兩河口水電站土工膜快速收放機(jī)研制與應(yīng)用

劉武超

(中國水利水電第十二工程局有限公司, 浙江 杭州 310000)

兩河口水電站大壩的填筑主要參照心墻土料的填筑速度而定，由于土料在氣溫出現(xiàn)負(fù)溫度時，會出現(xiàn)凍土情況，因此施工規(guī)范規(guī)定，當(dāng)大氣溫度低于0℃時，應(yīng)停止心墻土料施工并采取有效的覆蓋保溫措施，保溫后可防止倉面已填筑的心墻土料出現(xiàn)凍土現(xiàn)象。故負(fù)溫時段將直接影響到大壩心墻土料填筑工期，影響大壩填筑的整體工期。目前已經(jīng)修建的或在建的土石壩工程在冬季低溫時段一般采用“干土覆蓋”或“季節(jié)性停工”兩種施工方法，待氣溫回升后，再開始施工。但采用這兩種方法的施工質(zhì)量不易得到控制，同時會一定程度上造成施工成本增加、施工設(shè)備閑置、填筑強(qiáng)度大幅降低，影響工期。

兩河口水電站及雙江口水電站均處于高海拔、高寒地區(qū)，冬季氣溫比較低，修建300m級礫石土料心墻壩的施工質(zhì)量和進(jìn)度也將會受到影響。同時，在出現(xiàn)負(fù)溫期間，會導(dǎo)致大量資源閑置，經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。為解決常規(guī)施工方法存在的問題，項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的施工情況研制了一種可滿足工程實(shí)際需要的“三布兩膜”保溫材料。但土工膜生產(chǎn)廠家未研究相應(yīng)的收放機(jī)械裝備，目前只能人工進(jìn)行土工膜收放施工，需要投入大量的施工人員和機(jī)械設(shè)備，導(dǎo)致填筑強(qiáng)度和資源投入不匹配。

1 概 述

兩河口水電站工程地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候區(qū)，最低氣溫為-15.9℃，每年最低溫度主要集中在當(dāng)年12月至次年1月，每天23 ∶00至次日11 ∶00為負(fù)溫時段。該工程冬季施工時段長達(dá)5個多月，冬季晝夜溫差較大，低溫時段局部土體會受凍而含冰晶，中午升溫后冰晶受熱一般會消融，土體則經(jīng)受凍融過程。兩河口水電站為礫石土直心墻堆石壩，壩高295m，礫石土設(shè)計填筑量441.14萬m3，接觸黏土17.96萬m3，冬季施工填筑方量達(dá)到128萬m3，占心墻填筑土料的28%。

兩河口水電站大壩心墻土料冬季填筑施工采用“三布兩膜”保溫材料進(jìn)行土料覆蓋保溫，施工時段隨現(xiàn)場的氣溫而定，溫度高于0℃時恢復(fù)施工，低于0℃時停止施工。目前心墻填筑面積約7500m2，采用常規(guī)的鏟車配合人工收放土工膜，每平方米土工膜質(zhì)量約為1kg左右，每塊土工膜被裁剪的尺寸為20m×6m。收揭土工膜時需25個人和2臺裝載機(jī)配合，3h完成土工膜收揭工作。鋪設(shè)土工膜時需30個人和1臺裝載機(jī)，鋪設(shè)土工膜的時間為3.6h。但每天有限的土料施工時間為10h左右，故為了能最大化地利用正溫下土料的施工時間，實(shí)際施工時存在收揭土工膜時間提前及鋪設(shè)土工膜時間推后的情況，導(dǎo)致外界氣溫在低于0℃時，土料未覆蓋，土料保溫未受到保障。同時采用鏟車配合搬運(yùn)對土工膜的破壞較大，導(dǎo)致重復(fù)利用率較低，并且每塊土工膜尺寸較小，整體的保溫效果較低，需要消耗大量人工，勞動強(qiáng)度大、時間長、費(fèi)用高，極易浪費(fèi)每天有限的正溫施工時段，無法滿足快速流水作業(yè)要求。

