高薄拱壩碾壓混凝土入倉方式淺析

馮江江

(中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西西安710016)

1 碾壓混凝土運輸現(xiàn)狀

目前國內、外碾壓混凝土拱壩工程一般采用自卸汽車、皮帶機輸送系統(tǒng)、負壓溜槽、塔(胎)帶機、滿管溜槽、門機、纜機等垂直運輸方式，但它們的使用通常對地形有較高的要求。例如，自卸汽車運輸方式要求岸坡具備修建汽車道路的條件，皮帶機輸送系統(tǒng)要求線路所對應的壩肩坡度要小(一般小于20°)，負壓溜槽使用坡度要求在45°～53°之間。塔(胎)帶機、門機、纜機對安裝地形、場地要求高，設備投入及安裝費用高，而且施工強度有時會受到限制。因此研究在陡峻河谷、高差較大情況下，混凝土物料負揚程輸送情況下的運輸方式是解決碾壓混凝土高拱壩的必要途徑。

纜索吊罐輸送混凝土是將混凝土攪拌好后倒入吊罐中，采用纜機將吊罐吊運到倉面上。負壓溜槽是沿落差坡面布置混凝土輸送鋼管，在鋼管的末端安裝鋼質葫蘆瓢狀的內襯充氣耐磨尼龍芯布的橡膠囊，用該橡膠囊吸收混凝土的下落動能，實現(xiàn)緩沖。滿管輸送是在混凝土充滿鋼管三分之二以上高度后，打開鋼管末端的活門放出混凝土，實現(xiàn)無離析輸送。

纜索吊罐架設成本高，生產效率低;負壓溜槽的橡膠囊制造成本高，使用壽命短;滿管輸送系統(tǒng)組成復雜，鋼管必須做成微倒喇叭形，使用中控制系統(tǒng)稍有失誤必須將混凝土全部放空，疏通困難、浪費大。另外，負壓溜槽和滿管輸送僅適應落差高度較小的垂直運輸，對混凝土垂直輸送高差較大的工程適用性較差，需要找到新的混凝土輸送方式進行解決。

混凝土垂直輸送的現(xiàn)有技術除纜索吊罐、負壓溜槽和管道輸送外，最新專利技術為“混凝土澆灌技術”。

“混凝土澆灌技術”裝置是在混凝土的下落路徑即溜槽的中途設置緩沖箱，在混凝土經(jīng)過其內部時，再次攪拌混凝土。該裝置由輸送管、鋼管、緩沖裝置、攪拌箱和橡膠彈性開閉排出口等五種部件用法蘭盤和螺栓聯(lián)結組成?；炷裂剌斔凸芸孔灾叵侣?，經(jīng)過緩降箱降低混凝土的下落速度后進入攪拌箱，使攪拌箱免受下落混凝土的沖擊，提高攪拌箱的耐久性。

“混凝土澆灌技術”裝置組成系統(tǒng)需用的部件較多，一套系統(tǒng)需要多個緩降單元組成，僅一個緩降單元除輸送管外，就需要三種七個部件，僅法蘭盤一項就需要14件。另外，該裝置沒有從根本上解決磨損問題，只是把對攪拌箱的磨損轉移到結構復雜的緩沖裝置上，總體使用壽命依然很短，并且此技術主要適用于常態(tài)混凝土的運輸，對干硬性的碾壓混凝土大粒徑骨料的輸送并不適用。

2 高薄拱壩碾壓混凝土輸送方式研究

近年來，常規(guī)超長溜槽、串筒、真空溜管、負壓溜槽等混凝土輸送工藝得到了長足發(fā)展，在許多工程中都得到成功應用，但都不同程度存在工藝缺陷，使用范圍受到一定限制。

為了保證施工質量、加快施工進度結合工程特點，在充分調研國內外碾壓混凝土垂直運輸方式的基礎上，混凝土的垂直運輸一直是工程界攻關的重大課題，尤其是對于大高差的下降運輸，廣大水電建設者為尋求理想的輸送工藝付出了巨大的努力，并不斷取得新的成果。

