大坡度中管徑壓力管道外包混凝土施工技術研究

周沛 ZHOU Pei；吳小華 WU Xiao-hua；張奇 ZHANG Qi

（中國水利水電第十一工程局有限公司，鄭州450000）

0 引言

葉爾羌河鏨高水電站水庫正常引水位為1611m，總庫容2800萬立方米；最大壩高24m，主電站發電流量375.60立方米每秒，總裝機容量為185兆瓦，多年平均年發電量5.65億千瓦時，裝機年利用小時數3054小時，施工總工期40個月，項目總投資為17.9億元。電站建成后，將進一步增強南疆四地州電網的供電能力，有利于改善當地電力供給狀況，對社會安全、穩定、和諧、可持續發展具有積極意義。

本標段的主要建筑物包括壓力管道、主電站廠房及尾水建筑物、進廠道路、移民改線道路等。

壓力管道共4根，管徑均為5.0m，鋼管長177.622m。進口中心高程為1592.00m，出口中心高程1547.08m，由斜直段、轉彎段及下平管段組成，斜直段坡度為1:3，每根鋼管4個轉彎，轉彎半徑均為30m，壓力鋼管轉彎角度為2.0°、17.52°、1.5°、17.52°，兩個水平轉彎、兩個豎向轉彎。在壓力鋼管轉彎處設置鎮墩，壓力鋼管首部的水平轉彎和豎向轉彎處設置一個鎮墩，鎮墩尺寸為47.2m×13.0m×10.0m，鎮墩后面設置一個伸縮節。壓力鋼管尾部的水平轉彎和豎向轉彎處設置一個鎮墩，鎮墩尺寸為58.2m×15m×12m。壓力鋼管采用鋼內襯外包混凝土結構，管內徑5.0m，外包混凝土厚0.6m，引四條鋼管垂直進副廠房與機組相接。

1 工藝原理

本文是大坡度中管徑壓力管道外包混凝土施工技術，其技術原理是對四根壓力鋼管斜直段采用交替分段進行壓力鋼管安裝及外包混凝土澆筑，同時優化斜直段外包混凝土設計結構及施工工藝：

壓力管道斜直段頂拱原設計為圓弧狀，混凝土施工難度大，無法保證混凝土振搗密實，且壓力管道之間間距較窄，無法采用鋼模臺車進行施工；經與設計、業主商定，在不改動鋼筋的情況下，將壓力管道斜直段頂拱由圓弧變為梯形，減小施工難度，有效保證混凝土施工質量，同時項目部從施工成本、施工工藝復雜性、地形條件及施工可行性進行多方面對比，最終采用符合項目實際條件的整體模板配反向拉升簡易滑模方式進行外包混凝土施工。

2 工藝原理流程及操作要點

2.1 工藝流程

壓力鋼管基礎處理→底板墊層混凝土澆筑→下平段模板安裝→下平段混凝土澆筑→下部鎮墩模板安裝→下部鎮墩底層砼澆筑→壓力鋼管安裝→側墻及頂板模板安裝→砼澆筑→養護→壓力鋼管斜直段外包混凝土模板安裝→壓力鋼管斜直段外包混凝土澆筑→養護→伸縮節檢修井模板安裝→檢修井砼澆筑→養護→上部鎮墩模板安裝→上部鎮墩底層砼澆筑→上部鎮墩處壓力鋼管安裝→側墻及頂板砼澆筑→養護→漸變段模板安裝→漸變段砼澆筑→養護→砂礫石回填→修砌踏步。