為了解決上述土工膜快速收放問題，項(xiàng)目部使用了自主研發(fā)的“土工膜快速收放機(jī)”。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

項(xiàng)目部利用液壓挖掘機(jī)的正鏟油壓系統(tǒng)，設(shè)計制造了土工膜快速收放機(jī)的固定支撐平臺和支撐系統(tǒng)，布置了液壓旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)，可在液壓挖掘機(jī)駕駛室原正鏟操作平臺控制收放機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。

2.1 研制思路

a.根據(jù)土工膜的寬度、長度，提出土工膜收放機(jī)固定支撐平臺的具體結(jié)構(gòu)型式、長度、寬度和高度等參數(shù)，及該平臺和液壓挖掘機(jī)的連接方式。

b.依據(jù)設(shè)想的土工膜收放機(jī)的工作方式和原理，選擇液壓馬達(dá)的型號和布置位置，以及軸的結(jié)構(gòu)型式和液壓馬達(dá)連接方式。

c.選擇液壓馬達(dá)和正鏟的油系統(tǒng)連接的方式，由正鏟的油系統(tǒng)為土工膜收放機(jī)提供動力來源。

2.2 研制過程

兩河口水電站采用“三布兩膜”保溫材料進(jìn)行土料覆蓋保溫，土工膜尺寸為6m×100m，重量約為600kg/卷，由于其寬度較大，所設(shè)計的固定支撐平臺必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，綜合分析決定采用工字鋼制作該平臺。平臺的結(jié)構(gòu)型式確定完成后，需要設(shè)計平臺的總體寬度、長度和離地面高度等參數(shù)。根據(jù)填筑面實(shí)際情況以及支撐行走輪的尺寸，選擇該平臺離地面高度為0.4m；根據(jù)土工膜的尺寸、液壓馬達(dá)的布置，選擇該平臺的長度為7.2m，寬度為1m，見圖1；根據(jù)每卷土工膜的直徑，選擇液壓馬達(dá)支撐座及軸支撐座的高度為0.65m，即可保證土工膜收放機(jī)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，平臺與液壓挖掘機(jī)的連接方式和正鏟與液壓挖掘機(jī)的連接方式相同，同時需保證該平臺上的所有部件在液壓挖掘機(jī)的最大回轉(zhuǎn)半徑2.05m以外，不能阻礙挖掘機(jī)的正常旋轉(zhuǎn)操作，故平臺與液壓挖掘機(jī)連接桿的長度根據(jù)實(shí)際情況而定，見圖2。

圖1 土工膜快速收放機(jī)平臺設(shè)計 (單位：mm)

圖2 土工膜快速收放機(jī)設(shè)計(單位：mm)1—平臺；2—弧形壓板；3—導(dǎo)向裝置；4—軸支撐；5—軸；6—限位裝置；7—液壓馬達(dá)；8—液壓馬達(dá)支撐座；9—液壓挖掘機(jī)；10—行走輪胎；11—聯(lián)軸器

研制土工膜快速收放機(jī)要解決的核心問題是正鏟的油系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正反旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)。

如圖3所示，軸的直徑為108mm，中間部位為空心軸，兩側(cè)0.3m的位置為實(shí)心軸，軸與液壓馬達(dá)采用自制的聯(lián)軸器進(jìn)行連接，軸的長度為6.7m，液壓馬達(dá)固定在支撐座上，軸放置在軸支撐座上，軸與軸支撐座、軸與聯(lián)軸器的連接方式均采用活連接，方便軸的拆卸，土工膜快速收放機(jī)的重點(diǎn)是一卷土工膜與一根軸的配合使用。

圖3 土工膜快速收放機(jī)軸設(shè)計 (單位：mm)

液壓馬達(dá)依據(jù)土工膜的重量及旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行選擇，將液壓馬達(dá)與正鏟的油路采用油管連接，并在此油管上設(shè)置限流閥門，調(diào)整最大旋轉(zhuǎn)速度，同時將兩根油管在液壓馬達(dá)上的安裝位置分別做好標(biāo)記，保證每次操作時液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向是一致的。

