西藏拉洛水利樞紐大壩迎水面混凝土面板滑模施工技術(shù)

馬江飛，楊金華，王 黎

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

0 引 言

滑模施工是連續(xù)分層澆筑混凝土，澆筑成型后利用提升設(shè)備提升模板，直至滑升到需要高度的一種施工方法。滑模施工具有模板面積較大、重復(fù)使用性強(qiáng)、機(jī)械化程度高、連續(xù)性作業(yè)好、澆筑速度快、澆筑的混凝土表觀質(zhì)量較好等特點(diǎn)[1]，因此在混凝土面板中的使用較多。江埡大壩溢流面[2]、武威市西營(yíng)灌區(qū)渠道護(hù)坡[3]、寶興水電站調(diào)壓室系統(tǒng)工程[4]、紫坪鋪大壩面板澆筑[5]、新藏水電站調(diào)壓室井筒[6]等均采用滑模施工。甘州區(qū)黑河河道治理工程壩面混凝土澆筑全部采用滑模施工，為工程節(jié)約直接成本5%以上[7]。拉西瓦水電站進(jìn)水口以上邊坡均采用滑模施工工藝，混凝土平均滑升速度2 m/d，只需常規(guī)混凝土澆筑工期的1/5，大大節(jié)省了施工工期[8]。卷?yè)P(yáng)式滑模有施工布置復(fù)雜、牽引力小、容繩量有限等缺點(diǎn)，在作業(yè)空間狹小的斜井等部位沒(méi)有得到推廣應(yīng)用[9]。以往工程中滑模設(shè)計(jì)支墩采用的是錨桿+混凝土的方式進(jìn)行，且大多均未進(jìn)行詳細(xì)的受力分析，有一定的過(guò)載隱患需要對(duì)此進(jìn)行部分優(yōu)化。

拉洛水利樞紐大壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，壩頂高程4 305 m，屬于典型的高海拔地區(qū)。最大壩高61.50 m，壩長(zhǎng)425.59 m，壩頂寬7 m；上游護(hù)坡結(jié)構(gòu)由下至上為20 cm厚墊層(防凍、適應(yīng)變形)、10 cm厚M10水泥砂漿(固化坡面，防止?jié)仓r(shí)墊層下滑)、20 cm厚C25F200現(xiàn)澆混凝土面板，Φ80 mm PVC排水管伸入墊層10 cm，4 290 m以上設(shè)Φ8 mm@100 mm×100 mm防裂鋼筋網(wǎng)。上游護(hù)坡馬道高程為4 290 m，坡比為1∶2，4 290.00～4 296.06 m為一期面板，4 296.06 m以上為階梯式踏步。施工中一期面板工期緊、高原環(huán)境及雨季施工對(duì)施工質(zhì)量及施工速度影響大。采用常規(guī)的組合鋼模板施工面臨模板頻繁拆卸導(dǎo)致模板損耗大，施工縫處理及平整度難以控制，坡面施工輔助材料運(yùn)送工程量大等困難。該工程面板施工的作業(yè)面相對(duì)較廣，不受作業(yè)空間限制，能夠充分發(fā)揮滑模施工的整體性，結(jié)合施工實(shí)際條件及滑模優(yōu)點(diǎn)，最終確定上游面板混凝土采用滑模施工。本文通過(guò)對(duì)該工程滑模施工設(shè)計(jì)、配重、施工方式及過(guò)程中的難點(diǎn)和控制措施等進(jìn)行全方面分析總結(jié)，得出滑模施工設(shè)計(jì)、受力分析及質(zhì)量控制思路。

1 施工方法難點(diǎn)分析及改良措施

(1) 施工區(qū)高寒缺氧、氣候多變、冷凍期長(zhǎng)、風(fēng)沙肆虐、紫外線輻射強(qiáng)，導(dǎo)致人員、機(jī)械降效比較嚴(yán)重，施工期恰逢8～9月雨季。常規(guī)定型或組裝模板安裝周期長(zhǎng)，整體施工速度不能滿足下閘蓄水目標(biāo)。卷?yè)P(yáng)式牽引滑模施工具備模板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝過(guò)程簡(jiǎn)單、混凝土面較美觀等特點(diǎn)，因此施工時(shí)優(yōu)先選用此方式。