2.2 操作要點

2.2.1 壓力鋼管斜直段外包混凝土設計結構優化

因受疫情影響，壓力管道施工時間較晚，為保證壓力管道施工進度，解決因疫情影響后材料進場困難問題，與設計、業主、監理及施工隊伍商討后，決定在不改動鋼筋的情況下將半徑3.1m的圓弧頂拱改為梯形頂拱，整體由“上部半圓、下部方形”變為“上部梯形、下部方形”的結構。上部“半徑R=3.1m”的半圓替換為“上底長3.2m，下底長6.2m，高2.1m”的梯形，下部“寬6.2m，高3.1m”的方形換為“寬6.2m，高4.1m”的方形。結構改變后減少圓弧頂拱部分的定型模板的投入，減小了圓弧頂頂拱部分立模施工難度，同時減少了分層澆筑二次立模的時間。斷面圖詳見圖1。

圖1 原設計壓力管道外包混凝土斷面圖外包混凝土斷面圖

2.2.2 壓力鋼管斜直段模板及施工工藝研究

外包混凝土施工時在壓力管道斜直段兩側搭設雙排腳手架，做為施工平臺，腳手架間距1.8m，排距1.5m，步距1.2m；模板采用1.8cm厚竹膠板拼裝，兩側邊模分別拼裝為兩塊4.2*10m組合模板，斜面拼裝為兩塊2.586*10m組合模板，模板加固采用φ12拉條內拉內撐，外部采用φ48×3.5mm鋼管做圍柃，示意圖詳見圖2。各壓力管道斜直段頂部安裝一臺10t卷揚機，每次澆筑完成后，整體拆卸模板，采用上部10t卷揚機向上提升移動至下一倉，壓力管道斜直段混凝土澆筑20m為1倉，每根壓力管道斜直段兩側模板配4塊。

圖2 斜直段外包混凝土模板安裝示意圖

斜邊模板拼裝后分別在兩側模板上安裝兩排平板振搗器，由于壓力管道外包混凝土鋼筋較密，受結構限制，為防止兩側混凝土振搗不密實，在斜邊模板底部預留一塊簡易15cm寬可拆卸模板，作為邊墻立面部位的振搗口，在下部鎮墩安裝一臺10t的卷揚機，在斜直段頂部安裝一個定滑輪，采用反向提升的方式作為頂部滑模的拉升裝置，示意圖詳見圖3。

圖3 滑模提升裝置示意圖

由于壓力管道戰線較長，高差較大，現場56m汽車泵及地泵無法滿足整條斜直段外包混凝土澆筑，計劃斜管道下部40m澆筑位置選擇在副廠房基礎位置，采用地泵澆筑，斜管道上部50m澆筑位置選擇在上部鎮墩處，采用汽車泵澆筑，斜管道中間部分澆筑采用泵車與溜槽接力澆筑。鋼管外包混凝土施工采用臺階法進行澆筑，層厚不大于50cm，人工平倉，手持φ70軟管式振搗器振搗。混凝土入倉時，盡量控制下料高度，下料口高于模板表面不超過300mm。下料時兩側對稱下料，避免鋼管移位。振搗時避免觸碰鋼管，振搗時間以混凝土不再顯著下沉，無明顯氣泡并表面開始泛漿為準。兩邊由預留邊墻振搗孔進行振搗，斜坡面采用平板振搗器進行振搗，頂面采用滑模收面，澆筑完成后初凝前，對上表面進行收面，壓實抹光。

混凝土澆筑完畢后，應及時對上表面灑水養護、外側模板灑水降溫。低溫季節澆筑的混凝土收倉后和拆模后，覆蓋草簾或保溫棉布進行保溫。

3 質量控制

3.1 夏雨季施工

①避開高溫時段澆筑混凝土。

②在工作面搭設涼棚。

③采用搭涼棚、灑水、噴霧、加大骨料堆高降低砂石料等原材料溫度。

④加強砌體的養護，及早進行灑水養護，保持濕潤，適當延長養護期。

⑤混凝土罐車采取隔熱措施，縮短混凝土運輸及入倉等待時間。

⑥根據天氣情況盡量避開雨天澆筑混凝土。

⑦當混凝土澆筑過程遇小雨不會影響混凝土澆筑質量時，對已澆混凝土采用薄膜覆蓋，對澆筑區及時排水，連續澆筑。

⑧遇較短時大雨時（2小時），對已澆混凝土采用薄膜覆蓋，澆筑區混凝土間斷澆筑覆蓋，間隔時間小于混凝土初凝時間，雨停后對澆筑區及時排水進行正常施工。

⑨大雨天停止混凝土澆筑施工。

⑩混凝土澆筑結束并終凝后，使其保持濕潤狀態，硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥養護時間不少于14天，但在干燥、炎熱氣候條件下，延長養護時間。

