乐滩水电站工程混凝土施工关键技术
黄亚雄
(广西水电工程局,南宁 530001)
摘 要:乐滩水电站工程在混凝土施工中采用大块半悬臂模板、滑模、钢筋新型连接、混凝土温控、中强度等级清水混凝土施工技术等一系列的关键技术,为工程的优质、快速完成提供了有力的保证,取得良好的经济效益和社会效益。
关键词:混凝土;施工;关键技术;应用;乐滩水电站
中图分类号:TV52 文献标识码:B 文章编号:1001-408X(2006)03-0020-04
1 工程概况
乐滩水电站扩建工程是红水河规划开发的第八个梯级水电站,是一座以发电为主,兼有航运、灌溉等综合利用效益的水利水电工程。坝址位于广西忻城县红渡镇上游3 km处。电站总装机容量为600MW,保证出力301.86 MW,多年平均发电量34.95亿kW.h。工程主要建筑物有:拦河坝、河床式厂房、船闸及开关站。枢纽建筑物沿坝轴线起讫桩号自右岸0-075 m至左岸0+545 m,坝顶总长620m,坝顶高程130 m。该工程于2001年11月开工,2005年12月20日4台机组全部投产发电。
2 施工关键技术
2.1 模板安装关键技术
2.1.1 大块半悬臂模板
乐滩水电站扩建工程为河床式闸坝、厂房,其混凝土施工需要的模板量大,立模面积大,根据施工经验统计,立模面积系数高达0.7~1.1。模板的合理选型对降低模板工程费用、降低施工成本是至关重要的,而且也是保证混凝土成型尺寸及外观质量的重要因素。乐滩厂坝混凝土工程按3 m的浇筑层高来设计定型化、标准化的大块半悬臂模板,自制了400块3.1 m×3.0 m大块半悬臂模板,面板采用定型钢模板,每块模板设有4榀三角形桁架,采用50 mm×100 mm×3.5 mm方钢制作,结构简单、轻便,每块模板总重1 188 kg。模板底部采用锥形螺母锚固成悬臂结构,顶部采用一排Φ16的拉筋,防止桁架悬臂长度过大而产生外挠,保证混凝土边线平直,经实际检测,按每台班浇筑2 m高的速度施工时模板最大变形为4 mm,混凝土表面平整,上下层无错台。采用大块半悬臂模板与散装模板相比,节省了大量的拉筋;与采用全悬臂模板相比,模板的支架材料用量少,使模板轻型化,便于装拆,虽然增加了顶部一排Φ16拉筋,但在墩墙部位的顶部拉筋采取两侧对拉,对拉拉筋在混凝土面之上,拉筋可重复使用,拉筋损耗用量少,取得较好的经济效果。
2.1.2 滑模技术应用
2.1.2.1 厂房进水口顺坡段及尾水反坡段模板厂房进水口顺坡段及尾水反坡段混凝土底板长约150 m,顺坡段平均宽60 m,坡比1∶5,反坡段宽60 m,坡比1∶3,总浇筑面积达1.8万m²。在施工中采用了滑模技术,滑模主要由支撑模板的钢梁、导轨、配重和作为牵引模板滑动的卷扬机等组成。根据浇筑分块宽度15 m,钢梁制作长度为16 m,采用方钢和角钢等制作,面板长15 m,宽1.2 m,滑动模板总重2.7 t;导轨采用20 a工字钢,配重采用3块混凝土预制块,每块重1.75 t,对称布置在钢梁上,防止模板上浮,采用两台同步等速的3 t卷扬机提升,为减少滑升时阻力,在导轨上面涂上一层黄油。
采用滑模工艺大大减少了安模面积,且方便进料,滑升后可及时抹光,浇筑速度快,混凝土表面平整、光滑。
