拉西瓦水电站泄洪流道大体积混凝土施工采用吊模工艺的优化设计

摘要：拉西瓦水电站泄洪底孔、临时底孔流道顶板大体积混凝土施工方案采用了吊模工艺，不仅加快了孔口坝段及大坝的整体施工进度、节约了成本；同时，通过优化设计的方案，有效的保证了施工质量和安全可靠性。本文就优化设计方案的过程予以论述，旨在达到进一步提高建筑施工行业优化设计或二次设计的水平，并在有效提高经济效益的同时，保证施工方案的科学性、可靠性和实际操作性的目的。

关 键 词：流道；大体积混凝土；吊模；优化设计

1工程概况

拉西瓦水电站是黄河流域目前已建成装机容量最大、发电量最多、单位千瓦造价最低、经济效益良好的水电站。该水电站工程属大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。该工程由混凝土双曲拱坝（坝高250m）、坝后水垫塘及二道坝、坝身泄洪表孔、深孔、底孔及右岸地下厂房主变开关室组成。大坝建成后将形成10.79亿m3的水库，电站装机容量420万kW（6×70万kW）。工程的主要任务是发电，水库具有日调节能力。该水电站泄洪坝段为10#~13#坝段。其中，泄洪底孔除承担提前发电期汛期施工导流，同时承担降低库水位及库水位降至2339m左右向下游供水的任务；临时底孔主要为提前发电期承担汛期施工导流，后期进行封堵。底孔、临时底孔布置相同，均由进口段、有压段、弧形工作门墩段（包括鼻坎段）组成。进口底坎高程2320.0m，进口设平板事故检修门，孔口尺寸4.0m×9.0m；工作弧门底坎高程2320.0m，孔口尺寸4.0m×6.0m。

2施工方案说明

2.1原施工方案说明

底孔、临时底孔除孔口部位有钢衬外，孔身均无钢衬。其流道长，深度大且顶板呈渐变形态，顶板支撑原投标方案采用规格为φ273×12mm的钢管支柱（间排距1m×3m），支柱间布设∠752×7的剪刀撑；管柱顶部铺设Ι28找平梁和Ι25的水平梁形成钢平台，其上安装散装钢模板。

2.2优化施工方案说明

底孔、临时底孔流道总长73m（除进水口钢衬外1:18.0及1:6两段坡长总和），流道两边墙净跨距4m，两边墙及顶板混凝土均设计有受力钢筋，顶板混凝土中沿跨距方向受力钢筋为三层，底部两层为Φ32，顶部为Φ28，均为二级螺纹钢，其竖向间距分别为20cm、30cm，平行间距均为20cm。

为加快孔口坝段的施工进度，保证大坝浇筑抬升的规范性、整体性，特对底孔、临时底孔流道顶板的原施工方案进行了较为科学、细致的优化设计，将流道底部支撑改为钢筋桁架支撑。利用流道顶板混凝土中竖向设计钢筋底部第一层Φ32（螺纹钢）作为支撑桁架下弦杆，距底部第一层钢筋0.8m高度新增Φ32（螺纹钢）作为桁架上弦杆，在上下弦杆间布设φ28（圆钢）作为桁架腹杆，并在垂直上弦杆沿流道方向布设部分Φ25（螺纹钢）作水平连接筋，由设计受力钢筋与新增钢筋桁架形成吊模的整体支撑系统。

图1流道吊模支撑结构正视图

图2流道吊模支撑结构侧视图

3优化方案的科学性验证

3.1荷载及结构校核计算

3.1.1荷载计算

以双榀桁架覆盖范围为基本计算单元：下弦杆跨度4.35m、顺流道长0.6m、砼最大浇筑高度2m（流道顶板台阶分层高度控制在1m~2m间）。

（1）现浇砼重量：砼以常规2500kg/m3、乘以1.25的结构安全保证系数进行验算：

以均布荷载计为：q1=0.6m×2m×2500kg/m3×10N/kg×1.25=37.5kN/ m

（2）支撑桁架自重：考虑到设计架立筋与水平桁架上、下弦杆的连接强度，此处以水平设计钢筋计入桁架自重进行校核，其重量包括桁架上、下弦杆、腹杆、连接筋及设计钢筋，其单元校核总重为649 kg，以均布荷载计为：

