混凝土面板堆石坝面板施工关键技术
阎立义 彭 铭 李生芳
(陕西省水电工程局,西安市,710068)
【摘 要】 陕西省水电工程局自1994年以来先后承建了山口电站、海潮坝水库、楚松水库、乌鲁瓦提水库等项目的面板堆石坝工程,这些工程均位于高海拔的严寒干旱地区,施工环境很差.在施工过程中,通过不断的试验研究、工艺创新和工程实践,使混凝土面板施工技术得到了较好的发展.这些技术包括:面板钢筋架立“预制网片、现场组装”工艺;混凝土坡面布料槽车入仓工艺;垫层坡面上、下行全振碾压施工方法;垫层坡面水泥砂浆护面滑模施工方法;高寒干旱气候下面板混凝土养护防裂措施;利用洞室爆破开采坝料的施工方法以及斜坡碾压机具的研制和应用等.这些技术经实践的检验,施工效果良好,效益明显.
【关键词】 混凝土面板堆石坝 施工技术 施工设备 寒冷地区
陕西省水电工程局自1994年以来先后承建了山口电站、海潮坝水库、楚松水库、乌鲁瓦提水库等项目的面板堆石坝工程,这些工程均位于高海拔的严寒干旱地区,施工环境很差.为了发展混凝土面板施工技术,建设优良工程,通过不断的试验研究、工艺创新和工程实践,积累了许多经验.
1 面板钢筋架立“预制网片、现场组装”工艺面板钢筋架立国内通常采用在坝坡面现场焊接(或绑扎).乌鲁瓦提主坝一期面板工期紧,工程量大,施工场地狭窄,面板钢筋架立现场绑扎远不能满足工程度汛要求,结合工程实际情况应用“预制网片、现场组装”工艺.此后的主坝面板及副坝面板(新疆水利水电工程局承建)都采用此工艺施工.
钢筋标准网片规格为11.9 m×10.0 m,两端搭接,搭接长度1.0 m,单片重3~4 t.网片在钢筋加工场制作,分类堆存;组装前用平板拖车运至坝面,经专用坡面钢筋台车再运至坝坡面组装现场.如果受道路制约,平板车运输困难或零星非标准网片,亦可在作业面现场制作网片.
网片现场组装采用卷扬机牵引、有轨坡面钢筋台车运输、人工卸车、架立筋固定、调节架立筋锚固深度、控制安装高程的方法进行.
坡面钢筋台车用型钢加工,尺寸为8 m×6 m×0.32 m(面板宽度方向×长度方向×高度),双轨道三支点两滚一滑块行走结构,3~5 t慢速卷扬机牵引.台车轨道用槽钢100 mm×50 mm制作,锚钎固定.
通过乌鲁瓦提面板钢筋架立经济分析,“预制网片、现场组装”工艺钢筋架立安装费用是“人工坡面现场焊接(或绑扎)”的50%,普工峰值削减70%,直线工期缩短40%.
2 混凝土坡面布料槽车入仓工艺
山口及乌鲁瓦提主坝一期面板混凝土入仓采用坡面溜槽工艺,有很多影响混凝土质量的因素难以排除,后在二期面板改用“布料槽车入仓”工艺.即混凝土罐车将混凝土运至坝面,卸入布料槽车,两台慢速卷扬机牵引布料槽车沿侧模轨道将混凝土封闭送至仓面,人工开启卸料口均匀布料,滑模成型.
布料槽车容积为5.0 m³,槽车的运输能力200m³/d,滑模平均上升速度可达到1.56 m³/d.布料槽车用2台10 t卷扬机牵引.
面板混凝土为跳槽浇筑.Ⅰ序先浇块,以面板混凝土侧模为轨道,Ⅱ序块利用己浇混凝土作基面,布料槽车四滚轮沿混凝土面板表面无轨行走,一台布料槽车两组滚轮依据浇筑Ⅰ、Ⅱ序面板工况不同互换使用.
布料槽车斗总长11 m,由隔板分成11个独立小斗,卸料口0.4 m×0.3 m,用自锁转动活门控制.
3 垫层坡面上、下行全振碾压实
为防止垫层坡面下行振碾粗粒料易散落及坡面鼓包,施工规范规定垫层坡面碾压采用上行振碾、下行不振碾的“半振碾”方法.此种施工方法存在两个弊病:一是目前碾压机具斜坡振动碾起振开关人工操作,上行振下行不振需在坝顶部与底部设二人开、关的起振开关,浪费人力;二是上行下行各一次算一遍,碾压效率低.经试验采取下面技术措施:一是垫层料碾压前洒水均匀且湿润透彻(含水量控制在3%左右),含水量不能过大(易粘滚及鼓包),也不能过小(散落粗粒料);二是振碾前先静压两遍,使粗、细颗粒间紧密结合,下行振碾时粗颗粒不易散落.
