直立式混凝土水尺壓印成型技術(shù)研究

黃照元

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

溪洛渡水電站是國家“西電東送”骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙和改善上游航運(yùn)條件等綜合效益，并可為下游電站進(jìn)行梯級(jí)補(bǔ)償。電站主要供電華東、華中地區(qū)，兼顧川、滇兩省用電需要，是金沙江“西電東送”距離最近的骨干電源之一。

溪洛渡水電站水庫調(diào)度專用站分布在大壩上游2.7km處左、右各一個(gè)壩上庫水位站和壩下約3.1km處一個(gè)出庫水位站。共計(jì)3個(gè)水位站的土建工程主要包括站房、梯步、水尺、水準(zhǔn)點(diǎn)、線槽和其他配套設(shè)施，3.24m×3.24m站房3間，208m2生活站房1棟，永久觀測(cè)梯步475m、簡易梯步290m，鋼筋混凝土直立水尺160根、簡易水尺160根，傾斜水尺80m，線槽475m。

大壩上游左右岸兩個(gè)水位站死水位以上永久觀測(cè)段采用的是直立式混凝土水尺，水尺刻度和數(shù)字直接刻劃在混凝土表面。大壩下游水位站采用傾斜式水尺。死水位以下水庫初期蓄水時(shí)臨時(shí)觀測(cè)段采用預(yù)埋鋼管外掛搪瓷水尺。直立式水尺在水位高程610m至537m之間布設(shè)，水尺在水位測(cè)驗(yàn)斷面沿程鋪設(shè)，相鄰水尺水位銜接不小于0.2m。在觀測(cè)斷面高度方向每1m布置1根混凝土直立式水尺，水尺采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斷面呈五邊形。單根水尺高度為2.0m，埋深0.8m，凈高1.2m。水尺一個(gè)直立面上有刻度、數(shù)字及水尺編號(hào)標(biāo)識(shí)，設(shè)計(jì)要求水尺數(shù)字及水尺編號(hào)刻畫深度5mm，字體為宋體，字體高35mm，寬25mm。永久水尺編號(hào)首字母為B。水位最小刻度0.01m，要求刻度劃分、數(shù)字標(biāo)示清晰醒目?；炷翉?qiáng)度不低于C25。直立式水位尺設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 直立式水位尺設(shè)計(jì)(單位：mm)

2 混凝土表面刻字方案對(duì)比

經(jīng)調(diào)查了解，常見的直立式水尺主要是立柱上外掛水尺板，水尺板由木板、搪瓷板、高分子板或不銹鋼板做成，本項(xiàng)目直接將刻度和字體刻畫在混凝土表面，這種方式無成熟施工案例可借鑒。現(xiàn)有的石碑、鐵路軌道板、清水混凝土等結(jié)構(gòu)表面刻字工藝總結(jié)下來有人工雕刻、機(jī)械雕刻、現(xiàn)澆成型等方式，各種成型方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 混凝土表面文字成型方式對(duì)比

本工程直立式混凝土水尺共160根，刻劃工程量大，項(xiàng)目地點(diǎn)偏遠(yuǎn)，經(jīng)綜合對(duì)比，先排除人工雕刻和機(jī)械雕刻兩種方式，選擇了現(xiàn)澆成型方案著手實(shí)施，并在實(shí)際施工中最終改進(jìn)為壓印成型方案。

3 直立式混凝土水尺預(yù)制安裝技術(shù)

3.1 鋼筋加工

直立式水尺五邊形斷面上每個(gè)角布置有1根直徑12mm的螺紋鋼，箍筋采用光圓鋼筋φ6@200mm。鋼筋籠采取綁扎方式加工，底模上鋪墊同標(biāo)號(hào)混凝土墊塊，鋼筋籠放置在混凝土墊塊上，預(yù)留保護(hù)層厚度。

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及原材料質(zhì)量要求

3.2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

由于水尺構(gòu)件體積較小，寬度方向只有20cm，刻度凹陷深度為5mm，采用細(xì)石混凝土。混凝土既要滿足強(qiáng)度要求，又需要澆筑振搗后表面保護(hù)層漿液豐富，便于刻劃?；炷羺⒖寂浜媳热绫?所示。

表2 C25細(xì)石混凝土配合比參考

3.2.2 原材料質(zhì)量要求

(1)碎石：細(xì)石混凝土使用的集料為粒徑5.0mm～15.0mm的連續(xù)級(jí)配碎石。其含泥量0.6%，泥塊含量0.3%，針片狀顆粒9%，松散體堆積密度1460kg/m3。