如圖2所示，在軸上布置3塊長度為500mm、寬度為20mm的弧形壓板，并采用螺栓固定；在軸的兩側(cè)設(shè)置兩個定位板，定位板的直徑為600mm，采用螺栓固定在軸上，定位板的間距為6.2m；同時在固定支撐平臺上布置導(dǎo)向裝置，設(shè)置該裝置的主要目的是除去土工膜膜面上黏結(jié)的土和石頭，且可以拉直褶皺的土工膜，對土工膜起到收放方向的指引作用。

2.3 土工膜收放過程

a.將土工膜的一端按弧形壓板的間距進(jìn)行裁剪，利用弧形壓板將土工膜固定在軸上，然后將土工膜卷在軸上。

b.在冬季心墻礫石土填筑施工過程中，當(dāng)外界氣溫低于0℃時，利用液壓挖掘機(jī)的反鏟配合使用鋼絲繩將成卷的土工膜吊在土工膜快速收放機(jī)上，吊裝過程中，注意保護(hù)土工膜防止受到機(jī)械損害。

c.司機(jī)在駕駛室操作原正鏟的手柄，開始鋪設(shè)土工膜，鋪設(shè)過程中液壓挖掘機(jī)的行走速度與釋放土工膜的旋轉(zhuǎn)速度相匹配，鋪設(shè)過程需一人進(jìn)行指揮配合。該卷土工膜鋪設(shè)完成后，利用液壓挖掘機(jī)的反鏟配合使用鋼絲繩將釋放完成的軸吊下來，再吊一卷成卷的土工膜放在土工膜快速收放機(jī)上，重復(fù)上述操作，鋪設(shè)過程中保證土工膜互相搭接寬度為300mm。

d.當(dāng)外界氣溫高于0℃時，利用液壓挖掘機(jī)的反鏟配合使用鋼絲繩將軸吊在土工膜快速收放機(jī)上，在吊裝過程，注意避免軸受到機(jī)械損害。

e.司機(jī)在駕駛室操作原正鏟的手柄，開始收揭土工膜，收揭過程中液壓挖掘機(jī)的行走速度與收放土工膜的旋轉(zhuǎn)速度相匹配，同時需要增加力度，使土工膜的褶皺部位經(jīng)過導(dǎo)向裝置后自動壓平，利于收卷，收揭過程需一人進(jìn)行指揮配合。該卷土工膜收揭完成后，利用液壓挖掘機(jī)的反鏟配合使用鋼絲繩將收揭完成的土工膜吊下來，再吊一根軸放在土工膜快速收放機(jī)上，重復(fù)上述操作(見圖4)。

圖4 土工膜快速收放機(jī)工作過程

f.冬季心墻礫石土填筑施工完成后，拆除依托在液壓挖掘機(jī)上的土工膜快速收放機(jī)，恢復(fù)液壓挖掘機(jī)的正鏟部位，液壓挖掘機(jī)即可投入到其他施工工作中去。

土工膜快速收放機(jī)由液壓挖掘機(jī)改裝而成，利用液壓挖掘機(jī)正鏟的油系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的正反旋轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)節(jié)，進(jìn)行長寬規(guī)格為6mm×100mm的“三布兩膜”保溫材料的土工膜快速收放，單機(jī)標(biāo)配人員2名(駕駛員1人，指揮1人)，液壓挖掘機(jī)可自動化裝卸土工膜，單臺收放機(jī)鋪設(shè)作業(yè)效率達(dá)到5000m2/h，收揭作業(yè)效率達(dá)到5900m2/h，極大地提高了收放效率，有效地避免了人工收放作業(yè)的弊端，減少了施工成本。

3 效益分析

3.1 效率分析

a.兩河口水電站大壩2016年冬季心墻土料填筑施工面積約為7500m2，采用常規(guī)的人工收放土工膜方法，收土工膜需要25人以及2臺裝載機(jī)配合， 鋪設(shè)土工膜需要30人以及1臺裝載機(jī)配合。土工膜收放消耗時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 土工膜收放耗時統(tǒng)計(2016年冬季施工數(shù)據(jù))