3.2 冬季施工

①保證混凝土出機口溫度。混凝土采用熱水攪拌，保證水溫不得超過60℃。投料前，先用熱水沖洗攪拌機，攪拌時先投入骨料和已加熱的水，攪拌均勻后再投入水泥和外加劑，以防止發生假凝現象，攪拌時間較常溫時延長50%（3～3.5min）。保證混凝土出機溫度不低于5℃。在攪拌混凝土前和停止混凝土攪拌后，用熱水及時沖洗攪拌機。

②混凝土運輸。混凝土的運輸路線提前統籌安排，保證交通不得堵塞，混凝土的運輸時間盡可能短，并盡量減少中間倒運環節。混凝土攪拌運輸車外側要包裹保溫材料進行保溫，盡量減少溫度損失。混凝土入模前，測定混凝土的溫度、坍落度、含氣量及泌水率等性能，符合設計或配合比要求時方可澆筑，并做好相關的檢查記錄，保證混凝土的入模溫度不得低于5℃。

③根據天氣情況盡量避開低溫段澆筑混凝土。

④倉內正溫時才能澆筑，混凝土連續澆筑，加快混凝土施工速度，減少熱量散失，混凝土施工完成后立即用保溫被進行覆蓋保溫，防止澆筑混凝土受凍。

⑤混凝土澆筑后采用保溫被覆蓋，保持澆筑的混凝土仍然正溫。

4 安全措施

建立項目安全保證體系，設專職安全員，進行經常性安全教育，加強安全意識，嚴守操作規程，進行班前安全交底。

4.1 交通安全

遵守個性安全管理規定，進入施工現場的施工用的車輛必須辦理通行證，做到一車一證，并要隨車攜帶，以便檢查。手續不全、車況不好的車輛不得進入。運輸人員的車輛須停放在臨時辦公區內的指定位置。各種車輛的駕駛員必須持有與其駕駛車輛相符的有效的駕駛證件，任何人不得持臨時駕駛證駕駛車輛。施工現場內的各種車輛行駛速度不準超過15公里/小時，車輛停在道路上時必須遵守以下原則：靠邊停置，車的外幫距路邊最大距離不得超過0.5m；司機無安全著裝，不得在施工現場內隨意走動；必須保證道路有4m以上的余量，并保障暢通；完成作業后，迅速駛離現場道路。車輛遇未加保護措施的電纜、電線、各類氣體管道（軟管）等易損壞物品不準軋過，必須采取有效措施后方可通過。只有安裝有座位的車輛才能運載員工。自行車、摩托車、拖拉機、三輪車一律不得進入施工現場，在規劃臨設時規定停放區域，禁止亂停亂放。

4.2 夜間工作管理措施

任何夜間工作必須報項目部施工經理批準，作業單位負責人應確認有關安全措施已落實。

保證夜間施工時有充足的照明。提供固定的、安全的照明設備。自接的照明設備應符合有關標準。現場照明禁止使用移動式碘鎢燈具。夜間施工發生緊急情況時，確保隨時能夠啟動項目的應急響應系統及程序。

