白鶴灘水電站龍落尾邊墻低坍落度混凝土施工技術

劉 凡， 彭 培 龍， 安 懷 念

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

白鶴灘水電站為世界上在建的最大水電工程，其無壓泄洪洞群為世界之最。隧洞斷面尺寸為15 m×18 m(寬×高)，進出口水頭差達到120 m，下泄流量為12 250 m3/s，最高流速為47 m/s，全洞采用無壓直洞設計及龍落尾消能結構，龍落尾邊墻高流速過流面采用C9060高標號抗沖耐磨混凝土(坍落度為50～70 mm)，從而避免了對左岸抗力體和強卸荷邊坡的不利影響，同時亦規避了明滿流交替流態的不利運行工況。項目部針對高標號混凝土及復雜體型帶來的溫控防裂難度與高精度施工質量要求，提出了體型精準、光滑平整、高強防裂的施工高標準。

在水利水電工程等領域，隧洞邊墻混凝土的傳統入倉方式為泵送，但該方式存在混凝土坍落度高、水泥用量大、水化熱大，無法滿足該工程高標號混凝土溫控和防裂要求(該工程最大溫度要求控制在39 ℃內)的難題，必須考慮采用低坍落度的常態混凝土入倉。

低坍落度常態混凝土具有成本低、溫控防裂難度小、抗沖磨性能好等優點[1]，因此，泄洪洞澆筑低坍落度常態混凝土成為水電人的首選目標并為此做過很多研究和實踐，但受各種復雜因素制約，該目標一直未能全面實現。

2 低坍落度常態混凝土施工工藝

項目部針對白鶴灘水電站泄洪洞龍落尾邊墻“高水頭、大泄量、高流速”對隧洞襯砌混凝土的特殊要求以及大斷面隧洞襯砌混凝土“無襯不裂”的世界性難題，通過理論分析、裝備研制、技術開發等系統研究，形成了白鶴灘水電站龍落尾邊墻低坍度混凝土施工技術并付諸實施，提升了工程精品建造水平，為大型洞室襯砌混凝土設計、施工提供了理論依據和技術支撐。

白鶴灘水電站龍落尾邊墻低坍度混凝土施工工藝原理包括：大坡度重載快速自動供料原理、混凝土襯砌臺車大坡度變斷面液壓自行走原理、高邊墻低坍落度混凝土上料系統原理以及高邊墻無缺陷施工縫處理原理等，分別介紹于后。

2.1 大坡度重載快速自動供料

為解決大坡度(最大坡度為23°)工況下常態混凝土運輸問題，研制了大坡度重載快速自動供料系統。該系統主要包括變頻定制卷揚機+鋼絲繩牽引系統+PLC智能運料小車等。

該系統由PLC程序控制的固定卷揚設備、供料斗車及上料平臺組成，通過軌道全程自動運行并配備四套安全制動裝置以確保運行安全。系統單次運料能力為6 m3，入倉強度約15 m3/h。管理上采用無人操作、專人值守、精于保養制度。該系統自開始運行至結束未發生任何設備故障和安全事故。

該系統結構設計情況為：

(1)重載供料斗車。小車設計斗容為9 m3，運行重量約25 t，采用門架式結構設計以滿足不同坡度供料空間要求，大坡度重載運料小車示意圖見圖1。

圖1 大坡度重載運料小車示意圖

(2)快速變頻卷揚提升裝置。采用60 m/min的快速變頻卷揚機以滿足25 t荷載小車的坡道往返要求，加裝變頻器以實現調速功能。采用PLC智能電器無人操控，實現了上料小車運行一鍵啟動，起步、加速、減速、停止和急停等全程自動控制。

(3)采用四套安全制動裝置確保施工安全。①快速變頻卷揚機配置兩套安全制動裝置：高速端采用兩臺125型高速制動器，低速端加裝液壓鉗盤制動器并通過液壓泵站與PLC聯動控制卷筒，用于正常運行制動。②運料小車配置兩套安全制動裝置：大間隙碟型彈簧自動抱輪裝置及拖曳式抱軌制動裝置。該裝置自帶電源和測速裝置并自帶儲能裝置，當牽引鋼絲繩斷裂或卷揚機失效造成小車失速時，該裝置自行啟動，驅動抱輪及抱軌裝置保證小車在3 m范圍內由60 m/min速度快速減速至0。

