赞比亚下凯富峡水电站发电洞上弯段混凝土衬砌施工*

陈星艮,岳志为,付兆凯,邵 祥,李洪涛

(1.四川大学水利水电学院,四川 成都 610065; 2.中国水利水电第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

0 引言

水电作为技术最成熟的可再生能源,具备大规模开发的技术条件和市场条件。发电洞衬砌施工是水电项目施工的重要环节,发电竖井上、下弯段的衬砌施工为发电洞衬砌施工的关键部分。发电竖井上弯段衬砌施工存在作业空间小、难度大、工序复杂、危险性高等特点,同时弯弧部分混凝土存在浇筑不均匀、弯弧结构成型不规则的难题。目前工程中通常采用定制模板、分仓施工的方式进行弯段衬砌施工,但施工中仍面临模板支撑体系高大、施工风险高等问题。

赞比亚下凯富峡水电站位于非洲赞比西河支流凯富埃河上,是目前赞比亚在建的最大工程,以发电为主。水电站共设5条发电洞,发电洞竖井为相互平行、相同结构的5条竖井,竖井中心距为17m,单条发电竖井深113.35m,Ⅱ类围岩开挖直径为5.8m,Ⅲ,Ⅳ类围岩开挖直径为6.0m。初期支护后直径为5.8m,采用全断面钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度为50cm,衬砌后直径为4.8m。每条发电竖井由上弯段、垂直段和下弯段组成,上、下弯段为半径R=15m 的1/4圆弧形洞室,轴线长度均为23.56m,垂直段长度为83.35m。在发电竖井上弯段施工中,为满足反井钻机、门式起重机的安装及运行空间需求,对上弯段采取技术性扩挖,开挖断面形状为城门洞形,如图1所示。

图1 发电竖井和上弯段技术超挖剖面示意Fig.1 Over-excavation section of power generation shaft and upper bending section technology

发电竖井进入混凝土施工阶段后,上弯段弯弧部位悬空跨度大、混凝土浇筑量大、结构体型不规则、体型控制要求高,弯弧段混凝土浇筑模板搭设操作复杂,现场不具备平台条件,工程施工难度大。发电竖井垂直段高83.35m,若采取从底部搭设支撑体系的方案,则面临高空作业安全风险大、资源投入大、施工进度慢等问题。经分析研究,决定采用定型钢桁架模板+搭设支撑平台的施工方案,解决了弯段混凝土浇筑成型和模板支撑安装拆除等难题,实现了安全、快速施工。

1 发电洞上弯段衬砌混凝土浇筑施工工序

发电洞竖井上弯段浇筑工序复杂、施工难度大,须考虑浇筑过程中模板支撑的安装和拆除,逻辑关系较复杂,单条竖井混凝土浇筑施工工序如图2所示。

图2 发电竖井上弯段衬砌混凝土施工工序Fig.2 Construction process of lining concrete in upper bending section of power generation shaft

2 上弯段混凝土浇筑模板和支撑平台设计

2.1 模板设计

发电洞上弯段为R=15m的1/4圆弧形洞室,弯段浇筑完成后直径为4.8m,为保证其浇筑体型符合要求,设计定制了定型桁架模板,该模板体系主要由支撑模板和支撑体系组成。

2.1.1竖向弯段模板

弯段模板为5mm厚定型钢模板,单套模板体系沿设计弯段圆弧中轴线平均分为30环,如图3a所示,每环转角为3°,共计90°;每环模板又分为34片,为保障其安装完成后的严密性,沿15m半径方向的最大圆弧和最小圆弧模板为楔形模板,其余部分为普通模板,且定型钢模板严格按设计分块图加工成双向弧面并编号(见图3b),以便于现场安装。

图3 弯段模板体系和单环示意Fig.3 Bent section formwork system and single ring

拱架体系同模板一致,上、下弯段拱架均分为30环,每环拱架分别由4大块+2小块组成,单块拱架由拱架、支架、支架千斤等部分组成。4块拱架组合成为一环,每环拱架间采用拱架顶杆相互支撑,单环模板拱架如图4所示。

