長引水式電站隧洞支洞斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)

張理理，何 良，周德彥

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，成都 610072)

1 工程概況

出居溝水電站引水線路全長12534.302m，隧洞進(jìn)口底板高程1794m，調(diào)壓井處底板高程1550m，隧洞穿越區(qū)沿線山體雄厚、地形陡峻、溝谷深切，山頂海拔高度一般3000～3500m，臨谷高差1000～1500m，屬典型的高山峽谷地貌。沿線沖溝發(fā)育，規(guī)模相對較大，溝床坡降一般10%～30%。隧洞圍巖巖質(zhì)類型主要為前、后段板巖、片巖類，中段碳酸鹽巖類，主要斷層、地層走向均與洞線大角度相交。

引水隧洞施工支洞控制段主洞工作面地處沖溝地段，隧洞埋深約78m，隧洞縱坡i=0.00401，開挖斷面為底寬3.6～4.5m、高3.6～4.45m的城門洞形，襯后斷面為圓形，襯后直徑3.3m。過溝段采用鋼板襯砌外包鋼筋混凝土的方式，鋼襯內(nèi)徑為2.4m。根據(jù)地質(zhì)勘探初步判定該洞段圍巖以Ⅳ1類為主 (約占60%)，其次為Ⅳ2和Ⅲ類。該施工支洞緊鄰“蜂桶寨國家級自然保護(hù)區(qū)”，為避免施工對該自然保護(hù)區(qū)造成影響，支洞洞口的布置受到一定限制，支洞洞口設(shè)計(jì)高程1674m，而該支洞控制段主洞底板高程1562.26～1556.40m，垂直高程約111.74～117.6m，施工難度較大。

2 斜坡卷揚(yáng)道布置

通常，以下兩種情況較常使用斜坡卷揚(yáng)道進(jìn)行施工:a當(dāng)物料運(yùn)輸起始端與終止端高程相差較大、地形相對陡峭、公路和鐵路的布置較困難;b物料運(yùn)輸量不大但修建道路工程量較大，修路方案不經(jīng)濟(jì)。斜坡卷揚(yáng)道是通過卷揚(yáng)機(jī)鋼繩牽引礦車組運(yùn)輸物料的方式，選取的礦車容積一般為0.6m3或1.0m3，軌距參數(shù)600mm，提升速度2～4m/s，斜坡道長度一般小于500m。斜坡卷揚(yáng)道大部分布置為直線，線路的坡度一般小于25°，如果采用臺車或者斗箕運(yùn)輸，其坡度可以相應(yīng)提高，但一般不超過40°。

引水隧洞施工支洞口設(shè)計(jì)高程1672m，到達(dá)主洞高程1560.9m，支洞洞口至主洞交點(diǎn)垂直高差約為111.1m，水平長度僅為478m，縱坡達(dá)到14°，起始端與終止端高程相差較大，公路和鐵路的布置也較困難。根據(jù)引水隧洞的洞線布置特點(diǎn)，結(jié)合隧洞沿線地形、地質(zhì)條件及施工總進(jìn)度計(jì)劃要求，經(jīng)比較后，引水隧洞施工支洞設(shè)計(jì)最終選取為斜坡卷揚(yáng)道型式 (洞內(nèi)斜井)(見下圖)。采用斜坡卷揚(yáng)道方式布置，施工支洞長492m，其中斜坡卷揚(yáng)道長467m，上部平車場長度考慮15m，下部平車場長度考慮10m。

3 卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括運(yùn)輸強(qiáng)度、荷載能力及運(yùn)輸尺寸。下面通過卷揚(yáng)機(jī)的運(yùn)輸內(nèi)容，分項(xiàng)目論證卷揚(yáng)機(jī)的最大設(shè)計(jì)參數(shù)值。

施工支洞段斜坡卷揚(yáng)道主要負(fù)責(zé)以下項(xiàng)目的運(yùn)輸:a支洞控制段的開挖出渣;b支洞工作面的混凝土襯砌的鋼筋和混凝土等材料運(yùn)輸;c支洞工作面襯砌鋼管管節(jié)運(yùn)輸;d支洞工作面的施工機(jī)械運(yùn)輸。

