液压滑模技术在抽蓄电站闸门井中的应用.pdf

No.l Mar.2023GEZHOUBA GROUP SCIENCE&TECHNOLOGYSerial No.145液压滑模技术在抽蓄电站闸门井中的应用张攀攀中国葛洲坝集团建设工程有限公司摘 要：为解决传统的搭设脚手架、重复立模及入仓难度大、质量要求高的难题，通过对 金寨抽水蓄能电站上、下库进/出水口闸门井结构研究，研发了一种适合闸门井结构断面的 组合钢模板，利用液压千斤顶在爬杆的单项爬升来实现位移，实现矩形断面竖井一次性快 速、安全的施工。关键词：液压滑模；抽蓄；应用1工程概况金寨抽水蓄能电站位于安徽省金寨县张冲乡境 内，距金寨县城公路里程约53k m,距合肥市、六安 市的公路里程分别为205k m、134k m。电站主要由上 水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下 水库等建筑物组成。上水库事故闸门井由闸门井、闸室等组成，位 于进/出水口下游检修平台内，共计两个，闸门孔 口的断面尺寸为7.3mX10.2m(X长)。上水库事 故闸门井断面为不规则多边形，采用钢筋混凝土衬 砌。衬砌完成后为矩形，断面尺寸为3mX&加，两 端预留门槽二期混凝土，尺寸为0.9mX0.7m；下游 侧设置有通气孔150c mX 200c m通气孔。下库检修闸门井位于尾水隧洞的末端下库进/出水口检修平台内，由闸门井、闸室、渐变段等 组成，共两个。闸门井平台高程为264.00m,平台 宽度为30.15m。闸门井为不规则多边形，采用钢筋 混凝土衬砌，衬砌完成后为矩形，断面尺寸为 2.55mX8m,两端预留门槽二期混凝土，尺寸为 0.8mX0.6m。闸门井上游设通气孔150c mX 200c m02滑模特点对比传统的搭设脚手架、重复立模施工工艺，滑模具有以下特点：(1)采用一种适合闸门井结构断面的组合钢模 板，以角钢拼接的钢桁架配合钢模板，通过液压千 斤顶在爬杆的单项爬升来实现位移，实现矩形断面 竖井一次性快速、安全的施工，有效的解决了传统 的重复立模施工问题。(2)避开常规的混凝土施工思路，不搭设脚手 架，利用加工制作的定型钢模板，通过液压千斤顶 实现自由爬升。(3)施工速度快：日平均进度2.5m以上，控制 好混凝土的初凝时间，速度可加快。(4)工程质量有保证：滑模混凝土浇筑严格按 30c m分层控制，浇筑、振捣作业在表面进行，便于 操作和控制，同时滑模施工具有连续性，减少了施 工缝，体形具有可调性，防止出现体形的较大偏差 或跑模。表面质量平滑，外观平整，避免出现“麻 面”，错台现象。(5)安全有保障：滑模模体结构有封闭、固定 的操作平台，抹面平台设置安全兜网，可以有效防 范施工人员坠落、坠物等安全事故。(6)经济效益显著：滑模机械化程度高，施工 速度快，人员投入少，通过改装模板重复利用率 高，减少成本投入。3工艺原理滑模是依靠液压千斤顶在爬杆的单向爬升来实 现位移。施工时，以液压千斤顶为滑升动力，在其 同步作用下，带动lm多高的模板沿着刚成型的混凝 土表面滑动，混凝土由模板的上口分层向套槽内浇 灌，每层一般不超过30c m厚，当模板内最下层的混 凝土达到_定强度后，模板套槽依靠液压千斤顶的 82023年3月第1期葛洲坝集团科技总第145期作用，沿着已浇灌的混凝土表面滑动，向上再滑动 约30c m左右，这样如此连续循环作业，直到达到设 计高度，完成整个施工。