宗格魯水電站重力壩模板設(shè)計與施工

雷 鳴

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000)

宗格魯（Zungeru）水電站位于尼日利亞聯(lián)邦共和國尼日爾州宗格魯鎮(zhèn)東北17 km的卡杜納（Kaduna）河上，其上游77 km為已建成運行的希羅羅（Shiroro）水電站。宗格魯水電站是一座兼有發(fā)電、防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運等多用途的水電工程，電站裝機(jī)容量700 MW，正常蓄水位230.00 m，設(shè)計洪水位230.00 m，校核洪水位 231.00 m，死水位 223.00 m，工程總庫容為114.19×108m3，正常蓄水位對應(yīng)庫容 109.1×108m3，死庫容為 82.43×108m3，具有多年調(diào)節(jié)性能。攔河大壩碾壓混凝土重力壩頂寬10 m，頂高程233.00 m，最大壩高90.0 m，壩體上游面豎直，下游面坡比為1：0.8。壩體內(nèi)設(shè)排水廊道及灌漿廊道，壩體采用“金包銀”形式，壩體內(nèi)部采用碾壓混凝土，上下游面采用常態(tài)混凝土。大壩每20 m分縫，縫內(nèi)設(shè)止水帶。為增加防滲效果，在壩體上游側(cè)5 m范圍內(nèi)，相鄰碾壓層（層厚30 cm）間須鋪設(shè)水泥砂漿。宗格魯水電站重力壩為大體積混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)截面形狀與一般水電站不同，模板設(shè)計不當(dāng)便會增加拉螺桿加固施工荷載。所以，該工程重力壩模板結(jié)構(gòu)型式設(shè)計與施工方案的選擇對工程施工質(zhì)量、施工效率至關(guān)重要。

1 模板方案設(shè)計

1.1 模板方案選擇

宗格魯水電站工程重力壩結(jié)構(gòu)為大體積混凝土現(xiàn)澆型式，加固施工荷載不能采用對拉螺桿模板，結(jié)構(gòu)截面形狀也較為特殊，包括傾坡、后仰坡和豎直墻等。壩段間結(jié)構(gòu)縫處存在混凝土楔鍵，必須安裝止水帶，所以工程重力壩模板方案的選擇對于工程質(zhì)量和施工成本非常重要。

碾壓混凝土施工中，擬采用以下幾種型式模板：（1）重力壩上游面及橫縫面采用連續(xù)上升可調(diào)式翻轉(zhuǎn)大模板，局部地方采用組合鋼模板，與壩基基巖面接觸部位采用木模補縫；（2）碾壓混凝土重力壩下游臺階式常態(tài)混凝土，采用懸臂式定型鋼模，面板采用P3015模板拼裝，挑流坎、WES堰面采用小鋼模拼接；（3）溢流壩段下游外側(cè)斜坡面采用滑模；（4）局部不能使用翻轉(zhuǎn)大模板和懸臂式定型鋼模的采用小鋼模及木模板補充；（5）灌漿廊道、排水廊道、交通廊道等部位采用預(yù)制混凝土模板。

1.2 模板結(jié)構(gòu)設(shè)計

工程重力壩懸臂鋼模板包括大鋼模板和懸臂架子兩部分，其中每塊大鋼模板幅面尺寸3 m×3 m，面板為Q235型6 mm厚鋼板，豎肋選用8號熱釓槽鋼，橫肋則選擇80 mm×6 mm的鋼帶，在模板橫背楞共設(shè)置三道橫豎肋。而懸臂架子主要包括模板連接器、螺桿機(jī)構(gòu)、模板調(diào)高機(jī)、橫豎向背楞、錨固系統(tǒng)、退模系統(tǒng)、主三腳架及滯后系統(tǒng)等部分。

2 關(guān)鍵部件驗算

本工程重力壩重點部位均采用懸臂鋼模板，懸臂鋼模板的設(shè)計計算主要包括大鋼模板、橫背楞、主背楞、主三角架、錨固系統(tǒng)、受力螺栓等[1]，其對重力壩模板的質(zhì)量和安全起決定性作用。大鋼模板結(jié)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度、鋼度的確定均按照《全大鋼模板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（DBJ01-89-2004）進(jìn)行，而橫背楞、主三角架、受力螺栓的設(shè)計則基于懸臂大鋼模板有針對性的進(jìn)行。