2.2 混凝土襯砌臺車大坡度變斷面液壓自行走

白鶴灘水電站泄洪洞龍落尾段由渥奇曲線段、斜坡段和反弧段組成。渥奇曲線方程為Z=X2/500+0.015X,斜坡段坡度為1∶4。反弧段位于斜坡段下游，反弧半徑為300 m，龍落尾段最大坡度為23°。白鶴灘水電站泄洪洞龍落尾共設計了3個摻氣坎，每個摻氣坎前后邊墻襯砌斷面尺寸單側突變15 cm，摻氣坎部位底板陡降2 m。為解決上述難題[2]，項目部研發了大坡度變斷面液壓自行走混凝土襯砌臺車。

大坡度變斷面液壓自行走混凝土襯砌臺車的原理為：襯砌臺車擁有四個獨立的垂直與水平調節機構，可實現單套臺車在多斷面及陡坡工況下安全運行，再通過臺車變斷面設計及重心調節功能可以滿足4個斷面下襯砌及臺車自行走要求，進而解決了同類工程摻氣坎部位采用散拼模板襯砌體型控制難度大、缺陷多的問題。邊墻大坡度變斷面液壓自行走鋼模臺車見圖2。

其主要結構設計特點如下：

(1)邊墻鋼模臺車變斷面結構設計：在臺車頂部布設4個水平液壓油缸，懸挑臺車面板，通過伸縮移動實現臺車的初步定位，通過臺車立柱上的機械調節螺栓精準定位臺車面板進而實現變斷面混凝土襯砌功能。

圖2 邊墻大坡度變斷面液壓自行走鋼模臺車示意圖

(2)邊墻鋼模臺車行走系統：采用同步液壓系統驅動行走，同時具備在陡坡上上行和下行的功能。

(3)邊墻鋼模臺車重心調整系統：采用同步液壓垂直頂升系統調整臺車的重心，確保臺車安全順利地通過結構變折點。

(4)邊墻鋼模臺車的防滑裝置：采用自起落防滑掛鉤裝置，能夠有效地防止臺車在斜坡段發生下滑和傾覆。

2.3 高邊墻低坍落度混凝土上料系統

高邊墻低坍落度混凝土上料系統實現了18 m高邊墻低坍落度混凝土(坍落度為50～70 mm)全方位入倉。該系統主要由“扇形料斗、送料裝置、長距離斜坡皮帶運輸裝置、水平伸縮旋轉布料裝置”組成。混凝土平均上料強度可達18 m3/h，較常規高邊墻混凝土澆筑設備效率提高了20%。高邊墻低坍落度混凝土上料系統結構圖見圖3。

圖3 高邊墻低坍落度混凝土上料系統結構圖

(1)扇形中轉料斗：根據送料裝置運動曲線進行異形設計，斗容為9 m3，解決了自卸汽車垂直下料與水平輸送之間的過渡問題。

(2)送料設備：送料設備系在普通扒渣機基礎上改進而成。通過加長大臂的方式增大操作半徑并與料斗匹配；通過改進液壓系統，保證了設備連續作業和操作靈活；通過加大電機功率與皮帶轉速，保證了混凝土連續送料。

(3)長距離斜坡皮帶運輸裝置：研制出能調速、可移動長距離斜坡皮帶裝置，解決了混凝土垂直運輸難題。該裝置采用大傾角(16°)倒懸支撐結構設計并與臺車軟連接。皮帶長60 m，垂直運輸高度達18 m。