4 垫层坡面水泥砂浆护面滑模施工
垫层坡面水泥砂浆护面人工抹面施工,效率低且劳动强度大,喷射砂浆及碾压砂浆其平整度很难达到施工规范+5 cm、-8 cm要求.实验把面板混凝土无轨滑模工艺延伸应用到垫层坡面水泥砂浆护面中,既提高了工效,又保证了砂浆面平整度要求.
滑模长4.5 m,宽0.55 m,钢木结构,中部安装一台附着式平板振捣器.侧模用5 cm×15 cm木板制作,锚钎固定. 1~3 t慢速卷扬机牵引,溜槽送料,人工摊铺、收面.一台滑模一大班可抹面600~700 m²左右,砂浆面平整度通过方格网检查,质量良好.
5 高寒干旱气候下面板混凝土养护防裂
面板混凝土裂缝产生的原因除一些特殊情况外,都是由温度变化和干缩引起的.由温度、湿度等环境因素变化引起混凝土收缩,受到基础约束而在混凝土内诱发拉应力,是面板产生裂缝的破坏力,这是面板裂缝的外因.混凝土的自身性能和质量决定混凝土的抗裂能力,这是内因.因此,防裂措施可归结为提高混凝土自身抗裂能力,尽量减少环境因素引发的破坏力.面板混凝土养护防裂就是要从面板混凝土裂缝破坏力方面进行研究,探讨在内陆干旱气候环境下混凝土面板裂缝发生的特点、裂缝产生的主要外部原因及其养护防裂措施.
山口面板坝1996年施工时,吸取浙江、福建等地面板混凝土养护经验,即混凝土脱模人工收面后用混凝土塑料薄膜覆盖保湿,混凝土初凝覆盖草帘保湿,洒水保湿,但山口面板混凝土裂缝尤其短细裂缝较多且较早发生.带着这一问题对面板混凝土浇筑施工日志资料如气温、风速、混凝土坍落度、入仓温度、洒水保湿等实测数据进行分析,并在坝坡砂浆护面无洒水情况下进行了不同覆盖材料养护保护实验,得出如下结论:(1)新疆内陆干旱性气候环境下混凝土脱模后塑料薄膜覆盖保湿“温室效应”的副作用较强;(2)对养护材料覆盖结构性能进行比较,“上层薄膜底层草帘”结构与“上层草帘底层薄膜”结构相比,前者一是增大日温差,二是对日最高温度的降低不及“上帘底膜”结构.
乌鲁瓦提与山口地处南北疆边缘,虽相距几千公里,但同属典型的内陆干旱性气候,干燥,风大,日温差及年温差大,养护水温低.面板裂缝发生的主要特点有惊人相似之处,即面板裂缝短,细裂缝发生率高且呈早期性.针对这一情况,除对面板混凝土配合比性能及施工工艺等进行研究改进外,乌鲁瓦提二期面板进行现场养护对比试验取得以下成果:一是混凝土养护覆盖结构性能与防裂效果:(1)“单层(或双层)线毯”覆盖养护效果好;(2)“苯板+线毯”覆盖结构早期散热性差,混凝土内部温升高,大于6.0 m的长裂缝发生率高;(3)“薄膜+线毯”覆盖结构裂缝早期发生率及短、细裂缝发生率都较高.二是养护水温低与混凝土温升高之间的“骤冷”促使面板裂缝早期发生.三是年温差大导致面板越冬新增裂缝发生.四是施工工艺上割除架立筋、提高水泥砂浆护面平整度对减少面板基础约束和减少裂缝发生作用显著.五是新疆内陆干旱性气候环境面板混凝土养护防裂措施:(1)混凝土养护覆盖材料性能应具备以下两个特点:一是应使混凝土脱模后早期保湿防干缩性能较优且易于防风固定,二是面板混凝土一般在气温回升阶段施工,为减少混凝土内部温升增长率,养护覆盖材料在混凝土令期7 d前散热性能要好;(2)混凝土龄期7 d内“雾化”保湿或提高洒水水温,缩小养护水温与温升阶段的混凝土温度差值;(3)蓄水前必须实行“终生”养护.
6 斜坡碾压机具的研制和应用
1987年以前国内外均无在坡面上进行振动碾压的理想施工机具,陕工局水利机械厂接受水电部的研制任务,并应辽宁水利厅的要求首先为关门山面板坝的施工研制样机.到目前为止,该设备已在水利水电、交通等工程中广泛使用.在天生桥、成屏、关门山、斗晏、万安溪、黑孜尔、乌鲁瓦提等数十个工程中使用,取得了良好的效果.