3.1 出渣

斜坡卷揚(yáng)道負(fù)擔(dān)引水隧洞施工支洞上下游工作面開挖的出渣。該控制段圍巖60%洞段為Ⅳ類圍巖，全斷面開挖面積18.08m2，循環(huán)進(jìn)尺為2.0m，每循環(huán)渣量36.16m3，出渣時(shí)間由挖裝設(shè)備控制。支洞工作面采用LZ—100立爪裝巖機(jī)裝渣，5t自卸汽車運(yùn)輸，出渣時(shí)間約為2.5h，每小時(shí)出渣方量14.5m3，巖石自然容重約2700kg/m3，故隧洞開挖的平均小時(shí)出碴強(qiáng)度為39.15t，高峰時(shí)每小時(shí)出渣強(qiáng)度為57t。支洞上游控制段較短，工期較為寬松，故兩個(gè)工作面同時(shí)施工時(shí)出渣時(shí)段可錯(cuò)開，斜坡卷揚(yáng)道運(yùn)輸強(qiáng)度由單工作面控制，故斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)每小時(shí)出渣強(qiáng)度為57t。

3.2 材料運(yùn)輸

永久支護(hù)施工包括鋼筋混凝土澆筑及噴錨支護(hù)，支洞工作面引水隧洞為鋼筋混凝土襯砌，部分洞段有鋼襯。經(jīng)計(jì)算，混凝土襯砌強(qiáng)度為21m3/h。由于混凝土系統(tǒng)設(shè)置在引水隧洞支洞口，故斜坡卷揚(yáng)道只負(fù)責(zé)鋼筋、混凝土等材料運(yùn)輸。由于該工程主要為洞內(nèi)襯砌混凝土，混凝土施工強(qiáng)度不高，同時(shí)材料運(yùn)輸也可分批運(yùn)輸，比較靈活。

3.3 鋼管管節(jié)運(yùn)輸

支洞工作面鋼襯內(nèi)徑2.4m，最大壁厚約16mm，管節(jié)長3m，單節(jié)最大運(yùn)輸重量約2.84t，運(yùn)輸尺寸φ3.4m×3m(考慮加勁環(huán))。

3.4 施工機(jī)械運(yùn)輸

施工設(shè)備的最重件為LZ—100立爪裝巖機(jī)，自重約8.8t;最大件為2.5m3混凝土攪拌車，外形尺寸為7.4m×2.5m×3.8m，自重為8.1t。

綜合以上分析，斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)運(yùn)輸強(qiáng)度由出渣控制，為57t/h;斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)載荷能力由立爪裝巖機(jī)控制，為8.8t;設(shè)計(jì)運(yùn)輸尺寸由鋼襯管節(jié)、自卸汽車控制，為3.4m×3.8m。根據(jù)以上情況，考慮輔助運(yùn)輸設(shè)備自重等因素，斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)載荷能力10t，并滿足鋼襯管節(jié)、自卸汽車的運(yùn)輸尺寸要求。

本文中所提到的智慧旅游，是指利用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，借助移動(dòng)終端設(shè)備，以APP、微信等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序?yàn)橹悄芷脚_，一方面將大別山旅游資源進(jìn)行整合，滿足游客的不同需求，強(qiáng)調(diào)游客信息獲取的主動(dòng)性及便利性；另一方面，為大別山景區(qū)的經(jīng)營方面提供了一個(gè)方便而又高效的軟件銷售平臺。

4 卷揚(yáng)道設(shè)備選擇計(jì)算

該斜坡卷揚(yáng)道的設(shè)計(jì)參數(shù)為:斜坡長度467m，上部平車場長度15m，下部平車場長度10m。斜坡卷揚(yáng)道分單鉤斜坡卷揚(yáng)道和雙鉤斜坡卷揚(yáng)道兩種，分別計(jì)算如下:

4.1 單鉤斜坡卷揚(yáng)道

單鉤斜坡卷揚(yáng)道一次牽引循環(huán)時(shí)間 (Tjt)由斜坡卷揚(yáng)道長度 (L)、上部平車場長度 (Lsh)、上部平車場長度 (Lsa)、平車場休止時(shí)間 (Qp，可取30～60s)、斜坡道運(yùn)行平均速度 (vpj，視運(yùn)輸長度而定，一般取 0.75～0.9vmax;當(dāng)運(yùn)距≤300m時(shí)，vmax為2.0m/s;當(dāng)運(yùn)距＞300m時(shí)，vmax為4.0m/s)以及平車場線路的運(yùn)行速度 (vp)確定，其計(jì)算公式為［5］:

按卷揚(yáng)機(jī)運(yùn)行速度vmax4m/s、平車場線路運(yùn)行速度0.3m/s(考慮采用人工推)計(jì)，取平車場休止時(shí)間60s，則一個(gè)循環(huán)時(shí)間Tjt為552s。每小時(shí)可以牽引的次數(shù)為6.52次。

一次需要牽引的礦車數(shù)(n)由小時(shí)運(yùn)輸能力(Qs)、Tjt、礦車有效載重(Gx)確定，而Gx由裝載系數(shù)(Gm，當(dāng)坡道傾角小于 25°時(shí)取 0.9，25°～30°時(shí)取0.8)、料物堆積容重 (γ)，以及礦車容積 (Vr)確定，其計(jì)算公式如下［5］:

為滿足小時(shí)運(yùn)輸強(qiáng)度57t/h，Gm取0.9，γ為石渣自然方容重1850kg/m3，礦車容積為1.0m3，需斗車容量5.91m3。此時(shí)斜坡斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)載荷能力需提高至12t方能滿足要求。

單鉤卷揚(yáng)機(jī)最大靜拉力 (Fmax)由最大載重(Gmax，Gmax=γVr)、礦車自重 (Gt)、礦車運(yùn)行阻力(f1，一般取0.01)、鋼繩運(yùn)行阻力系數(shù) (f2，用上部托輥繩時(shí)采用0.5～1.0，用下部托輥繩時(shí)采用0.15～0.4)以及鋼繩單位長度重 (Ps)確定，其計(jì)算公式如下［5］:

按f2取0.75(參照獅子坪工程)，Ps選取為繩6×19型交互捻鋼絲繩，直徑40mm，單位參考重量為5.71kg/m，則單鉤最大靜拉力7100kgf。

則單鉤卷揚(yáng)機(jī)所需電動(dòng)機(jī)提升功率為393.0kW。

4.2 雙鉤斜坡卷揚(yáng)道

雙鉤斜坡卷揚(yáng)道一次牽引循環(huán)時(shí)間 (Tjt)計(jì)算公式如下［5］:

式中，各L、v值及Qp意義與單鉤相同。小時(shí)牽引數(shù)、一次牽引礦車數(shù)計(jì)算公式與單鉤相同。

雙鉤斜坡卷揚(yáng)道一個(gè)循環(huán)時(shí)間為277s，需斗車容量2.96m3，此時(shí)斜坡卷揚(yáng)道設(shè)計(jì)載荷能力仍然由最大件控制，為10t。

雙鉤卷揚(yáng)機(jī)最大靜拉力 (Fmax)計(jì)算公式如下［5］:

式中，各符號代表意義與單鉤相同。電動(dòng)機(jī)提升功率計(jì)算公式與單鉤相同。

則雙鉤靜拉力差為4185.5kgf，計(jì)算功率為232.0kW，為單鉤功率的0.58倍。

4.3 設(shè)備選擇

采用單鉤斜坡卷揚(yáng)機(jī)，功率太大，需選用3.5m以上的大直徑卷揚(yáng)機(jī)，加大了設(shè)備的制造、安裝難度，且后期運(yùn)行也很不經(jīng)濟(jì)。采用雙鉤斜坡卷揚(yáng)機(jī)，高峰小時(shí)出渣強(qiáng)度為57t，為轉(zhuǎn)料和調(diào)節(jié)出渣強(qiáng)度，在斜坡卷揚(yáng)道底部需設(shè)一個(gè)儲料倉，斷面3.5m×3.5m×4.0m，儲量容量為62t。

比較后，推薦采用雙鉤斜坡卷揚(yáng)道方案。

結(jié)合上述計(jì)算，該水電站 (雙鉤)斜坡卷揚(yáng)道所選設(shè)備為:

雙滾筒 GKT2×1.5—20卷揚(yáng)機(jī) 1臺 (功率310kW)，電氣控制設(shè)備1套;鋼絲繩采用6×19—40型。自制斗車 (3m3)2臺。自制混凝土罐2個(gè)。10t電動(dòng)葫蘆 (功率13kW，H=12m)2臺。

5 施工方法

出居溝水電站引水隧洞開挖斷面較小，開挖斷面為 (3.6～4.5)m× (3.6～4.45)m的城門洞形，考慮選用5t自卸汽車作為主要的開挖運(yùn)輸工具，混凝土攪拌車作為混凝土運(yùn)輸工具。主支洞均考慮單車道運(yùn)輸，為方便錯(cuò)車，每隔200m設(shè)會車道。支洞洞口布置一個(gè)裝卸料工作平臺，在斜坡卷揚(yáng)道下部設(shè)置裝卸料工作平臺及一個(gè)3.5m×3.5m×4.0m的儲料倉。

5.1 出渣

在施工過程中，隧洞的開挖洞渣由5t自卸汽車運(yùn)輸自卸入儲料倉，經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)給料進(jìn)入儲料倉旁的底卸式礦車，礦車由人工推運(yùn)到斜坡卷揚(yáng)道的自制斗車內(nèi)，由卷揚(yáng)機(jī)牽引自制斗車到支洞出洞口的下平臺 (1672.0m高程，支洞口高程)，在此平臺高程設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)排架和10t的電動(dòng)葫蘆，由電動(dòng)葫蘆吊運(yùn)礦車到洞口上平臺 (1674.0m高程)，轉(zhuǎn)5t自卸汽車運(yùn)輸至渣場。

5.2 物料運(yùn)輸

向洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)奈锪嫌惺┕ぴO(shè)備、混凝土、錨桿、鋼筋等。施工設(shè)備由卷揚(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩直接吊運(yùn)至斜坡卷揚(yáng)道底部;錨桿、鋼筋由卷揚(yáng)機(jī)牽引自制斗車吊運(yùn)至斜坡卷揚(yáng)道底部;運(yùn)輸混凝土?xí)r由卷揚(yáng)機(jī)牽引自制混凝土罐吊運(yùn)至斜坡卷揚(yáng)道底部。平臺均設(shè)有鋼結(jié)構(gòu)排架和10t的電動(dòng)葫蘆以滿足物料的垂直運(yùn)輸需要。

物料運(yùn)輸時(shí)，均由裝卸料工作平臺頂層的電動(dòng)葫蘆吊運(yùn)至相應(yīng)運(yùn)輸設(shè)備 (5t自卸汽車及混凝土攪拌車除外)，運(yùn)輸設(shè)備在貨物自重作用下，由卷揚(yáng)機(jī)牽引下滑到軌道尾部的裝卸料工作平臺，在軌道末端設(shè)卡死裝置，防止臺車沖撞平臺。臺車到達(dá)平臺后由人工將運(yùn)輸設(shè)備沿軌道推到平臺中部，混凝土由自制混凝土罐直接卸入平臺下部的混凝土攪拌車中，錨桿、鋼筋則需用人工進(jìn)行二次轉(zhuǎn)運(yùn)。

6 已實(shí)施工程

6.1 獅子坪水電站

獅子坪水電站壓力管道中平段支洞至上平段支洞洞口間地形陡峻，根據(jù)其洞口的地形條件，可能的運(yùn)輸方案有公路、索道、斜坡卷揚(yáng)道方案，經(jīng)比較后最終采用雙鉤式牽引斜坡卷揚(yáng)道 (露天)。根據(jù)國內(nèi)斜坡卷揚(yáng)道的實(shí)際運(yùn)用情況，斜坡卷揚(yáng)道適合的坡度在45°以下。壓力管道中平段支洞至上平段支洞洞口附近的自然邊坡約37°，在技術(shù)上滿足斜坡卷揚(yáng)道的使用條件。