2.1.2.2 厂房门槽二期混凝土模板厂房共4台机,每台机3孔,每孔有4道门槽,即进水口设有拦污栅槽、检修门槽、工作门槽,尾水设有检修门槽,进水口门槽平均高度50多米,尾水门槽高度约40 m,厂房门槽总长约5 000 m。门槽二期混凝土浇筑工作量大,而且时间紧,为加快施工速度,确保厂房在2004年4月按时下闸,门槽二期混凝土浇筑主要采用液压滑动模板。在闸门槽顶部横置2根18号槽钢,千斤顶倒置固定在槽钢上,通过爬杆,将操作平台平稳提升,把钢模板固定在平台的4个角上,采用螺栓调节准确位置。滑动平台利用型钢作导轨,每个门槽设8只千斤顶,每座控制台可控制一个孔三道门槽的混凝土浇筑提升。经实践证明,门槽二期混凝土浇筑采用滑模的方法与采用搭脚手架、立小块模板的方法相比,减少了装模的工作量,浇筑速度快,每台班可同时提升2.1~2.7 m,无拉筋头外露,每提升一段可立即对混凝土表面进行抹面,节省了今后混凝土表面缺陷处理的工作量,加快了施工速度,同时保证了施工安全。
2.1.3 尾水管模板制安技术
尾水管分为3段,上段为锥管段采用内钢衬,下段为扩散段采用倒T形预制混凝土梁盖顶,尾水管中段为弯肘段,其形状由多种几何面组合面而成,形状复杂,且其高度、长度、跨度均很大,总高14.168m,总长22.591 m,顶板最大跨度22.772 m。尾水管弯肘段模板的制作、安装工程量大,且技术要求高。
经技术经济比较,整套尾水管模板采用钢木混合结构,共制作2套,每套使用两次。整套模板由桁架和支撑体系两部分组成。①曲面部分采用木桁架木面板,支撑体系为钢结构。②平面部位使用定型组合钢模板。
由于尾水管弯肘段从下弯底部到上弯顶部总高达14.168 m,在制作和安装时分上弯段和下弯段。
下弯段又分为上、下两段,下段z=0~2.290 m为钢桁架,配钢模板结构(局部三角形配以木模板);上段z=2.290~7.084 m,其中部为圆柱面,采用钢桁架配钢模板结构,底部和两侧为圆弧面,采用木结构。上弯段均为木桁架结构。
模板分榀分块在木模厂室内平台制作成单元,在室外平台预装,经测量检查合格后,将各单元编号作好标记,再将各单元拆除,运输到现场,采用门机吊装。经过在木模厂的预先拼装,编号标识,大大提高了现场安装速度,且保证了安装质量。
2.2 钢筋连接新型技术
乐滩水电站工程钢筋制安量超过4万t,钢筋接头连接工程量大,为节约施工成本,加快施工速度,除水平钢筋、斜面钢筋等采用手工电弧搭接焊外,竖向钢筋直径25 mm以下的接头连接推广应用电渣压力焊,竖向钢筋直径28~36 mm的接头连接推广应用滚轧直螺纹套筒连接。采用电渣压力焊节省了钢筋的搭接长度及电焊条,减少了电费,同直径的钢筋接头采用电渣压力焊费用是手工电弧搭接焊费用的三分之一,同时电压力焊焊接速度快,提高了施工速度。滚轧直螺纹套筒连接具有无明火作业、节省人力、节能省材、工效快等优点,接头可预制,工厂化生产,质量稳定可靠,对抢工期具有显著的优势,特别适用于大直径密集钢筋结构的施工。
2.3 混凝土入仓技术
2.3.1 一期厂坝混凝土入仓关键技术
