移動(dòng)式鉆灌平臺(tái)車設(shè)計(jì)及在面板堆石壩趾板灌漿中的應(yīng)用

，，

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程簡(jiǎn)介

1.1　工程概況

南湃(Nam Phay)水電站位于老撾萬(wàn)象省北部Phoun區(qū)，壩址位于南俄河(Nam Ngum)支流南湃河(Nam Phay)滿鋪恩村(B.Muangphoun)下游。電站壩址距老撾首都萬(wàn)象約249.5km，廠房距萬(wàn)象約193.5km。電站壩址附近最近城鎮(zhèn)為萬(wàn)榮(Vang Vieng)，公路里程約93.5km，對(duì)外交通較為便利。本工程為長(zhǎng)引水式電站，主要任務(wù)是發(fā)電。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、溢洪洞、引水隧洞、發(fā)電廠房和尾水系統(tǒng)等組成。

混凝土面板堆石壩壩頂高程1145m，建基面高程1048m，最大壩高97m，壩頂長(zhǎng)度235m，壩頂寬度8m。壩頂上游設(shè)5m高的“L”形防浪墻，墻頂高程1146.20m；上游壩坡為1∶1.4，下游壩坡綜合坡比為1∶1.5。

本工程基礎(chǔ)處理主要為面板堆石壩趾板的固結(jié)灌漿、帷幕灌漿，大壩內(nèi)的邊坡預(yù)應(yīng)力錨索。

1.2　施工現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)述

大壩的基礎(chǔ)處理主要是在面板堆石壩的趾板上。左岸趾板分為2段，高程1048m～1089m為一段，高程1089m～1140m為一段。右岸趾板為1段，即高程1048m～1140m為一段。趾板坡度為30°左右，左岸趾板斜長(zhǎng)64.9m+125.4m=190.3m，右岸趾板斜長(zhǎng)143.0m，趾板寬度為4.0m。

針對(duì)這種施工環(huán)境，本工程選擇制作平臺(tái)式鉆灌一體臺(tái)車進(jìn)行施工。

2　鉆灌臺(tái)車設(shè)計(jì)

2.1　臺(tái)車結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本工程所使用的功能主要是滿足趾板上固結(jié)、帷幕鉆孔和灌漿施工且在趾板上能上下移動(dòng)。臺(tái)車分為兩個(gè)部分，一是臺(tái)車主體，二是臺(tái)車運(yùn)行的牽引系統(tǒng)。在左右岸各配置一套牽引系統(tǒng)，左岸配置2套臺(tái)車主體，右岸配置1套臺(tái)車主體，并制作1套備用，臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意見圖1，采用單筒卷?yè)P(yáng)機(jī)及鋼繩組合體系作為牽引系統(tǒng)。

臺(tái)車主體的規(guī)格設(shè)計(jì)為平臺(tái)，尺寸為4m×4m的正方形，底部為貼合趾板坡面的三角形平行支架。此種設(shè)計(jì)是為了滿足臺(tái)車上地質(zhì)鉆機(jī)可移動(dòng)的范圍，以及起落鉆時(shí)有足夠的空間架立三腳架。同時(shí)在平臺(tái)外設(shè)置一個(gè)施工工棚，供工人避雨及放置隨身的施工工具等。

圖1　臺(tái)車結(jié)構(gòu)示意

2.2　臺(tái)車材料及成品設(shè)備選取

臺(tái)車的主材選擇為18#槽鋼作為主材，附屬部件采取φ40mm架管，連接方式采用乙炔氣氧焊焊接，部分附屬部件采取扣件連接(如防墜欄桿等)。牽引系統(tǒng)本工程選取的是10t單筒卷?yè)P(yáng)機(jī)，配以φ15.5mm鋼絲繩。左右岸各配置一套牽引系統(tǒng)。