該斜坡卷揚(yáng)道上平臺高程2394m，下平臺高程2226m，垂直高差168m，卷揚(yáng)機(jī)道總長289m。工程開工時(shí)間為2005年11月15日，土建、金結(jié)、安裝及調(diào)試于2006年4月完成，2006年5月投入運(yùn)行，總工期5.5個(gè)月。運(yùn)行期間，根據(jù)開挖出渣運(yùn)輸測算，運(yùn)輸小車容積8m3(約15t)，運(yùn)行速度:重載為1.0m/s，空載為1.9m/s，每循環(huán) (上料、運(yùn)輸、卸料)運(yùn)行時(shí)間約18min，折合50t/h，基本滿足設(shè)計(jì)要求。獅子坪工程斜坡卷揚(yáng)道采用快速卷揚(yáng)機(jī)，有提升重量大 (20t)、提升速度快 (2.5m/s)等特點(diǎn)，與公路、索道方案相比，更有利于環(huán)保水保，且節(jié)約占地，節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)用。

6.2 仁宗海水電站

仁宗海水電站場內(nèi)公路布置調(diào)壓井段，原設(shè)計(jì)方案為修建施工道路，為了最大限度地減少電站建設(shè)對周圍生態(tài)環(huán)境的影響，通過優(yōu)化研究及專家咨詢、實(shí)地考察，最終采用斜坡卷揚(yáng)道取代了原設(shè)計(jì)方案中的4km施工道路。該斜坡卷揚(yáng)道為洞內(nèi)斜井式，為滿足永久件運(yùn)輸要求，其斜坡卷揚(yáng)道斜井洞段典型斷面尺寸為 (8.5～8.6)m×10.4m(寬×高)，斜坡卷揚(yáng)道垂直高度為270m，斜坡長度為492.0 m，上部平車場長度44 m，下部平車場長度30 m，坡度為33°。該方案雖然增大投入近1000萬元，但減少了林地占用和林木采伐，同時(shí)也減少了道路施工帶來的環(huán)境影響。

7 結(jié) 語

目前斜坡卷揚(yáng)道較多使用于露天礦業(yè)開采，且一般是在小于25°的溝道內(nèi)利用卷揚(yáng)機(jī)同時(shí)提升 (或下放)幾個(gè)礦車;斜坡卷揚(yáng)道在水電站施工中使用較少，并不作為常規(guī)運(yùn)輸方式，主要適用于物料運(yùn)輸兩地高差大、地形陡峻、公路與鐵路運(yùn)輸難以到達(dá)、或筑路基建工程量過大而運(yùn)輸量不大的很不經(jīng)濟(jì)的地段。斜坡卷揚(yáng)道提升技術(shù)在煤炭、礦山行業(yè)運(yùn)用得較多，也比較成熟。從煤炭行業(yè)實(shí)際運(yùn)用的工程實(shí)例來看，在坡度小于25°時(shí)，均采用現(xiàn)有的國家定型標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。在坡度大于25°且小于45°時(shí)，運(yùn)輸設(shè)備基本上為非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，需做專門的設(shè)計(jì)，并且在軌道上要加防傾覆的抱軌裝置。坡度大于45°時(shí)，目前我國尚無工程實(shí)例。

現(xiàn)階段，由于國家對環(huán)保越來越重視，斜坡卷揚(yáng)道能有效減少基建工程量，減少對施工區(qū)植被的破壞，從環(huán)境保護(hù)角度考慮具有一定優(yōu)勢;但其運(yùn)輸穩(wěn)定性、可靠性較公路運(yùn)輸方式低，且在地形受限的情況下，采用洞內(nèi)斜坡卷揚(yáng)道投資相對較高。在場地布置時(shí)，是否采用斜坡卷揚(yáng)道，需要從技術(shù)可靠性、工程投資、環(huán)境影響和運(yùn)行要求等方面綜合分析。

［1］DL/T 5133—2001水電水利工程施工機(jī)械選擇設(shè)計(jì)導(dǎo)則［S］.

［2］王建平.獅子坪水電站壓力管道斜坡卷揚(yáng)道的設(shè)計(jì)及施工［J］.水電站設(shè)計(jì)，2012(4).

［3］SL 303—2004水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］DL/T 5099—1999水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］水利電力部水利水電建設(shè)總局.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，1990.

［6］工程機(jī)械使用手冊編輯委員會.工程機(jī)械使用手冊［M］.北京:中國水利水電出版社，1998.