乐滩一期厂坝混凝土浇筑量大、强度高,施工高峰期月平均浇筑强度超过3万m³,月最高强度4.5万m³,要按计划完成混凝土浇筑,除了从拌和、运输能力保证外,混凝土的入仓方式是直接影响混凝土浇筑速度的关键因素。一期厂坝混凝土浇筑入仓的主要设备是门机,共投入了7台DMQ540/30门机,门机总吊运能力满足浇筑强度要求。门机的合理布置是保证混凝土浇筑速度的关键所在,门机控制范围应尽能覆盖完混凝土浇筑范围,尽量减少仓面平台手推车或斜槽入仓的范围。初始阶段分别在主厂房上下游各安装2台门机,在主厂房左侧的安装间及右侧的12号坝段各安装1台门机,可将混凝土浇筑范围覆盖完。随着混凝土浇筑的不断上升,门机提升臂杆受到建筑物结构体的影响,其控制范围会越来越小,所以门机布置应根据施工进度要求分阶段进行布置,及时拆除转移,避免受建筑物上升后影响门机的控制范围,同时将门机占用的建筑物位置及时让出。如厂房上游门机首先布置进水口底板的高程71.0 m平台上,当浇完底部高程48~ 71 m混凝土后,便及时拆装到进水口上游的高程81.0 m平台上,由低架改装成高架,负责主厂房高程71 ~130m部分混凝土浇筑,当厂房1号机上游墩墙浇筑到顶后,又将其中1台拆装到坝顶负责厂房中间的二期混凝土浇筑。一期厂坝施工共拆装转移门机13台次。
对于门机控制范围外的浇筑部位采用泵送、斜槽、长臂反铲等辅助入仓手段。
2.3.2 二期坝大体积混凝土入仓关键技术二期施工的1号~9号坝段位于右岸,二期坝的下部混凝土为大体积混凝土,混凝土浇筑方量大,工期短,浇筑强度大,且从一期坝顶到二期坝基础面有58 m的高差,混凝土主要采用自卸汽车从左岸拌和楼运料到一期坝顶,经倾角为45°的Φ600负压溜管垂直运输到二期基坑,输送强度达150 m³/h,输送速度快,且确保混凝土骨料不分离。本工程使用的负压溜管为自行研制,一套负压溜管的加工成本只需10万元。负压溜管输送混凝土入仓工艺,投资少、运行简便、输送效率高,不仅能保证混凝土入仓强度和质量,而且具有明显的经济效益。
2.4 大体积混凝土温控技术
乐滩水电站工程混凝土工程量大,施工工期紧,为防止混凝土发生温度裂缝,以保证建筑物的整体性和耐久性,采取了一系列的温控措施,以满足温控设计要求。
2.4.1 降低混凝土浇筑温度
(1)砂石成品料仓骨料堆积高度保持在6 m以上,并从料堆底部地垄取料,骨料运送皮带上加盖遮阳棚;夏天使用制冷厂生产的2℃冷水拌和混凝土,降低混凝土出机口温度。
(2)高温季节,运输混凝土车上加盖遮阳棚,减少混凝土在运输途中的温度回升。
(3)加强各施工环节管理,加快混凝土运输、吊运和平仓振捣速度,使混凝土从出机口到平仓完成控制在半个小时内,以减少热量倒灌。振捣完成后及时用彩条布遮盖(在下一层覆盖前),防止爆晒。
(4)高温季节尽量避开高温时段浇筑,安排在早晚和夜间浇筑。
2.4.2 降低混凝土的水化热温升
减少单位水泥用量和采用发热量较低的水泥是降低混凝土水化热温升的最有效措施。
(1)通过优化混凝土配合比设计,采用双掺技术,减少单位水泥用量。本工程掺用粉煤灰代替水泥30%~45%(抗冲刷部位为15%),并掺用江苏博特新材料有限公司生产的“JM-Ⅱ”高效缓凝减水剂,减水率23.5%,大大减少了每立方米混凝土的水泥用量;
(2)在满足和易性的前提下,采用大级配低流态的混凝土,1 m³混凝土每增加一个级配可少用20~40 kg水泥,每降低1 cm坍落度可少用4~6 kg水泥。
(3)选用水化热较低的水泥。为加快4号机混凝土施工速度,4号机72 m高程以下底板混凝土浇筑采用柳州“鱼峰”牌525中热硅酸盐水泥。
2.4.3 混凝土人工冷却
对不能采用薄层浇筑天然散热的混凝土采用在混凝土内埋设冷却水管进行初期冷却,效果显著,可消减水化热温升4℃~7℃,冷却速度控制在1℃/d内。冷却水管采用Φ25的钢管,利用钢筋头架立在浇筑分层面上,蛇形布置,水平间距为2 m左右,垂直间距为3 m,即每个浇筑分层设一排。