(4)水平伸縮旋轉布料裝置：該裝置可左、右自動伸縮且能正、反向旋轉。能夠實現定點、對稱下料，同時具有隨底板坡度變化的調平功能。

2.4 高邊墻無缺陷施工縫的處理

一般而言，邊墻施工縫縫面坑洼、缺損等缺陷較小，但在高速水流下極易進一步擴大并產生氣蝕破壞，由于邊墻施工缺陷小且淺而難以進行逐個修補，采用化學材料進行蓋縫處理的方式易損傷母體混凝土，且因后補材料黏結力不足而導致出現平整度難以得到保證等問題，在高速水流作用下蓋縫材料極易被沖毀。

項目部針對縫面缺損產生的原因，為從根本上消除縫面缺陷，經深入研究發現：只有在確保下一倉混凝土澆筑時已澆倉施工縫面平直、光滑、無缺陷后方可確保兩倉混凝土施工縫無縫銜接。因此，高邊墻無缺陷施工縫的處理主要包括高邊墻豎直施工縫無缺陷處理施工工藝及邊墻水平縫無缺陷處理施工工藝。

2.4.1 高邊墻豎直施工縫無缺陷處理施工工藝

(1)縫角切割：切除縫面處低強浮漿層和縫面缺損，實現已澆倉縫角光滑密實、棱角分明。高邊墻豎直施工縫無缺陷處理工藝見圖4。

(2)搭接面打磨：通過掛線、光照法圈出凸出部位，對搭接面不平整部位進行打磨以提高模板與搭接面的貼合度，打磨寬度為10 cm。

圖4 高邊墻豎直施工縫無缺陷處理工藝示意圖

(3)雙膠止漿：澆筑前，搭接面先貼透明膠、再貼止漿條，并于后期清理以提高止漿效果。

(4)“內外雙控”搭接：倉外控制頂絲力度直至止漿條厚度被壓縮至1 mm，倉內采用光照法檢查貼合度。

(5)臨空面堵頭模板：鋼筋保護層外的堵頭采用高強、平整的堵頭模板，以確保拆模后縫面質量，減小縫面切割量。

2.4.2 高邊墻水平施工縫無缺陷處理施工工藝

高邊墻水平施工縫無缺陷施工工藝的內容：

(1)臺車面板加深設計：臺車面板加長至深入底板過流面以下10 cm，以避免在底板過流面高程產生缺陷。

(2)內外雙支撐：臺車面板下部的散拼模板采用內外雙支撐，避免漏漿。

(3)切縫后鑿毛：邊墻拆模后，立即對過流面以下的邊墻進行切縫鑿毛。鑿毛前，沿底板過流面高程以下2 cm畫切割控制線，切割深度為5 cm。

3 操作要點

3.1 基巖面及施工縫面的處理

過流面以下(橫向銅止水以下)、邊墻環向施工縫面(鋼筋內部)的處理：采用電鎬鑿毛，電鎬鑿毛點間距≯5 cm，角度為60°～70°。

底板表層鋼筋至過流面：測量人員根據過流面設計高程放樣出控制點位→掛線(過流面下1 cm)→彈墨線→切縫→鑿毛。切縫深度不小于3.5 cm。

底板銅止水與表層鋼筋之間的保護層：采用釬子鑿毛。鑿毛時采用木板覆蓋銅止水的方式進行防護。為防止銅止水破損，預留2～3 cm不進行處理。

鋼筋與過流面之間環向施工縫的處理措施：拆模后采用6 m靠尺檢查該處施工縫的平整度情況。對于不平整度超過1 cm的部位采用磨光機打磨平整。待不平整度滿足要求后對該縫面采用磨光機將乳皮打磨徹底，嚴禁鑿毛。打磨完成后，用棉紗擦凈過流面上的污染灰塵，然后先貼一層透明膠，再貼雙面膠。

3.2 鋼筋的安裝

安裝鋼筋前，先由測量隊放點，測量放樣點位每個倉面不少于2個斷面，每個斷面共計9個測量點。利用全站儀在邊墻打點標識高程、偏距及架立筋高程控制點[3]。

3.3 臺車系統

臺車結構：龍落尾邊墻的襯砌臺車由模板總成、皮帶輸送機、門架總成、行走機構、側向螺旋千斤、門架螺旋千斤、液壓系統、電氣系統、側向走道平臺、液壓操作平臺、工作梯裝置等多部分組成。臺車安裝效果見圖5。