（3）吊模材料自重由螺帽、螺杆、钢垫板、胶合板、散装钢模及钢围檩组成，其单元校核总重为368 kg，以均布荷载计为：

（4）施工人员及设备单元校核重量以3人×75kg/人+200kg=425kg计，以均布荷载计为：

（5）混凝土振捣动荷载以均布荷载计为：q5=5kN/m2×0.6m=3kN/m

（6）混凝土吊罐卸料动荷载计算

①混凝土吊罐卸料动荷载分析

浇筑施工时，限定混凝土吊罐卸料最大高度不超过3m，分析混凝土吊罐卸料的实际过程，忽略混凝土间、混凝土与吊罐卸料口间的粘滞力（阻碍混凝土自由下落的各阻力），假设卸料只受重力作用；与此同时，混凝土料的实际运动近似流体运动，相对固体自由下落的冲击力要小的多，加之混凝土下落后，与受料面接触后会产生锥形堆积，增大受力面积，随着混凝土料下落量的增多，受料面单位面积承受的动荷载逐渐减小。

考虑到保证吊模的结构安全可靠性，现将卸料流体均匀下落运动转化为以卸料口正投影面面积、高1.5m的圆柱形混凝土实体自由落体运动，下落高度为3m，受料面不考虑混凝土料的锥形堆积，以吊罐卸料口在受料面的正投影面积为单位受力面积进行校核。