3　臺(tái)車承載力計(jì)算

本工程計(jì)算臺(tái)車主體承載力的方式首先是計(jì)算實(shí)際荷載，再進(jìn)行主體臺(tái)車承載力驗(yàn)算。

3.1　實(shí)際荷載計(jì)算

計(jì)算工程實(shí)際施工時(shí)主體臺(tái)車的實(shí)際荷載。主要荷載包括以下幾個(gè)方面：

(1)鉆孔設(shè)備及配件：1500kg；

(2)施工人員：300kg：

(3)輔助荷載：計(jì)算取1232kg(其中木板：432kg，滿載巖芯800kg)。

以上總荷載為3032kg，超額系數(shù)選擇1.3，即實(shí)際荷載為3032×1.3=3941.6kg。

3.2　臺(tái)車承載力驗(yàn)算

臺(tái)車受力計(jì)算斷面選取分別見圖2、圖3和圖4。

圖2　臺(tái)車原型示意

圖3　臺(tái)車三跨四支座受力單元示意

圖4　臺(tái)車正面連接示意

設(shè)計(jì)臺(tái)車為4個(gè)三跨四支座連續(xù)梁共同受力，由于荷載強(qiáng)度并不大，進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)先進(jìn)行簡(jiǎn)化驗(yàn)算。

(1)此處先進(jìn)行一跨兩支座單根槽鋼受力簡(jiǎn)單計(jì)算：

18#Q235普通槽鋼g=23kg/m=0.23kg/cm，截面模量W=152cm3，普通Q235鋼容許應(yīng)力[b]=1400kg/cm。

計(jì)算最大彎矩：Mmax=1/8gl02+1/8ql02，此處設(shè)為均布荷載，則q值取負(fù)，l0為400cm。

有：M/W=b

則：W×b=M=1/8l02(g-q)

得：g-q=152×1400×8/4002=10.64

則：

g=10.64-0.23=10.41kg/cm=1041kg/m

故：l0=4m，N0=1041×4=4164kg。

即用槽鋼搭設(shè)的長(zhǎng)度為4.0m的單根單跨雙支座均布荷載梁，最大承載力為4164kg。

本工程采取的是三跨四支座連續(xù)梁。查《承受均布荷載的等跨連續(xù)梁各截面最大及最小彎矩(彎矩包絡(luò)圖)的計(jì)算系數(shù)表》可查出彎矩分布系數(shù)。

計(jì)算單個(gè)三跨四支座，支座彎矩等效均布荷載PE：

等效均布荷載設(shè)為PE=N0=4164kg，可求得實(shí)際N。

有：PE=(8/3)×(N/l0)

即：4164=(8/3)×(N/4)

則：N=6246kg。

即在單個(gè)三跨四支座上最大承載力N=6246kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際荷載3941kg，是滿足承載力要求的。

3.3　牽引系統(tǒng)受力計(jì)算

3.3.1質(zhì)量計(jì)算

臺(tái)車牽引系統(tǒng)示意如圖5，計(jì)算臺(tái)車總質(zhì)量G=g1+g2，g1為臺(tái)車主體質(zhì)量，g2為荷載。

槽鋼質(zhì)量：67.7×23=1557.1kg，另算上附屬搭設(shè)件(包括防護(hù)欄)后，臺(tái)車主體質(zhì)量g1約為2000kg。

荷載約為：g2=3941kg。

則臺(tái)車總質(zhì)量

G=g1+g2=2000+3941=5941kg。

3.3.2牽引力計(jì)算

簡(jiǎn)化臺(tái)車為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算滑動(dòng)摩擦力。坡度為30°，摩擦系數(shù)取中值ν=0.6，所需摩擦力F=Ft+G×cos30°=(G/2)ν+G×cos30°。

則F=(5941/2)×0.6+5941×0.866=6927.3kg。

本工程選擇的是10t單筒卷?yè)P(yáng)機(jī)作為牽引設(shè)備，牽引力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于6927.3kg，滿足要求。

優(yōu)化牽引力，本工程選擇在臺(tái)車上加設(shè)一個(gè)動(dòng)滑輪組，即所需牽引力僅為：

F優(yōu)=6927.3/2=3463.65kg。

圖5　臺(tái)車牽引系統(tǒng)示意

4　臺(tái)車安裝

4.1　臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)安裝

(1)臺(tái)車主體制作

選擇將臺(tái)車梁、柱以略大于設(shè)計(jì)尺寸的規(guī)模先在營(yíng)地進(jìn)行切割分塊，再運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行連接組裝，多余部分則可現(xiàn)場(chǎng)切除掉。