由三峽工程引進的MY-BOX管給人們提供了一個新的思路，開辟了一個豎向運輸混凝土的新途徑。隨著三峽工程的大規(guī)模應用，許多大型水電站工程也開始推廣并有所發(fā)展。使用范圍由垂直運輸擴展到斜坡輸送，混凝土由適應二級配到對三級配也可順利施工，運輸高差在數(shù)個工程中都突破了100 m。BOX管已逐漸成為常態(tài)混凝土輸送過程中不可缺少的常規(guī)工具。

貴州大花水工程經(jīng)過攻關，將BOX管創(chuàng)造性地運用到干硬性碾壓混凝土的運輸中，取得新的成果。該項目由于是初步運用，輸送高差較小，還有許多環(huán)節(jié)需要完善。對于三里坪、羅坡壩、云口等工程的較大高差的輸送條件，也還有一些細節(jié)需要研究改進。

經(jīng)研究實驗提出采用緩降拌合管在三里坪、羅坡壩、云口等工程碾壓混凝土拱壩的混凝土垂直運輸方式。

2.1 緩降拌合管結構及工藝原理

緩降拌合管是一組由若干空腔組成的錐管結構，包括輸送直管和緩降拌合管兩部分。緩降拌合管輸送直管管徑400 mm，每節(jié)長3 m，材質為6 mm厚錳板，兩頭帶有連接法蘭盤，緩降拌合管每節(jié)長3m，包括漸變錐管和緩降器兩部分，材質與輸送直管相同。安裝時每9 m直管(3節(jié))安裝一個緩降拌合管，各個構件均采用螺栓連接，見圖1。

緩降拌合管具有上下兩個方口法蘭盤1，在兩個法蘭盤1之間固定連接一堆由矩形漸變?yōu)閳A形又從圓形漸變?yōu)榫匦蔚木徑蛋韬投?而形成兩個輸送通道，每個緩降拌合段6的上下兩個矩形口的相位差為90°，在每個法蘭盤1處沿兩個緩降拌合段6側板貼合而形成的中分板2的頂端固定有減磨圓鋼3，在兩個緩降拌合段6側板之間并且與減磨圓鋼3相垂直90°的平面方向上焊接有消能圓鋼5，在矩形口以下緩降拌合段6的斜面板13和側板上平行焊接有墊被圓鋼4。

圖1 緩降拌合裝置

兩個緩降拌合段6相近的側板合并成中分板2位于法蘭盤1的二分之一處，形成了兩個輸送通道，每個緩降拌合段6由與法蘭盤1接觸的矩形口漸變?yōu)閳A形口，中間與圓形段7相接后又由圓形口漸變?yōu)榫匦慰谠倥c另一個法蘭盤1相接，上下兩個矩形口的相位差為90°。

墊被圓鋼4間隔平行焊接在緩降拌合段6的斜面板13和側板上，其作用是在混凝土下降過程中，受到墊被圓鋼4的阻擋后會在每根圓鋼與斜面板13及側板的接觸處堆積成一個斜坡墊被層，可使粗骨料實現(xiàn)軟著陸，消除大部分動能，同時能延長裝置的使用壽命。

緩降拌合管在實際使用中的安裝結構和混凝土流動方向圖見圖2。將兩個緩降拌合管裝置通過法蘭盤1和螺栓連接，再在其兩端的法蘭盤1上連接錐形管，上端的錐形管與混凝土輸送管連接。落料進入上口時被分成兩部分進入緩降拌合管，在管內經(jīng)過阻滯、折射運動、骨料相互碰撞改變運動方向，經(jīng)連續(xù)碰撞、落料與管摩擦、擴散、匯合等復合阻尼過程后，動能被轉換吸收，運動速度極大下降，最后在下口相對上口交換180°后，合二為一，落入下一節(jié)輸送直管。