圖5 臺車安裝效果圖

3.4 模板系統的安裝

3.4.1 臺車立模

臺車就位后，鎖定行走輪、鎖緊夾軌裝置、旋出基腳千斤頂撐緊鋼軌、落下行走掛鉤，防止臺車移動。當確定臺車固定后，伸縮頂部變斷面油缸，使臺車模板達到斷面要求；再伸縮側向油缸，使模板達到襯砌輪廓要求。

3.4.2 堵頭模板立模

為保證新老混凝土拼縫質量，邊墻豎向縫搭接模板采用硬搭接。為提高下游端棱角的質量，堵頭模板與邊墻模板拼接的模板采用槽鋼連接或高強度的1 cm厚紅色木模板連接(一倉一換)；為加強臺車模板下口支撐強度，對局部需要加強支撐的部位增加斜向機械千斤頂，同時在下口增加70號角鐵，防止該部位漏漿；老混凝土位置采用掛垂線/6 m靠尺的方式檢查混凝土面的平整度在4 mm以內，對凸出位置采用磨光片按照1∶10的比例進行打磨，過流面以下的拼縫模板主要由底層鋼筋下部木模、銅止水至上層鋼筋木模、上層鋼筋至過流面模板及銅止水與底層鋼筋之間的P3015拼裝模板組成。由于底板鋼筋過縫造成過流面以下模板多處拼裝，木模板需根據鋼筋間距刻槽，槽寬4～6 cm以確保鋼筋可以穿過。該部位的木模板因設計要求具有一定的強度，因此，刻槽搭接模板全部為一次性紅色層板。

3.4.3 涂刷脫模劑

脫模劑采用色拉油，涂刷要求均勻成膜、不漏刷、不積存。

3.5 混凝土澆筑

混凝土采用自卸車運輸至施工現場，卸入大坡度重載快速供料系統內，再進入高邊墻低坍落度混凝土上料系統入倉。

混凝土振搗采用復振工藝，嚴格執行“定人、定機、定崗、定責”，采用φ100 mm振搗棒，插入點采用正方形布置，不留振搗死角，快插慢拔以無大氣泡冒出、混凝土不再明顯下沉為宜[4]。

3.6 拆 模

邊墻過流面下部模板拆除時，先拆除臺車斜向機械千斤頂，再拆除順水流方向的架管和豎向架管，最后拆除銅止水固定U型支架。支架拆除完成后，采用鐵釬自上游向下游拆除鋼模板。

下游堵頭模板的拆除順序為自上而下拆除，拆除后采用吊鉤將模板逐塊提至臺車上部堆放。臺車面板的模板拆除為先拆除機械千斤頂(水平機械絲杠)，再利用液壓油缸單側自下而上拆除臺車面板。

3.7 養 護

龍落尾邊墻的養護采用智能養護系統。該系統的工作原理是通過風速測定儀、溫濕度感應探頭測定已澆筑混凝土表面的溫度、濕度、風速參數，并將測定數據反饋回電腦，經電腦分析確定混凝土在特定時間內所需的噴水量和噴水持續時間兩個參數，通過調整脈沖控制儀的電流脈沖持續和間隔時間達到調整噴水時間的目的[5]。

4 結 語

該項技術依托白鶴灘水電站泄洪洞工程進行了龍落尾邊墻低坍度混凝土施工，該工藝采用自卸汽車運輸、自動運料系統、變斷面液壓自行臺車施工。該施工工藝的應用對依托工程具有重要的指導作用，必將促進我國大型地下洞室高速水流區底板襯砌施工技術和理論的進步，通過該施工工藝，能夠優化混凝土的運輸方式及施工工藝，降低材料及人工的使用量，同時能夠減少混凝土施工過程中的粉塵，有利于節能減排、提高施工質量，所取得的經濟和社會效益顯著，并可為類似工程的設計、施工和管理提供借鑒。