(2)水泥：42.5的普通硅酸鹽水泥。

(3)砂：細(xì)集料為級(jí)配良好的天然中砂。其含泥量0.6%，泥塊含量0.2%，細(xì)度模數(shù)2.4，表觀密度2550kg/m3，堆積密度1660kg/m3。

(4)粉煤灰：Ⅰ級(jí)粉煤灰。

(5)外加劑：為增加混凝土的耐久性，加入減水劑、防水劑。

3.3 工藝試驗(yàn)及壓印成型技術(shù)核心思想

對(duì)字模布置在底面、頂面兩種情況進(jìn)行了工藝對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選一種合理可行的施工方案。

3.3.1 水尺本體及刻度文字一次澆筑成型工藝試驗(yàn)

因最初無類似施工經(jīng)驗(yàn)可參考，最直觀的想法是將字模布置在水尺底模上同時(shí)澆筑，帶字模的水尺整體模板展開圖如圖2所示。水尺模板特殊的地方在于刻度標(biāo)識(shí)和文字模板制作，由于文字和刻度具有方向性，制作模板時(shí)數(shù)字和刻度需要做倒模處理，在設(shè)計(jì)模板時(shí)可在制圖軟件中采用鏡像功能生成倒模圖形。

圖2 帶字模的水尺整體模板展開(單位：mm)

混凝土水尺為細(xì)長構(gòu)件，斷面為五邊形，經(jīng)過入倉方式的對(duì)比，采取水尺長邊平放澆筑，混凝土層厚為20cm，入倉和振搗均比長邊豎直放置簡單，模板頂面作為進(jìn)料口。拌合樓打料后混凝土罐車運(yùn)輸至預(yù)制場(chǎng)地，將混凝土料卸在水尺模具旁，人工用鏟子將混凝土鏟起送入模具內(nèi)。小功率插入式振搗器進(jìn)行振搗，混凝土振搗掌握以下要領(lǐng)：垂直插入、快插慢拔、三不靠。振搗器插入時(shí)要快，拔出時(shí)要慢，以免在混凝土中留下空隙；每次插入振搗的時(shí)間為20s～30s左右，并以混凝土不再顯著下沉，不出現(xiàn)氣泡，開始泛漿時(shí)為準(zhǔn)；振搗時(shí)間不宜過久，太久會(huì)出現(xiàn)砂與水泥漿分離，石子下沉，并在混凝土表面形成砂層，影響混凝土質(zhì)量；振搗插入前后間距一般為30cm～50cm，防止漏振；三不靠振搗時(shí)不要碰到模板、鋼筋和預(yù)埋件，模板附近振搗時(shí)，應(yīng)同時(shí)用木錘輕擊模板，在鋼筋密集處和模板邊角處，應(yīng)配合使用鐵釬搗實(shí)。澆筑完成24h后灑水養(yǎng)護(hù)。

脫模后檢查發(fā)現(xiàn)部分E形刻度棱角殘缺，1、2、3、5、7這些開放結(jié)構(gòu)的字體成型效果比較完整，但0、4、6、8、9、P這類有封閉結(jié)構(gòu)的字體輪廓?dú)垞p較多，字跡模糊。原因可能是在刻度邊緣由于在小尺度上的毛細(xì)效應(yīng)，混凝土中水分、氣泡吸附在刻度和文字的棱角部位，加上脫模劑無法均勻分布等原因，造成脫模后字體成型效果不好。另一個(gè)問題是在脫模時(shí)，需要把水尺吊起一定高度，水尺要達(dá)到吊裝強(qiáng)度才行，會(huì)造成脫模時(shí)間過晚，脫模劑失效，混凝土和模板之間粘接牢固不易拆除，強(qiáng)行拆除容易對(duì)混凝土外觀造成影響，文字和刻度容易缺棱少角，不滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 先澆筑水尺本體后施作刻度文字工藝試驗(yàn)

經(jīng)過研究，由于整體式模板澆筑時(shí)水尺構(gòu)件本體與水尺刻度文字標(biāo)識(shí)強(qiáng)度發(fā)展及拆模時(shí)間不匹配，于是想到將刻度刻劃和水尺本體澆筑分為兩個(gè)工序，先澆筑水尺本體，再施作水尺表面的刻度文字標(biāo)識(shí)。將帶刻度的一面選擇在入倉口所在的頂面，采取類似活字印刷的方式，在混凝土初凝前將帶字和刻度的模板按壓在平整的混凝土表面，利用這個(gè)階段混凝土具有的可塑性將標(biāo)識(shí)模具上的凹凸信息“印制”形成刻度和文字標(biāo)識(shí)，這就是壓印成型技術(shù)的核心思想。