4.3 惡劣天氣管理措施

制訂切實可行的防汛、防洪應急計劃，其中包括建立健全搶險救災組織機構和搶險救災隊伍，儲備搶險救災物資和配備救生設施，合理存放，便于取用。雨季施工時，建立領導值班制度，及時掌握有關氣象資料，保證緊急情況發生時，應急領導小組成員、搶險救災隊伍、搶險救災物資及時到位。施工現場庫房、機具棚、堆放場要有排水設施，溝渠暢通，做到雨停水散。半成品及成品堆放不能入庫的要下墊上蓋，防止水浸雨淋。施工用配電箱、電焊機、氣瓶等應有防雨棚。機具設備做到上蓋下墊。合理安排施工，及時做好道路硬化，確保雨季場內道路暢通。保持與當地政府部門的溝通，必要時根據當地政府的統一安排組織人員撤離。

5 效益分析

本工程共4條壓力管道，按照2條壓力管道斜直段所需模板進行分析：

每條壓力管道斜長約為123m，外包混凝土梯形斷面周長為16.6m，每條壓力管道外包混凝土施工所需模板面積約為123*16.6=2042m2，2條壓力管道施工所需模板面積約為4084m2。

若采用鋼模進行施工，鋼模厚度為30mm，租賃單價為5000元/t，本工程模板花費共需4084*0.03*5000≈61萬元。

若采用竹膠板滑模進行施工，每塊竹膠板尺寸為1.22m*2.44m，共需竹膠板4084/（1.22*2.44）≈1372塊，估算需1500塊竹膠板；竹膠板單價為90元/張，本工程模板花費共需90*1500≈13.5萬元，考慮人工費用15萬元，成本共28.5萬元。

二者相比較，采用竹膠板滑模施工節約成本約32.5萬元，具有顯著的社會、經濟效益和廣泛的推廣應用價值。

6 應用實例

①2019年應用于鏨高水電站，該電站壓力鋼管由4根壓力管道組成，每根壓力管道包括上彎段、斜直段、下彎段、水平段組成，斜直段坡比1∶3，管徑均為5m，鋼管長173m。斜直段坡度為1∶3，壓力鋼管采用鋼內襯外包混凝土結構，管內徑5m，外包混凝土厚0.6m，分部鋼筋采用HRB400Eφ16的 鋼 筋、主 筋 采 用HRB400Eφ25、HRB400Eφ28的鋼筋，鋼筋間距20cm。

②2017年3月應用于恰木薩水電站，此電站是葉爾羌河下游河道規劃梯級開發中的第2級電站，其上游為鏨高水電站，下游為亞貝西水電站。工程主要由攔河引水樞紐（土石壩、泄洪建筑物、引水閘）、輸水建筑物（輸水渠道）、前池、壓力管道及電站廠房等主要建筑物組成。主電站發電流量358.0m3/s，生態電站發電流量41.2m3/s，前池正常水位1547.334m，主電站裝機容量200MW，生態電站裝機容量3MW，多年平均發電量6.20（5.96+0.24）億kW·h，裝機利用小時數3054小時。壓力管道采用正面進水單機單管布置形式，共4根，由砼管和鋼管組成，管徑均為5.4m其中壓力鋼管單根長171m。接混凝土管處中心高程為1517.20m，接主廠房上游水下墻處中心高程1475.20m，由斜直段、轉彎段及下平管段組成，斜直段坡度為1:3，每根鋼管2個轉彎段，分別位于3#、4#鎮墩，轉彎半徑均為20m，管內徑5.4m，外包混凝土厚0.5m。

在這兩個項目基坑開挖過程中均體現：壓力管道斜直段坡度較大，壓力管道間距較小，無法采用大型機械進行施工，施工成本高，且難以混凝土澆筑施工質量。同時工程受地理環境、水文地質、工程地質等諸多因素制約，常對施工安全、工程進度、工程投資造成一定的影響。

針對上述所存在的問題，展開一系列技術革新。通過探索應用大坡度中管徑壓力管道外包混凝土施工技術，提高混凝土施工質量，加快施工進度，得到了業主和監理的好評。形成一套完備的公司施工技術，在公司在建水電工程中推廣應用。