緩降拌合管不僅使落料的運動速度極大降低，還使分離的拌合料再次得到拌合，起到緩沖與拌合的雙重作用。緩降拌合管的設計橫斷面大于輸送鋼管橫截面的二倍，在管內經(jīng)過各種復雜過程后進入大錐角倒錐管斷面。所以在緩降拌合管內盡管運動速度較低，加之上層骨料的撞擊作用，不會造成骨料分離。

圖2 混凝土在拌合器內運動示意圖

2.2 緩降拌合管現(xiàn)場安裝調試

緩降拌合管的工作特征是使拌合料的重力加速度充分降低。理想的工況是經(jīng)過緩拌管的阻尼作用后，拌合料的出口加速度為零。

2.2.1 輸送鋼管的阻尼作用

當輸送鋼管的設置傾角為α時，拌合料與鋼管壁的摩擦阻力隨傾角的增加而加大，粗骨料由單純的直線運動變?yōu)闈L動，此時的運動加速度為a=g(1-fcosα)

式中，f為拌合料與鋼管的摩擦系數(shù)。假設拌合料進入鋼管的初速度為零，在鋼管出口處的末速度為

輸送鋼管的垂直高度為

2.2.2緩降拌合管的阻尼作用。

從緩降拌合管的工作原理可知:

①進入緩降拌合管的拌合料在出入口兩次受到圓鋼管的阻滯，約占總量的3/4;

②未受到鋼管阻滯的拌和料在斜面上受到折射阻尼;

③折射出的骨料與被阻滯后的骨料發(fā)生碰撞，各自的運動方向都發(fā)生變化，產生新的連續(xù)碰撞;

④緩降拌合管的管壁都有較大的傾角，運動的摩擦阻力較大。如果拌合料進入緩降拌合管的初速度適當，各種阻尼的綜合作用，足以使拌和料的出口速度為零。即

式中，A為緩降拌合管的綜合組尼系數(shù);ψ為緩降拌合管的管壁傾角(度);H為緩降拌合管的阻尼長度(m);

2.2.3 緩降拌合管的設置間距

綜合(1)(2)兩項，得出斜豎管的設置間距h為

式中綜合阻尼系數(shù)、拌合料對管壁的摩擦系數(shù)還有待于試驗求證。運用時，可根據(jù)經(jīng)驗或估計值框算，在實踐中調整。緩降拌合管設置間距在豎向輸送常態(tài)砼情況下一般取12～15 m。緩降拌合管在施工現(xiàn)場使用時針對碾壓混凝土進行多次的實驗調試，對使用的材料和每一分段長度都進行了試驗，分段長度在6 m一節(jié)時由于距離過短，緩降拌合管安裝較多，混凝土下降速度受阻，容易造成堵管現(xiàn)象，如果每一節(jié)長度為12 m時，混凝土下落速度過快，并且由于緩降拌合管安裝少，骨料分離現(xiàn)象較嚴重，經(jīng)過實驗研究，最終確定每一節(jié)長度為9 m，使用效果良好。

2.2.4 緩降拌合管材質選擇

緩降拌合管材料使用的錳鋼板厚度經(jīng)過多次試驗，在角度變化的情況下，錳鋼板的磨損程度也有變化，當角度較大時，混凝土輸送速度快，并且不容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，錳鋼板磨損程度較小，經(jīng)多次試驗并結合現(xiàn)場實際情況，最終確定錳鋼板厚度為6 mm，在施工過程中只進行了局部的維修，整體使用效果良好。

2.3 緩降拌合管系統(tǒng)布置

為了減少混凝土轉運次數(shù)，一般將拌和系統(tǒng)設置在左、右岸壩頂，或采用自卸汽車進行運輸至壩頂位置。運輸系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分為由寬1 000 mm的皮帶將成品熟料自拌和機出口水平運輸至壩頂拱端正上方平臺受料斗;第二部分為由緩降拌合管沿拱端運輸至施工倉面。