由于刻度密集，陰陽角需要重點(diǎn)保護(hù)，為避免水尺刻度及文字壓印時(shí)填充不飽滿以及揭開模板時(shí)大面積粘連破壞，將帶字模板設(shè)計(jì)成有一定柔性的專用模板，如圖3所示。刻度和字體模塊采用激光切割5mm厚不銹鋼板形成，不銹鋼板表面應(yīng)光滑潔凈，刻度和字模按設(shè)計(jì)給定的間距順序排列在3mm厚薄鋼板上，數(shù)字的下邊緣應(yīng)靠近相應(yīng)的刻度處。薄鋼板背面不設(shè)置加強(qiáng)肋條，保持一定柔性，模板在長度方向上可以有一定程度的彎曲，澆筑混凝土?xí)r可以局部卷曲，便于壓印及脫模。

圖3 水尺標(biāo)識(shí)壓印專用柔性模板(單位：mm)

水尺本體混凝土澆筑完成后大約靜置2h～3h，混凝土接近初凝前，用水尺標(biāo)識(shí)專用模板從水尺混凝土表面一個(gè)方向往另外一個(gè)方向緩緩壓下，混凝土能朝著一個(gè)方向產(chǎn)生細(xì)微的推移塑性變形，突出的字模首先接觸到混凝土表面，字模突出部位擠壓混凝土凝土面形成凹陷部位。凹陷部位擠壓后的混凝土向四周溢出，隨后蓋模壓下來擠壓溢出的混凝土，這部分混凝土構(gòu)成刻度的突起部分，采用橡膠錘輕輕錘擊模板，使得混凝土重新分布均勻，將水尺刻度的陰角和陽角填充完整，操作過程中要保持模板的相交線，橫平豎直，使用柔性模板將邊角完全壓到。壓印后從一側(cè)向另一側(cè)緩慢揭開柔性模板，刻度及字體標(biāo)識(shí)隨即呈現(xiàn)，水尺標(biāo)識(shí)柔性模板壓印工藝示意見圖4。壓印時(shí)間要掌握準(zhǔn)確，過早的話壓出的表面全為毛面，沒有光澤度，而且表面耐磨性很差，嚴(yán)重影響質(zhì)量；過晚則會(huì)難以壓出完整的紋理，影響美觀。在壓印完成24h后，用薄膜遮蓋養(yǎng)護(hù)或?yàn)⑺B(yǎng)護(hù)。

圖4 水尺標(biāo)識(shí)柔性模板壓印工藝示意

改進(jìn)后的壓印成型技術(shù)施工的水尺刻度及文字成型效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.4 安裝工藝

人工沿著觀測(cè)段梯步將水尺搬運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)，手拉葫蘆吊裝水尺至觀測(cè)段預(yù)留坑槽中，全站儀進(jìn)行放樣，調(diào)整水尺的平面位置，確保所有水尺在一個(gè)觀測(cè)斷面上，再用水準(zhǔn)儀測(cè)量校準(zhǔn)水尺的高程，安裝要求達(dá)到四級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。水尺應(yīng)與水面垂直，安裝時(shí)吊垂線校正。灌注細(xì)石混凝土將直立式水尺埋設(shè)固定。

水尺安裝后，用四等以上水準(zhǔn)測(cè)量的方法測(cè)定每支水尺的零點(diǎn)高程，在讀得水尺上的水位數(shù)值后加上該水尺的零點(diǎn)高程就是要觀測(cè)的水位值。

4 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

采用柔性模板壓印工藝生產(chǎn)的混凝土水尺表面標(biāo)識(shí)刻度和文字清晰美觀，無沾漿脫落，輪廓外沿?zé)o砂角，效果良好。完工驗(yàn)收并運(yùn)行多年后直立式混凝土水尺現(xiàn)場(chǎng)照片見圖5，照片中可見所有直立式水尺排列在一條直線上，水尺表面刻度、文字標(biāo)識(shí)清晰美觀。

圖5 直立式混凝土水尺現(xiàn)場(chǎng)照片

5 結(jié)語

將靠樁、刻度及字母數(shù)字標(biāo)識(shí)融為一體的直立式混凝土水尺是一種新的設(shè)計(jì)形式，具有抗水流沖刷，抗泥沙磨蝕，后期維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該水尺預(yù)制時(shí)標(biāo)識(shí)刻度密集，刻度精度要求高的難點(diǎn)，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地研制了分體式水尺標(biāo)識(shí)壓印專用柔性模板，并結(jié)合混凝土的塑形變形特點(diǎn)研究應(yīng)用了壓印成型技術(shù)，混凝土水尺合格美觀經(jīng)久耐用，值得類似工程參考借鑒。