蒲石河水電站重力壩模板的設(shè)計(jì)與施工

邢 軍，張 濤，應(yīng)小軍

（1.中國(guó)水利水電第二工程局有限公司，北京 100024；2.西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是我國(guó)東北擬建中的第一座大型純抽水蓄能電站。工程主要樞紐建筑物——下水庫(kù)擋水建筑物為重力式混凝土壩，壩頂高程為70.10m，最大壩高34.1m，壩頂長(zhǎng)336m。重力壩主要由19個(gè)壩段組成，包括擋水壩段、泄洪排沙閘壩段和引水壩段等。一期混凝土右岸土建工程：主要包括12～19號(hào)重力壩段。

以16號(hào)引水壩段的結(jié)構(gòu)為例，該壩段倉(cāng)體跨度20.5m，其迎水面▽57.25m高程以下和背水面▽55.10m高程以下為大體積混凝土基礎(chǔ)部分；迎水面▽57.25m高程至▽69.91m高程為垂直上升，▽69.91m高程至▽70.30m高程有一牛腿；背水面▽55.10m高程至▽58.50m高程為前傾53.13°上升，▽58.50m高程至▽67.60m高程為垂直上升，▽67.60m高程至▽69.10m后仰45°上升，▽69.10m高程至▽70.10m高程為垂直上升。

平面方向，引水壩段迎水面有3個(gè)凹廊，左右兩側(cè)在▽67.10m高程至▽69.10m高程有一牛腿。

1 模板方案的選擇

鑒于該工程重力壩屬大體積混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，模板不便使用對(duì)拉螺桿加固承受施工荷載，結(jié)構(gòu)截面形狀不同于一般工業(yè)與民用建筑，有前傾坡、后仰坡和豎直墻，另外壩段之間結(jié)構(gòu)縫處有混凝土楔鍵，并需安裝止水帶。所以，該工程重力壩模板結(jié)構(gòu)型式和施工方案的選擇，直接關(guān)系到工程的施工質(zhì)量、施工效率和施工成本的高低。

模板設(shè)計(jì)總體思路是：①重力壩的迎水面、背水面和重力壩側(cè)面結(jié)構(gòu)縫無(wú)止水帶處使用懸臂大鋼模板施工；②結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)制廊道、檢修門槽和重力壩側(cè)面結(jié)構(gòu)縫在有止水帶處使用木質(zhì)大模板施工。

2 模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 懸臂大鋼模板結(jié)構(gòu)組成

懸臂大鋼模板主要由大鋼模板和懸臂架子兩部分組成。

（1）大鋼模板的結(jié)構(gòu)組成。每塊標(biāo)準(zhǔn)大鋼模板的幅面尺寸為3m×3m，其面板為6mm厚Q 235鋼板，豎肋為8號(hào)熱軋槽鋼，橫肋為80mm×6mm鋼帶，模板橫背楞上下共設(shè)置3道，每道由雙排16a號(hào)熱軋槽鋼焊接而成。

（2）懸臂架子的結(jié)構(gòu)組成。懸臂架子主要由模板連接器、操作平臺(tái)、花籃螺桿機(jī)構(gòu)、模板高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、豎向主背楞、錨固系統(tǒng)、退模機(jī)構(gòu)、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、主三角架、滯后平臺(tái)10個(gè)部分組成。

2.2 木質(zhì)大模板結(jié)構(gòu)組成

木大模板采用雙面覆膜15mm厚木膠合板作面板，以100mm×50mm木方作豎肋，以φ48×3.5mm鋼管作橫豎背楞，模板與豎肋之間以木螺絲連接，豎肋與橫背楞及橫背楞與豎背楞之間，以L型螺栓和山型卡連接。

3 關(guān)鍵部件驗(yàn)算

該工程混凝土結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位均采用懸臂大鋼模板施工，所以，懸臂大鋼模板的設(shè)計(jì)計(jì)算尤為重要，它直接關(guān)系到施工的安全和質(zhì)量。懸臂大鋼模板的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括大鋼模板、橫背楞、主三角架、錨固系統(tǒng)的受力螺栓和豎向主背楞等部件的計(jì)算，其中對(duì)質(zhì)量和安全具有決定性作用的是大鋼模板、橫背楞、主三角架和受力螺栓。大鋼模板是按86系列《全大鋼模板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ01-89-2004）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，其強(qiáng)度和剛度均滿足要求，而橫背楞、主三角架和受力螺栓是專門針對(duì)懸臂大鋼模板設(shè)計(jì)的，在此對(duì)其一一進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 橫背楞的計(jì)算