2.4.4 合理分层分块及合理安排浇筑顺序
(1)为利于混凝土浇筑块的散热,基础和老混凝土约束部位浇筑层厚为1~1.5 m,非约束区浇筑厚度为2~3 m。分块大小须与浇筑能力相适应,也不宜过大,防止产生温度裂缝。
(2)精心组织,合理安排各仓浇筑顺序,保证浇筑层间间歇时间满足设计要求,一般为5~7天。
(3)各坝块均衡上升,如因条件限制,相邻浇筑块高差控制在12 m内。
(4)对机组的重要受力部位采取预留后浇块,间隔一段时间后浇筑微膨胀混凝土,既可以防止温度裂缝,又保证了结构的整体性。
2.4.5 混凝土表面保护
(1)在高温季节,采用麻包袋覆盖新浇混凝土顶面,对混凝土表面进行保护,防止外界热量倒灌。
(2)在混凝土施工过程遇到气温骤降时,采用麻包袋覆盖新浇的混凝土面,对新浇混凝土进行保温防寒。在低温季节将混凝土孔洞结构的孔口封闭防止空气对流。
2.5 清水混凝土施工技术
乐滩水电站发电厂房工程混凝土浇筑总量67.0万m³,其中清水混凝土方量约为8.0万m³,模板总量15.52万m²,施工范围包含的结构有厂房墙体、内墙牛腿、副厂房板梁柱、尾水检修闸门启闭机构架和溢流坝坝顶工作闸门启闭机构架。本工程清水混凝土施工技术核心是模板工艺革新及中强度等级清水混凝土配合比优化设计。
2.5.1 模板工艺革新
对现有模板体系进行革新改造,既要保证模板具有足够的强度、刚度、稳定性及整体拼装后的平整度要求,又要充分考虑在拼装和拆除方面的方便性,尽量做到标准化、系列化,使模板工艺跃上一个新台阶。
根据厂房清水混凝土各部位的结构特点进行专项模板设计,主要采用了以下几种类型模板:
(1)清水墙模板。大面积墙面使用半悬臂式大块钢模板,尽可能减少模板拼缝的数量。半悬臂式大块模板底部采用高强度锥螺母锚固,顶部在混凝土面上设对拉拉筋,无拉筋伸出混凝土表面,避免以往烧割拉筋头而在混凝土表面留下黑疤的毛病;
(2)厂房内墙牛腿模板。在牛腿底的清水墙的半悬臂大块模板支架上立排架管作支撑体系,与在牛腿内用拉筋吊拉的传统施工方法相比,既可节省拉筋成本,又保证混凝土面没有拉筋头外露。且在牛腿的阴、阳角分别采用在厂家订制的135°阴、阳角模来连接,以保证牛腿转角方正、顺直;
(3)副厂房板梁柱模板。采用在旧钢模板内衬1 cm厚竹胶板,即先进行钢模板的安装(安装钢模时预留出竹胶板位置),当钢模板安装加固好后,再安装竹胶板,使竹胶板紧贴钢模板,这样大大减少模板的接缝数量,且表面光洁平整;
(4)启闭机构架模板:采用标准组合钢模板安装,转角处使用阳角模,模板接缝间粘可压缩的双面胶后,密合不漏浆。在模板接缝少的情况下,这种模板工艺比钢模板内衬竹胶板经济、安装更方便,能保证混凝土表面平整光滑。
2.5.2 混凝土配合比优化设计
2.5.2.1 清水混凝土特点及要求
乐滩水电站厂房清水混凝土施工,要求混凝土表面平整光滑,色泽均匀,不允许出现普通混凝土的质量通病,混凝土表面要满足不装修的要求。要使清水混凝土的外观质量达到以上要求,其配合比应具备以下特点:①和易性要好、泌水率要小;②设计强度等级不能太低(工民建、市政、桥梁工程清水混凝土的强度等级均在C30甚至C40以上)。