(2) 滑模施工牽引系統(tǒng)一般采用地錨、巖石錨固點(diǎn)和鎖定裝置固定，錨固力一般不小于總牽引力的3倍。本工程錨固裝置需置于壩面，隨施工進(jìn)程逐步上升，處于變化狀態(tài)，常規(guī)的地錨不適用于本工程。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，選用了借助支墩為主、抓地錨為輔，依靠自重抵消滑模下傾趨勢(shì)的思路進(jìn)行支墩設(shè)計(jì)及安裝。

(3) 牽引力合力的方向應(yīng)與滑升阻力的合力方向相重合才能保證提供的阻力受力最優(yōu)化。因此，選擇通過(guò)改良混凝土支墩與牽引索接觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行了優(yōu)化，以進(jìn)行受力點(diǎn)調(diào)整。

1.1 滑模設(shè)計(jì)

采用無(wú)軌滑模施工面板，首先進(jìn)行了滑模設(shè)計(jì)，選用模板面配合框架支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要由滑模主體、作業(yè)平臺(tái)(兼具配重放置作用)、抹面平臺(tái)組成。

1.1.1 配重計(jì)算

根據(jù)程聚臣、李軍的試驗(yàn)，只要模板鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量大于浮托力，滑模就不會(huì)浮起[10]。由于模板結(jié)構(gòu)過(guò)寬后容易導(dǎo)致自重、側(cè)壓力過(guò)大的情況，因此需要合理調(diào)整條帶寬度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，施工條帶按照5 m進(jìn)行劃分，模板為厚5 mm鋼模板，其結(jié)構(gòu)單重為39.25 kg/m2，長(zhǎng)6.0 m，寬1.1 m，模板面積A=6.0×1.1=6.6 m2，抹面平臺(tái)自重為0.24 kN，模板自重G=2.59+0.24=2.83 kN。

應(yīng)用二力平衡原理，模板結(jié)構(gòu)配重需要將其與浮托力進(jìn)行平衡計(jì)算，見(jiàn)式(1)和圖1。

圖1 配重系統(tǒng)受力分析示意Fig.1 Stress analysis diagram of counterweight system

Q=A×Pcosθ

(1)

式中：Q為配重與模板總量，kN；A為模板與混凝土接觸面積，m2；P為混凝土上托力，kN；θ為模板的傾角，(°)。

根據(jù)規(guī)范進(jìn)行分析計(jì)算，當(dāng)模板傾角小于45°時(shí)，新澆筑混凝土對(duì)模板的上托力取3～5 kN/m2，混凝土厚20 cm，取4 kN/m2；混凝土長(zhǎng)5 m，寬1 m；模板傾角為27 °。經(jīng)計(jì)算Q=17.82 kN，配重≥Q-G=17.82-2.83=14.99 kN，因此，實(shí)際施工時(shí)采用23 kN(平衡狀態(tài)下1.5倍)，即配重2.3 t。

1.1.2 牽引力計(jì)算

根據(jù)SL 32-92《水工建筑物滑動(dòng)模板施工技術(shù)規(guī)范》要求，模板牽引力按式(2)計(jì)算：

R=[FA+Dsinθ+K1(Dcosθ-P)+mDcosθ]K2

(2)

式中：R為模板牽引力，kN；F為模板與混凝土黏結(jié)力，kN/m2；A為模板與混凝土接觸面積，m2；P為混凝土上托力，kN；D為模板系統(tǒng)自重(包括配重及施工荷載)，kN；θ為模板的傾角，(°)；K1為模板與混凝土間摩擦系數(shù)；m為滾輪或滑塊與軌道間摩擦系數(shù)；K2為牽引力安全系數(shù)，取1.5～2.0。

新澆混凝土與鋼模板黏結(jié)力F取0.5 kN/m2，混凝土與鋼模板摩擦系數(shù)K1取0.4。滑塊與軌道間摩擦系數(shù)m取0.2；施工人員自重取2 kN，則D=2+Q+G=2+23+2.83=27.83 kN；出于安全冗余考慮，K2取1.7，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(3)。

R=[0.5×5×1+27.83×sin27°+0.4×

(27.83×cos27°-4×5)+0.2×27.83×

cos27°]×1.7=37.42 kN

(3)

考慮安全儲(chǔ)備(15%)及高原降效影響(15%)，則牽引力需達(dá)到R=37.42×(1+15%+15%)=48.65 kN。使用1個(gè)5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)能提供5000×9.8=49 kN的拉力，能夠滿足1倉(cāng)滑模施工要求；鋼繩設(shè)置于滑模兩端，保證平齊上升。