3.1.1 計(jì)算荷栽

橫背楞是以豎向主梁為支座的連續(xù)梁，其計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 橫背欏彎矩圖

作用在橫背楞上的均布線荷載為：

qmax=Fmax·lmax（N/mm2）

式中 lmax—橫背楞的最大間距（取lmax=1 150mm）；Fmax—模板板面所承受的混凝土最大側(cè)壓力（取Fmax=60kN/m2）；

qmax=60×10-3×1 150=69 N/mm。

3.1.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

σmax=Mmax/rxwx≤f

式中Mmax—橫背楞最大彎矩值，N·m；rx—截面塑性發(fā)展系數(shù)，rx=1.0；wx—橫背楞在彎矩平面內(nèi)凈截面抵抗矩（16 a槽鋼為108.3×103mm3，因橫背楞為雙排16a槽鋼，故wx=108.3×103×2mm3）。

用彎距分配法和疊加法，對(duì)一塊標(biāo)準(zhǔn)3m寬的大鋼模板來(lái)說(shuō)，其：

滿足要求。

3.1.3 撓度驗(yàn)算

懸臂部分

取最大懸臂a=600mm，16 a槽鋼Ix=866.2×104mm4；

滿足要求。

跨中部分

≈1.234mm＜l/1 000

滿足要求。

3.2 懸挑三角架的受力計(jì)算

3.2.1 主三角架的設(shè)計(jì)計(jì)算

主三角架主要用于模板的承放和模板的荷載、施工人員操作模板時(shí)的站立、行走及堆放簡(jiǎn)單的操作工具，它隨結(jié)構(gòu)的上升而逐層提升，每?jī)砷羌芙M成一個(gè)整體，相互之間通過φ48鋼管連接，主三角架掛通過陀螺掛在受力螺栓上。受力螺栓與爬錐和預(yù)埋螺栓連接。

（1）主三角架的受力分析。主三角架主要受到來(lái)自模板傳遞到豎向主背楞的施工荷載，受力分析如下圖2和圖3所示。

圖2 大模板及豎向主背欏受力分析

圖3 主三角架受力分析

圖中：G?！箐撃０寮柏Q向主背楞等自重（每榀主三角架約承受G模=1 000kg=10 000N）；G架—懸臂架子重量（每榀主三角架約G架=750kg=7 500N）；qS——施工荷載（約250kg/m2）[1]，每榀主三角架約承受施工線荷載，qs=250×1.5=375kg/m=3.75N/m；Tdx，Tdy—受力螺栓分別對(duì)主三角架的拉力和支撐力；NEX—墻面對(duì)主三角架的支撐力；NBX，N′BX，NBY，N′BY—退模機(jī)構(gòu)對(duì)豎向主背楞和主三角架的作用力；NA，NC—花籃螺桿分別對(duì)豎向主背楞和主三角架的作用力。

（2）荷載計(jì)算。根據(jù)大模板及豎向主背楞受力圖2，由靜力平衡條件可得如下方程式：

根據(jù)主三角架受力分析圖3，由靜力平衡條件可得如下方程式：

上式中：H=3 300mm；AB=2 700mm；BF=300mm；DE=1 800mm；DC=2 100mm；DBy=100mm；DBx=300mm；l中=1 000mm。

將各已知參數(shù)代入（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）9 個(gè)方程中，解得：

TDX=408 197.91 N，TDY=25 375 N。

3.3 受力螺栓的計(jì)算

使用懸臂模板是否安全，主要取決于受力螺栓、預(yù)埋螺栓和掛點(diǎn)處混凝土的強(qiáng)度。該工程使用的受力螺栓直徑為36mm，從上面的受力分析中，可以看到，D點(diǎn)處受力螺栓既承受拉力，又承受剪力。受力螺栓使用的材料是40 Cr鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》知調(diào)質(zhì)后，其抗剪強(qiáng)度[τb]=750～850 N/mm2，抗拉強(qiáng)度極限[σb]=890～980 N/mm2，屈服強(qiáng)度[σS]=785 N/mm2。