乐滩水电站发电厂房上下游墙和左右端墙清水混凝土设计强度等级均为C20。施工中,C20混凝土的泌水率较大,很难满足清水混凝土的要求。副厂房板梁柱结构、尾水和坝顶启闭机构架清水混凝土设计强度等级均为C25,基本上可以满足清水混凝土的要求,但仍偏低。
2.5.2.2 配合比优化设计
本工程的混凝土骨料系采用基坑开挖石碴回收加工而成,其颗粒形状的特点是棱角锋芒毕露,扁平状含量较高,造成了混凝土的和易性较差。为了解决C20清水混凝土和易性较差和泌水率过大的问题,根据以往的试验成果进行了统计分析,以确定混凝土的水灰比和引气剂掺量作为重点关注因素,各个因素分别选三个水平进行正交试验:水灰比(0.60、0.55、0.50),引气剂掺量(0.1%、0.15%、0.20%)。试验成果如下:
(1)原材料。试验用原材料检验为施工现场使用的广西华润红水河有限公司生产的“红水河”P.O42.5水泥、来宾B厂生产的Ⅰ级粉煤灰、乐滩水电站工程砂石系统生产的人工砂和碎石以及江苏博特新材料有限公司生产的“JM-Ⅱ”高效缓凝减水剂和南宁市丰瑞工贸有限公司生产的“LZ”增塑引气剂。各种原材料的检验结果均符合相应的国家标准和水电行业的规程规范的技术要求;
(2)正交试验成果分析。根据正交试验方案进行了一系列的室内试验,从试验成果得出:①对混凝土的泌水率影响最显著的是混凝土的水灰比,混凝土的泌水率随着混凝土的水灰比增大而增大,特别是在0.55水灰比以上混凝土的泌水率增大最为显著,可见混凝土的水灰比是控制混凝土泌水率的关键;②混凝土的泌水率随着增塑引气剂掺量的增大而减小,可见适当加大增塑引气剂的掺量也是一种有效控制混凝土泌水率的手段。但是考虑到混凝土含气量过大,会在混凝土表面留下气孔,影响混凝土的表面质量,因此,引气剂的掺量以混凝土控制含气量在2%时的为好。
综上所述,C20清水混凝土配合比的实际水灰比应小于0.50;同时为保证混凝土的和易性,二级配和三级配混凝土的总灰量应分别控制在275 kg/m³和220 kg/m³左右。从C20清水混凝土配合比试验成果中优选用于施工的C20清水混凝土配合比见表1。
清水混凝土施工技术的成功应用,取得了良好的经济、社会效益。C20清水混凝土强度抽样89组,最大31.0 MPa,最小21.3 MPa,平均值26.3MPa,均方差2.61 MPa,合格率100%,保证率99.2%,质量优良;外观质量与已建电站相比得到明显提高,混凝土表面平整光滑,色泽趋于均匀,基本达到了设计要求的自然装饰效果,可谓内实外美,混凝土的外观质量得到业主、设计、监理以及自治区水电工程质量监督中心站专家巡视组的一致好评。且清水混凝土一次成型,节约了重新装修的时间及成本,经综合经济比较可得,每平方米清水混凝土比普通混凝土相比只增加成本11~12元,与重新装修的成本相比显然非常经济。
3 结束语
乐滩水电站工程在施工中不断优化技术措施,开展科技攻关,推广应用新技术、新工艺为主的关键技术,克服了工期紧、工程量大、施工强度高、施工质量要求高等难题,取得了高速、优质的施工成果,实现了4台机组全部提前并网发电,特别是中强度等级清水混凝土施工技术的成功应用,使乐滩水电站混凝土施工外观质量跃上了一个新台阶,为我局水电施工树立了品牌工程,也为业主节约了可观的装修费用,取得了良好的经济效益和社会效益,值得在今后的水电工程施工中借鉴参考。
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