結(jié)論：采用人工收放土工膜的方法，每次收揭土工膜平均耗時171min，平均每小時收揭土工膜面積為7500/(171/60)=2632m2，每次鋪設(shè)土工膜平均耗時214min，平均每小時鋪設(shè)土工膜面積為7500/(214/60)=2101m2。

b.土工膜快速收放機(jī)在現(xiàn)場使用時需配備一名駕駛員和一名指揮人員。在單卷土工膜(6m×100m)進(jìn)行收放時，對用時進(jìn)行了統(tǒng)計，數(shù)據(jù)見表2。

表2 土工膜收放機(jī)使用收放時間統(tǒng)計(2016年冬季施工數(shù)據(jù))

結(jié)論：使用土工膜快速收放機(jī)單次收揭平均用時5min26s，單次鋪放平均用時6min27s。使用土工膜快速收放機(jī)時，單臺平均每小時鋪放土工膜面積為540×(60/(6+27/60))=5023m2，單臺平均每小時收揭土工膜面積為540×(60/(5+26/60))=5945m2。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

將使用土工膜快速收放機(jī)與采用人工覆蓋土工膜的費(fèi)用進(jìn)行分析對比，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 兩種方案費(fèi)用對比

通過計算可知，采用常規(guī)的人工收放土工膜，每天機(jī)械費(fèi)用和人工費(fèi)用總計為5845元，每月施工成本為5845元×30天=175350元，每年冬季按三個月計算，則每年冬季施工成本為52.61萬元。采用土工膜快速收放機(jī)進(jìn)行施工，每天機(jī)械費(fèi)用和人工費(fèi)用總計為258.68+306.16=564.84元，每月施工成本為564.84元×30天=16945.2元，每年冬季施工成本為5.08萬元，土工膜快速收放機(jī)設(shè)計制作費(fèi)用總計約15萬元。

3.3 對比分析

2017—2022年冬季時心墻的面積為90280m2，以后幾年若采用人工加機(jī)械進(jìn)行施工，成本為(90280/7500)×52.61=633.28萬元(不考慮人工上漲)，采用土工膜快速收放機(jī)進(jìn)行施工的成本為(90280/7500)×5.08=61.15萬元。

通過計算得出，采用土工膜快速收放機(jī)節(jié)約直接施工成本633.28-61.15-15=557.13萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分突出。因此，采用土工膜快速收放機(jī)進(jìn)行施工，可以提高土工膜收鋪施工效率，大大增加其他施工機(jī)械(凸塊碾、推土機(jī)、自卸車)和施工人員的有效施工時間，減少工程機(jī)械和人員的閑置時間，提高工程機(jī)械的利用率和人員的工作效率，間接地增加了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語

該臺“土工膜快速收放機(jī)”在兩河口水電站冬季心墻礫石土填筑施工中使用，為兩河口水電站3個月的冬季心墻礫石土填筑施工爭取了更高的填筑高度，保證了大壩心墻的填筑進(jìn)度，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、高效、快捷的目的，得到了業(yè)主方、設(shè)計方和監(jiān)理方的高度評價，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前我國規(guī)劃與在建的高土石壩工程相對較多，大部分都地處高海拔、高寒冷地區(qū)，如四川的雙江口水電站、西藏的米林水電站等工程項(xiàng)目，心墻的土料填筑方量巨大，同時均存在冬季心墻土料填筑施工強(qiáng)度高和質(zhì)量低的問題，但是若冬季停止心墻土料填筑的施工，加之雨季會對心墻土料的填筑造成影響，一年中可用于心墻土料填筑施工的時段會更少，工程的建設(shè)期將會變得很長。采用“土工膜快速收放機(jī)”解決了冬季心墻土料填筑施工中土工膜收放的效率問題，保證了冬季心墻土料填筑施工的進(jìn)度及工程質(zhì)量，降低了施工成本，值得在類似條件的項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用。