受力螺栓所承受的剪應(yīng)力

受力螺栓所承受的拉應(yīng)力

4 模板施工工藝

（1）施工工序。清理模板→涂刷脫模劑→吊裝模板→按設(shè)計(jì)圖在模板上安裝預(yù)埋螺栓→校正模板位置和垂直度或傾斜度→驗(yàn)收模板→澆注混凝土→養(yǎng)護(hù)→拆模板上預(yù)埋螺栓的連接螺栓→脫模→拆保險(xiǎn)栓→整體提升懸臂大鋼模板至上層→錨固懸臂大鋼模板→在滯后平臺(tái)上取出最下邊留在墻體上的錐體→修補(bǔ)壩體表面→下一循環(huán)施工。

（2）模板錨固點(diǎn)混凝土強(qiáng)度達(dá)到10MPa以上后，方可進(jìn)行下一層模板的安裝。

（3）預(yù)埋螺栓和受力螺栓每次必須用廠家提供的專用力矩扳手?jǐn)Q緊到位。

（4）模板安裝前，上一次澆筑的混凝土頂部需貼5cm寬的防漏漿海綿條，安裝時(shí)，模板下口須覆蓋上一層老混凝土至少5cm，通過調(diào)整退模機(jī)構(gòu)，使模板下口壓緊老混凝土面。

（5）在施工到壩體截面輪廓拐點(diǎn)前一層，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖所標(biāo)注的位置安裝預(yù)埋螺栓，并調(diào)整模板的高度位置，確保在拐點(diǎn)處模板能正確地安裝。

（6）混凝土澆筑到埋件附近時(shí)應(yīng)用軟軸振搗器振搗，防止埋件發(fā)生位移。模板的各層操作平臺(tái)上不得堆放重物，并注意隨時(shí)清理，以確保安全。

（7）拆模后對(duì)混凝土表面可能出現(xiàn)的麻面、氣孔等缺陷，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的修補(bǔ)方法，修補(bǔ)時(shí)采用的砂漿（混凝土）應(yīng)與倉(cāng)內(nèi)混凝土配合比一致。

5 模板施工中的難點(diǎn)和解決措施

該工程懸臂大鋼模板施工中的難點(diǎn)主要有兩處，第一，迎水面▽48.50m高程處后仰牛腿的支模和拆模問題；第二，引水壩段迎水面自下至上凹廊的模板配置問題。

（1）迎水面后仰牛腿的支模和拆模問題，是其它模板結(jié)構(gòu)體系很難解決的，懸臂模板體系的一個(gè)最大優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)在這兒。在這里設(shè)計(jì)制作了專門的后仰三角掛架，附著在主三角掛架的前方，用它解決模板的安裝問題，澆筑混凝土?xí)r，在退模機(jī)構(gòu)上方的混凝土中垂直預(yù)埋1個(gè)φ42×3mm鋼管，拆模時(shí)，先拆大鋼模板，將其吊走，然后用吊裝器拆懸臂架子。

（2）引水壩段迎水面自下至上有凹廊，凹廊寬3.8m，進(jìn)深5.95m，此處采用懸臂大鋼模板施工，陰角處使用陰角模，陰角模與大模板之間為子母口搭接并以螺栓連接，以直角芯帶加固；陽(yáng)角采取壓邊并加海綿條的方法，為確保陽(yáng)角不漏漿，陽(yáng)角處還采用了專用的陽(yáng)角拉結(jié)件，另外，由于凹廊太窄，所以凹廊兩側(cè)墻采用專門設(shè)計(jì)的小三角掛架承載大模板，用可調(diào)節(jié)對(duì)頂撐支頂模板承受混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力。

6 結(jié)語(yǔ)

該工程混凝土結(jié)構(gòu)主要采用懸臂大鋼模板施工，大大加快了施工進(jìn)度，提高了施工質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是重力壩大尺寸牛腿處的施工，既安全又快捷，不需搭設(shè)任何腳手架。另外，大進(jìn)深狹窄凹廊模板的支拆非常方便。實(shí)踐證明，在目前國(guó)內(nèi)水工建筑物，特別是重力壩的施工中，懸臂大鋼模板具有安全、方便、優(yōu)質(zhì)和高效的特點(diǎn)，值得推廣。

［1］建筑施工手冊(cè)（第四版）編寫組.建筑施工手冊(cè)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［2］機(jī)電技術(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)編寫組.機(jī)電技術(shù)常用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊(cè)［S］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1994.

［3］江正榮，朱國(guó)梁.簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.