2.1 橫背楞

2.1.1 計算荷載

橫背楞是指基于豎向主梁支座的連續(xù)梁，計算簡圖見圖1。

圖1 橫背楞彎矩圖

橫背楞上的均布線荷載按下式計算：

式中：lmax為橫背楞間距最大值，取lmax=1175 mm；Fmax為模板版面所承受的混凝土側(cè)壓力最大值，取Fmax=58.5 kN/m2。

計算得：qmax=58.5×10-3×1175=70.5N/mm。

2.1.2 強(qiáng)度計算與驗算

按下式進(jìn)行強(qiáng)度計算：

式中：Mmax為橫背楞彎矩最大值；rx為截面塑性變化系數(shù)，取rx=1.0；wx為彎矩平面內(nèi)橫背楞凈截面抵抗矩，由于本工程橫背楞采用雙排 16a 槽鋼，所以 wx=109.5×103×2mm3。

對于本工程3 m寬的大綱模板而言，其：

2.1.3 撓度驗算

（1）懸臂部分

對于α=600 mm的最大懸臂，16 a槽鋼Ix=867.5×104mm4，此外：

故符合要求。

（2）跨中部分

故符合要求。

2.2 主三角架

主三角架常用于承放模板及模板荷載、模板施工人員站立、行走和操作工具的堆放，主三角架隨工程結(jié)構(gòu)的上升而提升，兩榀三角架所構(gòu)成的整體通過Φ48鋼管連接，并通過陀螺將主三角架懸掛于受力螺栓之上后，將受力螺栓與爬錐、預(yù)埋螺栓連接。

2.2.1 主三角架受力分析

G模表示重力壩大鋼模板與豎向主背楞自重，主三角架承受著模板傳遞給豎向主背楞的施工荷載，本工程中每榀主三角架所承受的大綱模板和豎向主背楞自重荷載為10000 N（1000 kg），G架表示懸臂架重量，每榀主三角架所承受的懸臂架子重量荷載約為7500 N（750 kg），qs表示施工荷載，每榀主三角架所承受的施工荷載約3750 N/mm（375 kg/m），詳見圖2。此外還包括受力螺栓產(chǎn)生的拉力與支撐力（TDX、TDY），墻面對主三角架的支撐力（NEX），退模系統(tǒng)的作用力（NBX、N’BX、NBY、N’BY），花籃螺桿的作用力（NA、NC）等[2]。

圖2 主三角架受力分析

2.2.2 荷載計算

結(jié)合大模板與豎向主背楞受力情況，根據(jù)靜力平衡條件可以得到以下公式：

2.3 受力螺栓安全驗算

受力螺栓作為承受水電站重力壩懸臂鋼模板全部荷載的關(guān)鍵性部件，除了同時承受彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力和拉應(yīng)力外，還承受著高頻率激振力和沖擊力，所以受力螺栓的力學(xué)性能直接影響并決定著懸臂鋼模板的安全程度。本水電站工程采用40Cr鋼材料，調(diào)制過程中通過鹽浴加熱并在油中冷卻，隨后高溫回火，獲得硬度為35 HRC～40 HRC的回火索氏體金相顯微組織，熱處理結(jié)束后，還需通過超聲波探傷。

重力壩模板的安全程度取決于受力螺栓混凝土強(qiáng)度，爬錐螺紋通常為中等旋合長度，只要其與受力螺栓及預(yù)埋螺栓強(qiáng)度適當(dāng)，則其強(qiáng)度足以，無需進(jìn)行爬錐的強(qiáng)度校核[3]。受力螺栓承受著自懸臂模板的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，又要承受混凝土振搗時所產(chǎn)生的的激振力。本工程采用40 Cr鋼材料，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》并結(jié)合工程實際調(diào)整后其抗剪強(qiáng)度[rb]=750～850 N/mm2，極限抗拉強(qiáng)度[σb]=890～980 N/mm2，屈服強(qiáng)度[σs]=758 N/mm2。