1.1.3 抗滑墩計(jì)算

目前，常用的支撐設(shè)置為長(zhǎng)錨筋+支撐件的方式，主要依靠錨筋與基礎(chǔ)的摩擦抗拔力來(lái)保持穩(wěn)定。這種方式不適用于工作面一直在變化的壩體，因此借鑒鋼釘冰爪鞋套的原理，采用預(yù)埋外露Φ25抓地筋5 cm以增加支墩下滑抵抗力。由于壩體處于填筑上升階段，壩后錨固存在嚴(yán)重的交叉施工，不具備進(jìn)行錨樁施工的條件，因此，采用混凝土墩作為卷?yè)P(yáng)基礎(chǔ)。抗滑系統(tǒng)受力分析見(jiàn)圖2。

圖2 抗滑系統(tǒng)受力分析示意Fig.2 Stress analysis diagram of anti sliding system

根據(jù)二力平衡原理，要保證模板系統(tǒng)安全，必須滿足以下條件：

f阻=μ(G混+Rsinθ)≥Rcosθ

(4)

式中：f阻為卷?yè)P(yáng)基礎(chǔ)與地面阻力，kN；μ為混凝土與壩殼料摩阻系數(shù)；G混為混凝土重力，kN。

摩阻系數(shù)μ取0.7，經(jīng)計(jì)算G混=30.64 kN，混凝土容重為24 kN/m3，卷?yè)P(yáng)基礎(chǔ)混凝土體積B=30.64/24=1.28 m3。所以，卷?yè)P(yáng)基礎(chǔ)尺寸選擇高×寬×長(zhǎng)為1.2 m×1.8 m×1.8 m的混凝土支墩(平衡狀態(tài)下3倍)，支墩下設(shè)防滑筋，混凝土下部設(shè)置Φ25@500 mm錨筋，出露5 cm伸入壩殼料。

1.2 施工參數(shù)

根據(jù)計(jì)算及分析，滑模施工參數(shù)為：模板用5 mm厚鋼板，配重2.3 t，滑模及抹面平臺(tái)自重0.283 t，滑模滑行最大拉力49 kN，卷?yè)P(yáng)基礎(chǔ)混凝土支墩尺寸1.2 m×1.8 m×1.8 m。支墩澆筑時(shí)將底面鑿毛1～2 cm凹坑以增大混凝土與地面摩擦力并增加防滑鋼筋。側(cè)模采用槽鋼作為模板，主要作為滑模支撐，側(cè)模板使用錨筋進(jìn)行固定，側(cè)模也兼做滑模滑升軌道。兩端采用鋼筋進(jìn)行錨固，使用工字鋼輔助模板進(jìn)行制作，內(nèi)側(cè)保證平整順直，避免出現(xiàn)影響混凝土結(jié)構(gòu)的凸起；放置前涂刷脫模劑。外側(cè)設(shè)吊環(huán)，保證方便起吊且不影響結(jié)構(gòu)。面板施工程序?yàn)椋荷皾{坡面修整、做垂直縫砂漿條帶、面板鋼筋綁扎、垂直縫止水銅片加工及安裝、立側(cè)模板、滑模就位及溜槽布置、混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)。

2 施工過(guò)程重難點(diǎn)

2.1 坡面處理

滑模施工時(shí)由于模板滑升的要求，坡面平整度要求較高，根據(jù)多次嘗試，最終采用如下方案：坡面測(cè)量放線時(shí)按照每5 m放坡線，用挖機(jī)進(jìn)行修坡以保證坡面平整度，修坡的同時(shí)灑水車(chē)均勻在坡面灑水，挖掘機(jī)輔助人工將坡面夯實(shí)。于4 290 m馬道大壩填筑時(shí)預(yù)留5 m寬位置，保證4 290～4 279 m混凝土護(hù)坡施工車(chē)輛通行支墩的安置及材料轉(zhuǎn)運(yùn)，待4 290 m以下混凝土護(hù)坡澆筑完成后，將4 290 m馬道剩余部分分層回填修整至2 m寬。