(2)現(xiàn)場(chǎng)制作臺(tái)車

首先制作4個(gè)三跨梁?jiǎn)卧?，這樣一是方便確定坡度能與趾板貼合，二是在臺(tái)車的寬度上能有更多的調(diào)整空間。

制作完4個(gè)三跨梁?jiǎn)卧?，在柱的部位采取橫梁連接。不在臺(tái)車頂部以橫梁連接是為了方便在進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，避免橫梁部位正對(duì)趾板上的孔位。

完成臺(tái)車整體組裝后，鋪設(shè)木板木方，最后再進(jìn)行附屬組件的搭設(shè)(如安全護(hù)欄，雨棚等)和設(shè)備吊裝。

4.2　臺(tái)車牽引系統(tǒng)的安裝

牽引系統(tǒng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝，首先應(yīng)該是進(jìn)行地基處理。在選定卷?yè)P(yáng)機(jī)安裝場(chǎng)地后，基座以下地基進(jìn)行開挖，深度約為0.5m，然后進(jìn)行混凝土澆筑，等強(qiáng)后，進(jìn)行錨桿施工。錨桿定位于卷?yè)P(yáng)機(jī)基座四角處及四邊中點(diǎn)處，錨桿鉆孔深度為1.3m，外露0.1m，錨桿為注漿錨桿?；惭b應(yīng)與錨桿焊接牢固可靠。

鋼繩的絞盤應(yīng)該規(guī)整有序，在進(jìn)行正式施工前，鋼繩應(yīng)進(jìn)行正規(guī)的力學(xué)測(cè)試。

5　技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

5.1　技術(shù)成果分析

本工程使用平臺(tái)式鉆灌臺(tái)車，首先打破了以前常規(guī)的搭架作為施工平臺(tái)的方案。使用平臺(tái)式施工臺(tái)車相對(duì)于搭設(shè)架管式施工平臺(tái)具有一定優(yōu)勢(shì)，作為工程產(chǎn)品可以一次性制作，以后可多次施工使用；鉆灌機(jī)械只需進(jìn)行一次吊裝，不用反復(fù)吊運(yùn)；對(duì)于過(guò)于密集的搭架規(guī)格，施工臺(tái)車對(duì)于鉆孔孔位的精度有更高的控制性；平臺(tái)式施工臺(tái)車具有更高的實(shí)用性，在面板堆石壩施工后期還能用作其他施工方向。

5.2　經(jīng)濟(jì)效益分析

以本工程為例，若采用搭設(shè)架管式施工平臺(tái)，累計(jì)需要搭設(shè)架管134.6t，累計(jì)產(chǎn)生費(fèi)用約為37萬(wàn)元，僅搭設(shè)費(fèi)用就達(dá)16萬(wàn)元。

采用平臺(tái)式施工臺(tái)車，卷?yè)P(yáng)機(jī)成品采購(gòu)為3萬(wàn)/臺(tái)，18#槽鋼280m為6.44t，采購(gòu)價(jià)約為2.5萬(wàn)元，其他間接費(fèi)用約為3.5萬(wàn)元，總費(fèi)用約為12萬(wàn)元。

節(jié)約成本費(fèi)用約為25萬(wàn)元，同時(shí)節(jié)約施工工期，提高生產(chǎn)質(zhì)量，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益約為320萬(wàn)元。

6　結(jié)語(yǔ)

本工程設(shè)計(jì)的移動(dòng)式鉆灌平臺(tái)車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、運(yùn)行安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，值得在類似工程中推廣應(yīng)用。但在運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，如計(jì)算鋼和混凝土的動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)取值為0.6，但實(shí)際施工過(guò)程中會(huì)更大，在臺(tái)車下放時(shí)，有時(shí)不能靠自身重力下滑。在今后制作類似臺(tái)車時(shí)應(yīng)考慮這個(gè)問(wèn)題，建議底部加設(shè)滾輪；還有就是臺(tái)車的牽引系統(tǒng)控制是直接在卷?yè)P(yáng)機(jī)上操作，同步精確度還有待提高，建議改為更先進(jìn)的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，使操作更簡(jiǎn)單，精確度更高，安全可靠性更好。