2.3.1 受力螺栓最大剪應(yīng)力

式中：TDY為受力螺栓承受的最大剪力值，根據(jù)本水電站工程懸臂架子受力情況，TDY≈25735N；Ds為受力螺栓的直徑，Ds=35 mm。

2.3.2 受力螺栓拉應(yīng)力

式中：TDr為受力螺栓承受的而拉應(yīng)力最大值，結(jié)合工程懸臂架子受力情況，TDr≈409178.8N。

2.3.3 受力螺栓模態(tài)分析

混凝土振搗過程中激振力通過模板和懸臂架子傳遞至受力螺栓，引起螺栓沿軸線方向的運動，振搗器頻率和受力螺栓頻率相同時出現(xiàn)的共振現(xiàn)象將大大影響受力螺栓的使用壽命，為此必須對反復(fù)周轉(zhuǎn)使用螺栓的受力模態(tài)進(jìn)行分析，指導(dǎo)工程施工。

受力螺栓一端固定而另一端自由，螺栓桿受到f(x,t)激振力作用后發(fā)生縱向震動，將x截面的位移表示為u(x,t)，其為截面位置x和時間t的函數(shù)，螺栓桿縱向振動的偏微分方程為：

式中：ρ為受力螺栓單位體積質(zhì)量，ρ=6.97×104N/m3；E為鋼的彈性模量，E=2.13×1011N/m2；A 為受力螺栓危險面截面積，A=1.105×10-3m2。

螺栓桿的頻率固定值如下：

式中：L—受力螺栓長度有效值，L=0.155 m。

此外，所對應(yīng)的振型函數(shù)為：

將 ρ、E、A 及 L 的值分別帶入式（13）和（14），則求得前三階受力螺栓桿頻率固定值和振型函數(shù)具體值為：

ω1≈4.13×104Hz，ω2≈1.32×105Hz，ω3≈2.11×105Hz；

U1（x）=sin(11.678x)，U2（x）=sin(36.9x)，U3（x）=sin(63.82x)。

通過分析反復(fù)周轉(zhuǎn)使用螺栓的受力模態(tài)可知，受力螺栓固有頻率比混凝土振搗器振搗頻率要大，所以兩者頻率相同而引發(fā)共振的現(xiàn)象不可能發(fā)生，可見，混凝土振搗過程中所產(chǎn)生的激振力對受力螺栓壽命的不利影響可以忽略不計。

3 模板施工難點分析

宗格魯△水電站工程懸臂大鋼模板施工中主要面臨以下難點：重力面39.6 m高程位置后仰牛腿支模和拆模以及重力壩面自下而上凹廊模板的配置。

3.1 后仰牛腿支模和拆模

與其他模板結(jié)構(gòu)相比，后仰牛腿支模與拆模結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，這也是懸臂模板體系的特征之一，△為確保支模與拆模質(zhì)量，本工程專門設(shè)計制作了適合重力面39.6 m高程位置的后仰三角掛架，設(shè)置在主三角架前端，解決支模與拆模問題?；炷翝仓^程中，于退模系統(tǒng)上方混凝土垂直埋設(shè)Ф45 mm×3 mm鋼管，拆模時先拆大鋼模板，待其吊走后，再用吊裝機(jī)拆掉懸臂架。

3.2 凹廊模板配置

重力壩面自下而上凹廊寬4.0 m，進(jìn)深5.59 m，懸臂大鋼模板施工過程中，角模與鋼模板之間采用子母口搭接和螺栓連接，并通過直角芯帶加固。為確保陽角不漏漿，應(yīng)采用專用的拉結(jié)件并加強(qiáng)海綿條壓邊，為承載鋼模板，凹廊兩側(cè)應(yīng)采用小三角掛架，并用可調(diào)節(jié)的頂撐模板支頂以承載混凝土對模板的側(cè)壓。

4 結(jié)論

宗格魯水電站結(jié)構(gòu)采用懸臂大鋼模板施工確保了工程質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度，勞動強(qiáng)度有效降低，尤其增加了重力壩大尺寸牛腿位置施工的安全與快捷，無需搭設(shè)腳手架，同時狹窄凹廊模板的支拆也能有效承載混凝土重力壩對模板的測壓力。實踐證明，當(dāng)前國內(nèi)水工建筑物重力壩施工中，懸臂鋼模板安全、方便，優(yōu)勢顯著，值得推廣。