图4 单环模板拱架示意Fig.4 Single ring formwork arch

2.2 弯段混凝土浇筑支撑平台设计

2.2.1支撑平台设计

竖井滑模施工完成后,在垂直段与上弯段的切点桩号处搭设支撑平台,用以承担模板系统自重、新浇筑混凝土质量及施工脚手架自重等施工荷载,解决上弯段模板的支撑问题,同时起到深竖井安全防护的作用。根据发电竖井结构尺寸、上弯段混凝土浇筑所需承受的荷载及施工支撑平台拆除的难易程度,支撑平台设计为纵横工字钢结构形式。主梁采用I28b,两端采用30cm×15cm×30cm的方形木盒包裹,以便于拆除,与已浇筑完成的混凝土搭接长度为30cm,主梁间距为96cm,且为保障主梁底部混凝土受力均匀,在混凝土顶面预埋一块30cm×30cm厚10mm钢板,主梁架设在钢板上。次梁采用I18,两端距已浇筑完成的混凝土面10cm,次梁间距为90cm,次梁上铺10mm厚钢板。竖井上部支撑平台结构如图5所示。

图5 竖井上部支撑平台结构Fig.5 Upper support platform structure of shaft

2.2.2支撑平台结构安全分析

竖井上部支撑平台的荷载主要来自模板系统自重、新浇筑混凝土质量及施工脚手架自重等施工荷载。采用ANSYS有限元软件分析竖井上部支撑平台的稳定性,将平台分为工字钢、钢板、周围衬砌混凝土3部分依次建模。根据结构力学分析,最终荷载通过衬砌混凝土或次梁传递给主梁。计算采用实体模型上加载的方式,通过加载在钢板受力面和相应受力点,模板、混凝土等自重全部由主梁承担,脚手架等施工荷载通过次梁传递至主梁承担。选择为最大荷载工况,即施工荷载=1.2×施工恒荷载(上弯段下段模板自重+上弯段下段混凝土自重×垂直受力系数0.2+脚手架自重+工字钢自重)+1.4×施工活荷载(人员自重,按10人计)。

在钢板上脚手架落点处建立关键点,再利用这些关键点施加荷载,在基础混凝土底面和侧面施加完全约束。

支撑平台在荷载作用下的整体变形和应力计算结果如图6所示。

①为确保工程项目划分的合理性，必须坚持项目划分确认程序。一些工程在制定项目划分时，施工单位先划分，经监理审核后，由项目法人报监督机构确认，这样易造成项目划分不合理。主要表现：一是存在以施工单位为主导进行项目划分的问题，缺少项目法人与施工单位及监督机构与监理、施工单位的沟通环节；二是设计单位没有按要求参与到项目划分中，特别是在开工初期，各单位对施工图还没有完全吃准摸透，项目划分易缺项漏项。

由图6可知,最大变形量发生在荷载直接作用的钢板上,值为1.78mm。主梁最大变形为1.64mm

综上分析,支撑平台整体应力变形满足承载力要求和相关规范要求。

3 上弯段衬砌混凝土浇筑施工

3.1 上弯段下段混凝土浇筑

3.1.1上弯段下段拱架及模板搭设

圆弧上部钢筋通过架力筋的方式进行支撑,故该部位架力筋需承担上部模板及拱架自重、上部脚手架支撑自重、施工荷载、部分混凝土自重等荷载,因此圆弧段小半径一侧90°范围内的架力筋应加密布置,圆弧下部及中部采用插筋、锚杆等进行固定。

钢筋绑扎完成后设置下部圆弧段混凝土垫块,以保证钢筋保护层厚度,同时将上部荷载传力至架力筋,因此架力筋下部小半径侧90°范围内的混凝土垫块应加密设置,且保证其强度。

在垫块的基础上首先进行圆弧下部模板的铺设,铺设前关注架力筋、混凝土垫块等受力传力部位的强度和稳定性;下部模板安装完成后开始架设下半圆的2块型钢拱架(全圆钢拱架分为4块,见图4)及支架等附件;下半圆拱架搭设完毕后,依次搭设上半圆的拱架、拱架楔形体等,将上、下拱架连接成圆,再安装支架及支架千斤等附属部件,将单个拱架安装成型,最后将上部模板固定于拱架上,在拱架安装的同时进行顶杆支撑,使整个拱架体系形成整体,保障拱架的整体稳定性。因衬砌段为圆弧形,两榀拱架间的距离不是固定值,因此根据现场实际情况通过调节顶杆的底托螺丝至合适位置,最终将拱架、模板、脚手架连接成整体,确保其稳定性。

最下层模板与主梁搭接部位按主梁木盒的尺寸切出缺口,缺口尺寸为30cm×15cm,以便于主梁直接嵌入模板内。

3.1.2堵头模板及止水安装

堵头模板采用木模板,分内圈及外圈两层。首先安装内圈模板,根据模板弧度加工成型,两层之间布置PVC止水;外圈模板根据实际岩石凹凸情况现场加工,堵头模板安装完成后,在模板边缘焊接钢筋棍及岩石表面打入插筋等方式确保堵头模板牢固。