在坡面搭設鋼管承重架作為系統(tǒng)支架，斜坡支架頂面設計在同一平面上，系統(tǒng)通過鋼管、鋼絲繩與承重架、巖石連接。

2.3.1 承重架基礎

在拱端坡面上用手風鉆垂直于管中心線方向造Φ50孔，孔深(50～80)cm，在孔內插入Φ48鋼管搭設懸挑承重架，每一組橫桿與其對應的斜撐桿組合成為一個獨立的受力單元，獨立承擔來自緩降拌合管或立桿傳來的荷載，并且單獨的某一個受力單元拆除后，不影響承重架其它構件的承載能力。

2.3.2 緩降拌合管部位的加強架

由于緩降拌合管較之普通直管體積較大，并且在混凝土熟料運輸中起到關鍵作用，在整個使用周期內屬于重點檢查和維修保養(yǎng)對象，故對該部位在普通承重架基礎上搭設加寬平臺，加寬60 cm。

2.3.3 坡面管道與承重架連接

坡面管道荷載通過兩種途徑傳遞給承重架:①直管段每隔6 m布設一個抱箍，抱箍通過橫桿將荷載傳遞到承重架;②緩降拌合管腰部通過橫桿將荷載傳遞到承重架。

緩降拌合管及管路系統(tǒng)均固定在排架上，排架生根在巖石上，為了確保絕對安全，整體管路采用Φ16鋼絲繩錨固在巖體上。具體措施為:每個抱箍對應一個鋼絲繩牽引，Φ16鋼絲繩牽引間距6 m，牽引地錨采用Φ25錨桿錨入巖石3 m。

2.3.4 安裝

安裝采用自下而上的順序操作，從倉面高程3.0 m以上開始，底部安裝第一節(jié)緩降拌合管，向上每安裝3節(jié)(9 m)直管后安裝一節(jié)緩降拌合管。安裝采用的方法是:從壩頂布設一根牽引主鋼絲繩，壩頂端頭固定，壩底端頭用推土機牽引，在壩頂平臺固定一臺卷揚機作為副繩，緩降拌合管在壩面通過滑輪與主繩連接，副繩牽引緩降拌合管沿主繩向上滑動，到達安裝部位時，壩面推土機沿主繩方向向后移動，使緩降拌合管落在安裝位置。安裝示意圖見圖3。

2.3.5 人行爬梯檢修通道及安全防護措施

為了便于緩降拌合管在運行期的檢修以及保養(yǎng)，在緩降拌合管支撐架內設交通爬梯。交通爬梯加工成標準節(jié)，每個標準節(jié)長度3 m，寬度60 cm，步距30 cm，踏步以及梯梁均采用L50×3角鋼。

圖3 緩降拌合管系統(tǒng)布置

緩降拌合管系統(tǒng)安裝完成后進行試運行，根據(jù)壩面施工強度調整給料速度。隨著大壩的澆筑，壩面高程不斷上升，根據(jù)緩降拌合管落料口距壩面垂直距離來逐步拆除緩降拌合管，每次拆除一節(jié)(3 m)。

2.4 質量控制

2.4.1 1vc值控制

施工中重點控制碾壓混凝土的出機口vc值，一般情況控制在3～5 s之間，不宜大于10，通過垂直輸送系統(tǒng)到達倉面后vc值損失1～2 s。

2.4.2 落料分離控制

落料口距離倉面高度控制在3 m以內，可以有效的防止物料分離。落料流量控制在80～200 m3/h，流量越大落料效果越好。

3 結語

碾壓混凝土壩的修建已逐步進入地形較為復雜的地域，壩址岸坡陡峻的典型“V”型河谷越來越多，出現(xiàn)負揚程運輸混凝土上垻的情況不斷遇到。

采用緩降拌合管垂直運輸系統(tǒng)，設施簡單、便于施工、便于操作、縮短工期、費用低廉，施工質量可望提高，開辟了碾壓混凝土垂直運輸?shù)男滤悸罚哂休^好的經(jīng)濟效益和社會效益，應用前景十分廣闊。