抹面平臺挑梁鉸接處支座反力，其次來自于模板系統的自重。根據澆注時模板系統的工況對計算模型給予約束。

(4) 驗算結果

1) 澆注工況

圖4所示為模板系統澆注時的應力云譜圖。從圖中可以看出應力普遍在屈服點以下，較大的應力區域主要集中在模板邊肋位置。

圖4 模板系統澆注時的應力云譜圖

圖5所示為模板系統澆注時的位移云譜圖。從圖中可以看出最大位移為0.5 mm，主要集中在模板中間位置。

圖5 模板系統澆注時的位移云譜圖

2) 空載工況

圖6所示為模板系統空載時的應力云譜圖。從圖中可以看出應力普遍在鋼材屈服點以下，較大的應力區域主要集中在模板邊肋位置。

圖6 模板系統空載時的應力云譜圖

圖7所示為模板系統空載時的位移云譜圖。從圖中可以看出最大位移為0.7 mm，位于模板中間位置。

圖7 模板系統空載時的位移云譜圖

3.2 模板軌道設計

3.2.1軌道形式

滑模導軌采用雙[10槽鋼，軌道中心線距離已澆筑邊墻2 m；軌道坐落于底板過流面橫向結構鋼筋頂部；導軌根據龍落尾底板結構體型進行加工，每節3 m，導軌底面位于過流面橫向結構鋼筋頂部，與橫向結構鋼筋牢固焊接，導軌支點順水流方向間距1 m布置，截面型式現場自定，理論強度不應小于圓鋼C25[4]。

3.2.2受力計算

(1) 幾何模型

使用SolidWorks2017建立平臺系統的三維模型，并對細部結構進行了簡化處理，去掉一些對受力計算影響不大的特征與零部件。

(2) 網格劃分

網格劃分直接影響計算結果的精度與計算過程的效率。一般來說，網格劃分得越細，計算結果的精度越高，使用的計算時間越長。為了兼顧計算的準確性與計算機的硬件要求，經過反復嘗試，得到了計算效率較高的，滿足計算結果精度要求的網格劃分。導軌模型網格總數為26473個。網格劃分結果如圖8所示。

圖8 導軌模型網格劃分結果圖

(3) 邊界處理

導軌承受的荷載主要來自行走托臂支撐及整個滑模系統自重，其次來自于導軌自重。根據工作時導軌最不利的工況對計算模型給予約束。

(4) 驗算結果

根據導軌工作過程中的應力云譜分析，應力普遍在鋼材屈服點以下，較大的應力區域主要集中在導軌與導軌底部支撐連接處。

導軌工作過程中的最大位移為1.7 mm，出現在導軌端部位置。

3.3 自行系統設計

(1) 滑模導軌系統主要由導軌、支點錨筋等部位組成。

(2) 陡坡段底板范圍按2 m×2 m間距布置有錨筋，利用底板錨筋外露部分焊接結構鋼筋樣架，控制樣架鋼筋安裝精度。滑模安裝在支點鋼筋及鋼筋網上，控制底板鋼筋網安裝精度，是提高導軌安裝精度的關鍵。鋼筋保護層按15 cm控制，驗收達標后進行滑模導軌安裝。鋼筋及錨筋等材料采用小滑車運送至作業部位。

(3) 在底板鋼筋網綁扎完成后安裝滑模導軌，利用底板的系統錨桿并加密布置?25 mm錨桿，將系統錨桿與增加的定位錨桿作為導軌支點。導軌安裝時精確測量，控制安裝精度與混凝土面坡度、方向一致。導軌錨桿示意見圖9。

圖9 導軌錨桿示意圖

(4) 導軌定位錨桿施工后，在定位錨桿上焊接?25 mm支點鋼筋，支點鋼筋保護層按15 cm控制，在支點鋼筋上安裝導軌，導軌高度10 cm，調校合格后焊接牢固，導軌頂面距離混凝土面按5 cm控制。導軌安裝精度水平位置按-5～5 mm控制，相對混凝土面高度按-5～0 mm控制。導軌一次安裝完畢。導軌安裝見圖10。