2.2 模板安裝

模板安裝是坡面混凝土施工中極其重要的一環(huán)，模板結(jié)構(gòu)決定了坡面混凝土完成后結(jié)構(gòu)邊線是否能夠滿足要求。采用以下方式進(jìn)行模板控制：立模自下往上進(jìn)行，側(cè)模板安裝前保證砂漿墊層平整度及強(qiáng)度。測(cè)量放線后使用廣告色兌水進(jìn)行模板邊線標(biāo)記，按照邊線進(jìn)行兩側(cè)錨筋安裝。待錨筋安裝完成一側(cè)后進(jìn)行側(cè)模兼軌道的安裝，最后完成剩余錨筋安裝及固定，這種在墊層上打插筋?yuàn)A持固定模板的方式簡(jiǎn)便有效。側(cè)模上口與澆筑面齊平，對(duì)于較長(zhǎng)斜坡部分使用側(cè)邊拋撐進(jìn)行固定，避免施工過(guò)程中出現(xiàn)脹模現(xiàn)象。底部不規(guī)則處使用木模板補(bǔ)齊，并用木板補(bǔ)縫。模板上設(shè)置測(cè)量控制點(diǎn)控制立模，立模完成后進(jìn)行校模。

2.3 混凝土澆筑

采用跳倉(cāng)澆筑法，在澆筑完第一倉(cāng)混凝土后，中間隔一倉(cāng)立模，跳躍進(jìn)行混凝土澆筑，待兩側(cè)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上再澆筑中間倉(cāng)。這時(shí)不再架設(shè)側(cè)模，直接用先澆筑的跳倉(cāng)混凝土塊表面安裝厚3 mm扁鐵支撐滑動(dòng)模板，扁鐵抹黃油以利滑動(dòng)。

混凝土澆筑前檢查坍落度并控制在40～60 mm，這樣能保證來(lái)料入倉(cāng)連續(xù)澆筑，又使得脫模后的混凝土不高、不流淌、無(wú)鼓包。混凝土入倉(cāng)采用溜槽方式，每個(gè)倉(cāng)面設(shè)置2條U型拼接溜槽。澆筑前使用適量的水濕潤(rùn)通道并保證水不流入倉(cāng)內(nèi)，隨后使用少量砂漿濕潤(rùn)倉(cāng)面。如果溜槽出料口離滑模距離較遠(yuǎn)，下料范圍較大，由于滑模速度是一定的，上部的混凝土得不到及時(shí)的覆蓋，容易初凝而產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題，在氣溫較高的晴天更為顯著。卸料時(shí)確保四周均勻下料，以減少不均勻的側(cè)壓力對(duì)滑模造成變形，最好每天或每澆筑5 m進(jìn)行一次糾偏，并采用漸變過(guò)渡的糾偏方式[11]。據(jù)此，施工過(guò)程中采用2處同時(shí)下料，設(shè)專人在倉(cāng)面左右移動(dòng)溜槽，使混凝土拌和物沿面板寬度范圍內(nèi)均勻地將料散布至滑模前沿，以減少人工平倉(cāng)工作量并保證下料均勻、質(zhì)量可控，滑模系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 滑模施工系統(tǒng)Fig.3 Slip form construction system

根據(jù)李炳松等的研究，在氣溫達(dá)28 ℃左右的情況下，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，在2 h內(nèi)達(dá)到0.2 MPa，滿足不了混凝土的出模強(qiáng)度要求，不利于滑模施工[12]。因此，施工時(shí)注意氣溫對(duì)澆筑的影響，必要時(shí)采取一定降溫措施。本工程夏季澆筑混凝土?xí)r采用脫模后以塑料薄膜覆蓋并灑水覆蓋保濕，3 h后覆蓋無(wú)紡布澆水降溫的方式進(jìn)行降溫處理，冬季增加保溫棉被覆蓋以保證混凝土表面溫度，防止溫度裂縫的產(chǎn)生。具體的下料范圍及降溫措施根據(jù)氣象條件靈活調(diào)整。層間振搗過(guò)程中保持振搗棒插入下層5 cm，間距不大于30 cm，振搗時(shí)間保持15～20 s。澆筑時(shí)嚴(yán)格控制澆筑厚度，以免造成模板漂浮。滑動(dòng)模板滑升前，先清除前沿超澆混凝土，出于安全及質(zhì)量考慮，不得在模板前沿遠(yuǎn)距離堆積大量混凝土。應(yīng)保證澆筑的連續(xù)性，因故中止?jié)仓r(shí)間超過(guò)混凝土初凝時(shí)間時(shí)，按施工縫處理[13]。施工停滯時(shí)每20 min滑動(dòng)10 cm，防止模板與混凝土黏結(jié)。