6.1 设计思想
当时,国内外通用的面板坝施工工艺是采用薄层铺料、振动压路机分层碾压的方法,以提高填筑压实效果.通过实验,一般主堆石坝铺层0.7~0.9 m左右,振动碾压6~8遍,过渡区和垫层铺厚可取主堆石体的一半,碾压相同遍数均可达到设计密实度的要求.基于上述工艺要点,斜坡碾压机具的工作质量适中,工作振幅和振频也要满足堆石碾压的要求.考虑到面板坝坡面施工的特点,课题组认为新机型的牵引方式与传统的相比,应增加钢丝绳传递动力,这样就可以在坡面上升降自如又安全可靠.另外,新机型上的柴油机在施工中要始终保持水平位置,这样柴油机才能正常工作,又能使碾压机具下到坡底而无漏压区.
6.2 主参数确定
根据斜坡碾压的特点,主要考虑最大坡度施工时产生的正压力和向下分力的大小.正压力的大小直接影响碾压深度,向下分力与坝顶上牵引机具的工作质量、牵引力、钢丝绳粗细等因素有关.以碾压虚层厚0.8 m的堆石层、碾压6遍的工况考虑,新机型的工作质量为10 t.
多年的施工经验及实验表明,振动频率在20~50Hz之间压实效果最好,对基础压实和粗颗粒的碾压对象来说,取值25~35 Hz较为适宜,相应的工作振幅在1.5~2.0 mm范围内.因此新机型振动频率定为31Hz,工作振幅取1.5 mm.
还有一个重要的参数是激振力,一般振动压实效果的好坏取决于碾压设备的总作用力,也就是其工作质量和激振力之和的大小.该机的工作质量在10 t,相应激振力取220~240 kN.
6.3 样机试验
按照上述参数设计的样机研制完成后,在辽宁关门山工地进行工业性试验,在坝顶用挖掘机的卷扬机作牵引动力,采取薄层填筑,多遍数碾压工艺,主堆石体铺厚0.7~0.8 m,振动碾压6~8遍,下游堆石体铺厚0.8~0.9 m,垫层铺料厚0.4 m,振动碾压遍数相同,均达到设计密实度.试验碾压面积1 500 m²,表面平整,施工移位方便,工作平稳.对砂浆护面层先振动碾压后静压收面,不需人工处理,效果甚好.当时水电部在此召开推广混凝土面板坝现场会,与会专家对斜坡碾压新工艺、新设备给予充分肯定.
试验后,课题组进行了完善设计,增加了牵引体旋转结构,使得该产品在平面和斜坡面都能振动碾压.这种定型为YZT10L斜平两用拖式振动压路机的产品填补了国内外该类压实机械的空白,取得了国家发明专利,还获得联合国技术信息促进系统颁发的“发明创新科技之星”奖.
6.4 新机型的主要特点
机架牵引体为装配旋转式结构,可以使整机其它部位不作任何改变就可以在平面和坡面进行振动碾压施工.
巧妙选择牵引点,牵引力的作用线通过机架与碾筒连接的中心部位,使机架在施工中始终保持基本水平,柴油机、电瓶箱、油箱等不倾斜,工作正常.上述牵引点的设计可保证施工中机架后部不再和地面相撞,可解决坝坡底部漏压问题.
牵引连接处采用绳索封闭等腰三角形结构,在机架前梁上侧两端各设一连接点,改变三角形两腰长度,可实现碾压运行方向的改变,达到错位碾压的要求,从而在边坡面可以进行斜向碾压,解决了边坡与建筑物或山体相交处夹角区的漏压问题.
该机型还可配备无线遥控和压实度计,保证安全操作和随时测定碾压密度.
7 洞室爆破开采坝料
甘肃海潮坝水库面板坝因地制宜选用洞室爆破开采堆石坝料的方法,不仅满足坝料的各项技术指标,而且施工速度快,减少了消耗.爆破试验进行了三次,第三次试验效果最好,而且本次试验成果应用于以后的坝料开采中.试验选定多层洞室爆破,根据地形地质情况设计主洞三条,其中下面两条间距25 m,长18 m,宽1.2 m,高1.4 m,上层一条主洞,长13 m,宽1.3 m,高1.2 m,层距20 m;每层主洞设有4个药室,药室间距6~8 m,药室长6 m,宽1.2 m,高1.5 m,共12个药室.上层按松动爆破,下层按加强松动爆破计算装药量,装药系数采用1.2~1.5,总装药量为12 t,爆破量为2.61万m³,起爆网络为四段,平均单耗0.46 kg/m³.
试验结果是,爆破开采坝料的炸药平均单耗由0.53 kg/m³降低到0.46 kg/m³,超径石含量为6%~8%,堆石料连续符合设计要求,高坡山体稳定,飞石控制在安全范围,试验取得了成功.在此后的施工中,经不断实践,炸药单耗降到了0.39 kg/m³以下.
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