圖10 導軌安裝圖 單位：mm

4 混凝土施工

4.1 滑模安裝

滑模主要由：行走主體、模板、桁架、抹面平臺、動力裝置等幾個部分組成。

(1) 滑模主體：由托臂和桁架構成滑模主架體。托臂及小斜撐通過銷軸與導軌上滑塊連接，通過連接件將托臂與模板桁架連接。行走主體由托臂前部轉檔件與頂升油缸交替進行爬升，油缸頂升時托臂爬靴舌體需與導軌提檔脫離。滑模主體在緩坡段拼裝后用卷揚機通過導軌放至起滑部位[5]。

(2) 液壓爬升系統：主要由爬靴、頂推油缸、油路和操作箱等部分組成。油缸頂推前，確保油缸下爬靴舌體與導軌梯檔抵緊，油缸頂推托臂前移，滑模整體移動，頂推到位后，拖臂前部導軌齒與導軌扣緊，油缸收回，往復循環，以實現連續爬升[6]。

(3) 滑模模板：模板由1.5 m×1.5 m鋼模板拼裝組成，模板拼裝后，固定在型鋼桁架上。模板兩端靠側墻部分安裝橡膠板與側墻銜接。主桁架由桁架橫桿、斜桿、水平加強桿組成，均通過螺栓連接。桁架內部空間放置配重水箱[7]。

(4) 抹面平臺：抹面平臺由抹面平臺挑梁、抹面平臺跳板及抹面平臺圍護組成。抹面平臺跳板現場安裝后，需與抹面平臺挑梁焊接固定。抹面平臺圍護網板現場根據編號拼裝后與圍護立桿現場自攻釘固定安裝。

(5) 備用爬升系統：在托臂前端各安裝一副5 t導鏈，作為滑模保險裝置及備用爬升手段。滑模爬升后及時將倒鏈收緊，防止出現意外。

滑模安裝示意見圖11。

圖11 滑模安裝示意圖 單位：mm

4.2 滑模澆筑

4.2.1混凝土澆筑

陡坡段底板混凝土強度等級為C9040W8F150抗沖磨混凝土，采用小三級配澆筑，坍落度12～14 cm。混凝土運輸入倉方式為攪拌車運輸泵送入倉。采用平澆法澆筑，連續倉內分縫模板兩側要對稱澆筑。

混凝土運輸至泄洪洞出口，由泵機入倉，沿挑流鼻坎至陡坡段布置泵管至澆筑部位下料。下料過程中倒換下料位置，對稱均勻下料。采用混凝土振搗棒進行人工振搗，混凝土初凝時間為4.5～5 h之間，根據混凝土初凝情況進行爬升。正常爬升速度為25～30 cm/h，每次滑升20～30 cm。模板下部混凝土面脫出后及時進行抹面，并根據抹面情況調整每坯層澆筑控制時間。循環至陡坡段滑模倉位施工完畢[8]。

4.2.2抹面及養護

混凝土面脫出后及時進行抹面，抹面按照“粗抹、壓抹、精抹”工序進行。粗抹采用2 m鋁合金刮尺將混凝土面刮平，并剔除超高混凝土，對于高程不足的混凝土采用原漿補填后刮平；在刮平后馬上進行壓抹，采用手持抹面機抹面提漿，在此過程中用全站儀進行平整度復核；在接近初凝時完成精抹，采用鐵抹子人工壓光收面[9]。

混凝土抹面收光強度達到后，及時進行噴霧灑水養護并及時覆蓋保濕布保護，抹面24 h后采用掛花管長流水養護，養護時間為90 d。

4.3 模板拆除

每條隧洞的陡坡底板混凝土澆筑完畢后，人工拆除模板上部輔助設施，布置1臺小型吊車，將拆除的構件編號后轉移至下一條泄洪洞內安裝使用。

5 結 語

烏東德左岸泄洪洞工程出口陡坡段底板混凝土采用了隱軌自行式滑模施工，很好的解決了陡坡段底板混凝土質量要求高、作業空間受限、施工難度大等問題。根據現場實際情況，滑模單日最大滑升可達7.5 m，施工效率高；施工過程中未發生一起安全事故，安全可靠性高；施工完成后經測量，底板混凝土平整度平均偏差為2 mm，小于設計允許值3 mm，達到了優良工程的標準。該項技術的推廣應用為今后類似工程施工積累了寶貴的實踐經驗。