4滑模结构组成滑模主要由模板组、提升架、液压爬升器、千 斤顶、工作平台、辅助平台等组成，浇筑过程中溜 筒设置缓降设施。如图1。图1滑模组装平面图模体模体是混凝土成型的模具，其质量（主要包括 刚度、表面平滑度）的好坏直接影响着所浇混凝土 的成型及外观质量。为便于提升脱模，模板按一定 锥度设计，模板的上下口制成具有斜度为1.5%。2.0%。高度的标准，相对混凝土成品尺寸，呈上口 小、下口大的锥形。模板高度为1.5m,厚度 d=4mm钢板，并焊L50mmX5角钢作为加强肋，间距 30c m35c m,与围圈间采用直接焊接牢固。提升架提升架是滑升模板与工作盘的联系构件，主要 用于支撑模板、围圈、滑模工作平台，并且通过安 装于其顶部的千斤顶支撑在支撑杆（爬杆）上，整个 滑模荷载将通过提升架传递给支撑杆。提升架采用118工字钢制作成F”型提升架，高出模板口约50c m。工作平台工作平台是滑模的主要受力构件之一，也是滑 模施工的主要工作场地，各构件除满足强度要求 外，还应有足够的刚度，也应尽可能减轻其重量。工作平台支撑在提升架的主体竖杆件上，通过提升 架与模板连接成一体，并对模板起着横向支撑作 用，采用桁架结构，为确保工作平台强度、刚度，经过计算，选用l_ 80mmX5角钢制作主肋，L 75mmX7角钢制作辅肋，L63mmX6角钢制作斜撑，组合成轻型桁架，形成网架，台面采用马道板（5c m厚）铺设密实。辅助平台为便于施工人员随时检查脱模后的混凝土质 量，及时修补混凝土局部缺陷，扒出预埋件，以及 及时对混凝土表面进行洒水养护，在工作平台下方 约2.9m处悬挂一辅助平台，用20圆钢悬挂于桁架 和提升架下。为减少其重量，同时，为确保人员施 工安全，采用悬挂式钢桁架（采用150角钢制作）,将井筒断面全部封严，并密实铺满d=5mm木踩板，其外侧焊1.2m高安全护栏，采用48mm钢管制作防 护栏杆，下部采用木板设置踢脚板。为进一步确保人员安全，在辅助平台下悬挂水 平兜网做作为一道安全防护网。支撑杆（爬杆）选择48X3.5mm焊管作支撑杆，支撑杆的下 段埋在混凝土内，采用M10的砂浆回填。上段穿过 液压千斤顶的通心扎承受整个滑模荷载，并作为 竖筋的_部分存留在混凝土内，代替一根相应位置 竖向钢筋，且同一截面的接头按不大于25%控制，共设置16道支撑杆，初次滑升时，爬升杆长度做成 2.5m、3.0m、3.5m、4.0m等四种规格，其目的是使 爬升杆的接头能错开，在同一水平内接头数调整为 不超过1/4。正常滑升后，每根爬升杆长3.0m,所 有爬升杆应平整光滑无锈渍，当千斤顶滑升至爬升 杆顶端不足350mm时，加高对接爬升杆，接头处用 角磨机磨平。液压滑升系统液压滑升系统是滑模上的动力装置，由液压控 制台、液压千斤顶、油管及附件组成。选用HM-100型液压千斤顶，设计承载能力100KN,行程 30mm,液压控制台为ZYXT-36型自动调平液压控制 台。高压油管主管选用16mm,支管选用48mm,利用直管接头和六（五）通接头同控制台和千斤顶分 组相连形成液压系统；组装前必须检查管路是否通 畅，耐压是否符合要求，有无漏油等现象，若有异 常，必须及时排除。洒水管为使脱模的混凝土得到良好养护，在辅助平台 上固定一圈洒水管（425nimPVC管），在此管朝混凝 9No.l Mar.2023GEZHOUBA GROUP SCIENCE&TECHNOLOGYSerial No.145土壁侧打若干小孔，对混凝土进行喷水养护。