②动荷载计算

求混凝土实体对吊模模板的冲击力F，因拟定为固体自由落体运动，则由以下公式计算：

则由求得量及动量定理公式得：

因冲击力F冲击面积为直径0.895m的圆，而吊模单个吊点承载范围为流道长向0.6m、流道跨度0.44m，因此，将求出的冲击力转化为沿流道跨长方向的均布荷载为：

综上所列，单榀桁架下弦杆节点承受集中荷载P为：

则支座反力RA=RB=

3.1.2桁架内力计算

截取A点为首个计算节点,假设N1及N30为拉力，并规定拉力为“+”、压力为“”。

图3A、C节点内力计算简图

由A点处的平衡方程：

由计算可知N1为压力，N30为拉力。

再截取C点为计算节点，将已经求出的杆件内力按实际方向标明，将未知力依然假设为拉力，则由C点处的平衡方程：

由计算可知N2为拉力，N21为压力。

3.1.3桁架强度及稳定性校核计算

（1）桁架腹杆计算

①桁架腹杆中拉杆（如CD）内力最大为Nmax=89.62kN，采用φ28、l=0.83m（腹杆有效计算长度），根据轴心受力杆件刚度计算公式校核如下：

< [λ] =250（公式①）

校核其强度：

N/mm2

i――构件截面的回转半径；

l0――构件计算长度；

[λ]――受力杆件容许长细比（此处为受拉杆[λ]=250）；

σ ――受力杆件实际强度应力；

fpy――强度设计值（此处为HPB235、Q235号钢直径16

γ――强度设计值折减系数，考虑到焊接施工存在误差及缺陷，此处取为0.9。

因腹杆中所有拉杆选用材料相同、计算长度均相等，校核最大拉力所在杆满足强度要求，故可知腹杆其余拉杆均满足强度要求。

②桁架腹杆中压杆（如AC）内力最大为Nmax=88.93kN，采用φ28、l=0.83m，则如下：

根据公式①求得λ=118.6

根据公式②求得σmax=114.5N/mm2

因腹杆中所有压杆选用材料相同、计算长度均相等，校核最大压力所在杆满足强度要求，故可知腹杆中其余压杆均满足强度要求。

根据已经求出腹杆中最大内力压杆的长细比，因确定该腹杆（如AC）为大柔度压杆还是小柔度压杆，之后选用相应的压杆稳定计算公式进行校核。

查表得Ⅰ级钢筋（HPB235）强度设计值fpy=205N/mm2、弹性模量E=2.1×105N/mm2，则压杆柔度（长细比）临界值λp：

因此，确定该腹杆为大柔度压杆，应选用“欧拉公式”对其进行稳定性校核，如下：

因Ncr=90.64kN>Nmax=88.93kN，所以，桁架φ28腹杆压杆最大内力杆满足压杆稳定要求，故其余φ28腹杆均满足压杆稳定要求。

（2）桁架弦杆计算

①桁架上、下弦杆校核单元均采用Φ32、l=0.44m的Ⅱ级热轧带肋钢筋。因上弦杆均为压杆，所受最大轴向压力为Nmax=129.46kN（如上弦KM杆），则如下：

根据公式①求得λ=55

根据公式②求得σmax=161.1N/mm2

因校核最大压力所在弦杆满足强度要求，可知上弦杆其余各杆即满足强度要求。

查表得Ⅱ级钢筋（HRB335、Q345）强度设计值fpy=300N/mm2、弹性模量E=2.0×105N/mm2，根据公式③求出压杆柔度（长细比）临界值λp=81.1> λ =55，则确定此压杆为小柔度压杆，应选用轴心受压杆件稳定计算公式对其进行校核，如下：

由λ =55查表得Ⅱ级热轧带肋钢筋（HRB335、Q345号钢）a类截面中心受压直杆的稳定系数为φ=0.855，得：< γ・fpy =270N/mm2

由所求可知，桁架上弦杆满足稳定性要求。

②因下弦杆均为受拉杆，其中最大拉杆（如JL）内力最大为Nmax=126.82kN，采用Φ32、l=0.44m，则如下：

根据公式①求得λ=55

因此，桁架下弦杆满足强度要求。

（3）吊点螺杆计算

因吊点螺杆为受拉杆，其中最大拉力为2P=38.4kN，采用φ20、l=0.464m，则如下：

根据公式①求得λ=92.8

3.2方案优化前后比较

流道顶板混凝土支撑方案对比情况详见表1所示。

表1流道顶板混凝土施工方案对比表

方案名称 钢材用量（t） 制作、拉运及入仓手段 优缺点比较

门形管柱 支撑 62.01（单个流道钢材用量，下同） 由于流道顶部为两段坡面组合的渐变段，钢管支撑的渐变高度为6m~8.2m，单榀门形钢管柱支撑架在后方加工拉运至前方不可行，可行方法是将型材拉运至前方，缆机入仓，在流道底部加工为单榀门形支撑，后由仓面吊配合人工吊装。 因前方交叉作业，制安干扰大，焊接质量势必降低；安装耗时；从底部支撑，渐变段下料制安施工难度大；属于被动支撑，对混凝土拆模强度要求高、耗时；支撑结构较大，拆模施工十分困难。

钢筋桁架 支撑 43.5 钢筋桁架体积小，单榀重209.5kg，均可在后方加工厂制作并拉运至前方，缆机入仓后，五名施工人员即可安装，仓面吊仅起临时辅助安装作用。 后方加工精度高；更有效地实行“三检一验”制度，确保了桁架的加工出厂质量；前方安装快捷、高效，缩短了工期；桁架支撑主动受力，无需底部支撑，大大降低了施工难度；混凝土强度达到70%，方可拆模；支撑结构简单、轻便，易于拆模。

4结论

吊模工艺在水电站施工中的应用日渐成熟，但在大体积混凝土施工中的成功应用为数不多。拉西瓦水电站泄洪底孔、临时底孔流道顶板大体积混凝土施工采用吊模工艺的优化设计，经过了较为科学、合理的验算和选材，充分体现建筑施工单位的实践性。在遵循国家规范和设计成果的前提下，结合施工一线的实践经验，不断采用新材料、新工艺和新技术，将进一步提高施工单位的整体技术素质，同时，也将会创造效益和技术力量的“双收”。

参考文献：

[1]包头钢铁设计研究总院,中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算[M].北京:机械工业出版社,2006.1

[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社,2005.1

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。