3.1.3下段混凝土浇筑

混凝土浇筑采用泵送入仓、人工振捣的方式,混凝土通过4号施工支洞运至上平段,通过泵送入仓,模板自上而下设有入仓窗口,该窗口用于混凝土的入仓及振捣,混凝土自下而上依次浇筑,除顶部采用附着式振捣器振捣密实,其余部位均采用插入式振捣器振捣,达到混凝土外光内实的质量要求。上弯段下段混凝土浇筑如图7所示(①为浇筑完成部分)。

3.2 上弯段技术超挖部分浇筑

下层浇筑完成后进行技术超挖部分(见图8中的②)的混凝土回填工作,该部位仅设置侧模,因高度较高,分3层进行浇筑,具体布置如图8所示。浇筑上层回填混凝土时在顶部埋设1根φ25钢管作为回填灌浆管,钢管上部开孔用于后期回填灌浆。

图8 上弯段超挖部分回填混凝土施工布置(单位:cm)Fig.8 Construction layout of backfilling concrete for over-excavation part of upper bending section(unit:cm)

3.3 上弯段上段混凝土浇筑

上弯段上段混凝土浇筑基本与下层混凝土浇筑相同,利用施工脚手架进行模板的搭设及混凝土浇筑,施工时同样需特别注意小半径一侧的架力筋及混凝土垫块的布置,混凝土入仓采用泵送入仓,附着式振捣器振捣,注意回填灌浆管的埋设,以便后期进行混凝土回填灌浆的施工,因浇筑混凝土量较大,对模板及支撑压力较大,该段混凝土分两次浇筑。具体施工布置如图9所示(③为浇筑完成部分)。

图9 上弯段上段混凝土浇筑施工(单位:cm)Fig.9 Concrete pouring construction in the upper section of the upper bending section(unit:cm)

4 支撑平台拆除

上弯段施工支撑平台需在上弯段及竖井固结灌浆结束后拆除,并对预埋工字钢部位拆除后用环氧砂浆进行修补。顶部支撑平台利用悬挂自制弧形钢筋爬梯拆除,悬挂自制弧形钢筋爬梯具体布置如图10所示。

图10 悬挂自制弧形钢筋爬梯布置Fig.10 Layout of hanging self-made arc-shaped steel ladder

支撑平台拆除属于高空作业,施工安全风险高,应严格按照拆除顺序进行。平台拆除采用气焊切割的方式,切割成直径小于50cm的碎块,为防止切割后的碎块落入竖井,切割前用绳子固定切割的部位,切割后利用绳子将碎块运输至上平洞。平台拆除时,先拆除钢板及次梁,主梁自远及近按1～4号依次拆除,4号主梁拆除时,利用悬挂自制弧形钢筋爬梯底部工作平台作为落脚点进行拆除和修补。最后将悬挂钢筋爬梯拆除,割除上平段锚固悬梯的钢筋,并用环氧砂浆修补混凝土表面。

5 结语

1)赞比亚下凯富峡水电站发电竖井工程中,上弯段弯弧部位混凝土浇筑悬空跨度大、结构体型不规则、体型控制要求高,研究采取定型钢桁架模板+搭设支撑平台的施工方案,解决了弯段混凝土浇筑成型和模板支撑安装拆除等难题,实现了安全快速施工。

2)针对发电洞上弯段悬空跨度大、混凝土浇筑无支撑点的问题,竖井滑模施工完成后,在垂直段与上弯段的切点桩号处搭设支撑平台,用以承担模板系统自重、新浇筑混凝土质量及施工脚手架自重等施工荷载,解决了上弯段模板的支撑问题,同时起到深竖井安全防护的作用。

3)支撑平台主、次梁采用I28b,I18工字钢,次梁上满铺10mm厚钢板,主梁端部混凝土顶面预埋30cm×30cm厚10mm钢板,保障主梁底部混凝土受力均匀,主梁两端采用30cm×15cm×30cm的方形木盒包裹,以便于拆除。采用ANSYS进行结构分析,表明平台结构应力最大值为165MPa,支撑平台总体变形量较小,平台应力变形满足承载力和相关规范要求。

4)弯段混凝土浇筑采用拼装定型模板,并采取分层分区浇筑,减小了单次浇筑对模板和支撑结构的压力,综合采用插入式和附着式振捣,保证了弯弧部分混凝土浇筑均匀、成型规整。

5)支撑平台采用悬挂自制弧形钢筋爬梯的方式拆除,先拆除钢板及次梁,然后主梁自远及近依次拆除,用气焊切割将平台按顺序切割为直径小于50cm的碎块,切割后碎块利用绳子运输至上平洞。