2.4 收面及養(yǎng)護(hù)

在滑模下2 m設(shè)置一道拉模，隨著滑模滑升人工站在模板上進(jìn)行混凝土收面，保證混凝土表面平整、光滑。收面時(shí)先用2 m靠尺找平，然后用抹子進(jìn)行第一遍搓平，搓平后隨即用鐵抹子壓光，混凝土終凝前用磨光機(jī)二次收面，減少表面干縮裂縫。

出模后的混凝土及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。混凝土表面抹面、壓光后用塑料薄膜覆蓋，使混凝土表面保溫、保濕。混凝土終凝后，移去塑料薄膜，最后采用無(wú)紡布覆蓋并養(yǎng)護(hù)。灑水養(yǎng)護(hù)采用在面板頂部安裝長(zhǎng)水管，并沿水管長(zhǎng)度方向以梅花形布置透水孔，水從孔中噴出到面板上，并從上往下流遍整塊面板，進(jìn)行常流水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)由專人負(fù)責(zé)檢查灑水情況，對(duì)于水流不到的位置，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)灑水。

3 特殊情況施工

3.1 高原降效應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)高原降效的影響，采用了以下幾種措施：① 多應(yīng)用有高原施工經(jīng)驗(yàn)的人員；② 施工前進(jìn)行施工預(yù)演，采用BIM技術(shù)輔助進(jìn)行施工組織交底，保證施工方案的交底效果；③ 重視施工設(shè)備選型，盡量采用機(jī)械化作業(yè)，減少人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；④ 采用冗余資源配置理念，以冗余系數(shù)指導(dǎo)人員、設(shè)備等配置，使資源配置達(dá)到最佳；⑤ 醫(yī)務(wù)室常備預(yù)防高原反應(yīng)的藥物。

3.2 雨季施工

針對(duì)雨季施工可能帶來(lái)的影響，主要增加了以下措施：① 及時(shí)收集雨情信息，隨時(shí)準(zhǔn)備好防雨帆布；② 在溜槽上部增加遮蓋，在天氣較熱或下雨時(shí)保護(hù)溜槽內(nèi)混凝土；③ 施工區(qū)域上部在壩殼料內(nèi)設(shè)置截水溝，避免雨水灌入倉(cāng)內(nèi)沖刷已澆筑完成的混凝土；④ 收面完成后及時(shí)覆蓋薄膜，養(yǎng)護(hù)的同時(shí)避免急雨對(duì)混凝土面的直接沖刷；⑤ 施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備足夠的保溫及防雨材料，如帆布、海綿；⑥ 增加砂石骨料含水率檢測(cè)頻率，及時(shí)調(diào)整施工配合比。

3.3 施工效果分析

澆筑完成后如果脫模時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，混凝土表面干裂會(huì)導(dǎo)致“龜紋”現(xiàn)象。所以，對(duì)于脫模早的混凝土，收面時(shí)進(jìn)行了多次找平、多次收面；對(duì)于脫模晚的混凝土，在表面灑適量稀水泥漿收面。施工過(guò)程檢查滑模偏移情況，當(dāng)操作平臺(tái)的累積偏移量超過(guò)5 cm并不能調(diào)平時(shí)，停止滑升并及時(shí)處理。施工過(guò)程隨時(shí)進(jìn)行質(zhì)量檢查，采用卷尺、靠尺等檢查混凝土面平整度。通過(guò)上述各項(xiàng)控制措施的實(shí)施，拉洛水利樞紐大壩上游迎水面混凝土一期面板于2019年8月14日至9月23日完成，歷時(shí)39 d，共澆筑2 500 m3混凝土，平均64 m3/d，施工質(zhì)量及進(jìn)度均滿足工程要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)合理的施工組織及技術(shù)指導(dǎo)，在4 300 m的高原降效加之雨季影響下依舊保證了施工質(zhì)量并提前完成一期混凝土面板的施工，為拉洛水利樞紐工程下閘蓄水目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)上游面板施工質(zhì)量檢測(cè)并對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)一步驗(yàn)證了滑模施工方式在高海拔地區(qū)能有效減少施工降效、雨季施工等帶來(lái)的質(zhì)量及進(jìn)度影響。這一成功范例取得了良好的高海拔地區(qū)雨季滑模施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似工程有較強(qiáng)的借鑒意義。