测量控制在井口两侧门槽位置投放控制点，在工作平台 上吊挂两根重垂线，随时监测模体偏移及旋转情 况，观察模体的水平位移，同时，在滑模体四周共 布置4根重垂线进行监测脱模井壁的垂直度；水平 测量利用水准管进行水平度观测=5滑模设计5.1滑模面板稳定性通过对模板刚度的计算，来验证面板的稳定 性。模板抵抗侧压力荷载计算：模板要求具有足够的高度，模板所受荷载主 要为新浇筑混凝土对它的侧压力、冲击力和滑升 时混凝土对他的摩阻力，滑模设计主要考虑前两 项荷载。混凝土的侧压力计算新浇混凝土作用于模板的最大侧压力，按下列 公式计算，并取其中的较小值：F=0.22 yct 色爲 F=yH其中Y 混凝土的重力密度，取24.OOOkN/m3；t 新浇混凝土的初凝时间，可按现场实际值 恥按t按200/(T+计算，得8h；T混凝土的入模温度，取10.000C；7混凝土的浇筑速度，取1.500m/h；模板计算高度，取1.加；新浇筑的对模 板有侧压力影响的混凝土高度H:滑模滑升过程中始 终，模板一次液压行程3c m/次，每次滑升距离不大 于30c m,上部保持30c m高度不浇筑混凝土，实际模 板内混凝土高度为1.5m-0.3m=l.加，且下部已有至 少30c m高度混凝土终凝，故实际对模板有侧压力影 响的混凝土高度1.2m-0.3m=0.9m,但为考虑保守计 算H值仍按1.2nrH算。Bi外加剂影响修正系数，取1.000；02混凝土坍落度影响修正系数，取1.150o 根据以上两个公式计算的新浇筑混凝土对模板 的最大侧压力F；分别为：F=0.22X24X8X1X1.15=48.58k N/m2；F=24X 1.2=28.8k N/m2,取较小值2&8k N/m20计算中采用新浇混凝土侧压力标准值F l=28.8k N/m2；倾倒混凝土时产生的荷载标准值F 2=2.000 k N/m2；面板的刚度计算面板为受弯结构，需要验算其抗弯强度和刚 度。按规范规定，强度验算要考虑新浇混凝土侧压 力和倾倒混凝土时产生的荷载；挠度验算只考虑新 浇混凝土侧压力。计算的原则是按照龙骨的间距和 模板面的大小，按支撑在内楞上的三跨连续梁计 算。a.抗弯强度验算跨中弯矩计算公式如下：M=0.1ql2其中，面板计算最大弯距(N.mm)；/计算跨度(内楞间距)：I=350.0mm间距 300mm400mm,取350mm；g作用在模板上的侧压力线荷载，它包括:新 浇混凝土侧压力设计值ql：1.2X28.8X0.9=31.lk N/m,其中0.9为按施工手册取的临时结 构折减系数；倾倒混凝土侧压力设计值q2:1.2X 2.00X0.9=2.16k N/m；q=ql+q2=33.3 kN/rn面板的最大弯矩：M=0.1X33.3X3502=4.08X105KN-m；按以下公式进行面板抗弯强度验算：其中，o 一面板承受的应力(N/mm2)；M面板计算最大弯距(KN-m)；珂一面板的截面抵抗矩：W普6:面板单位截面宽度1000mm,方:面板截面厚度 4mm；昭1000 X4X 4/6=2.67 X 103mm3；面板截面的抗弯强度设计值(N/mm%f=205.000N/mm2；面板截面的最大应力计算值：102023年3月第1期葛洲坝集团科技总第145期o=M/W=4.08X105/2.67X103=152.81N/mm2；面板截面的最大应力计算值o=152.81N/mm2小 于面板截面的抗弯强度设计值f=205.OOON/mm2,满足要求！b.挠度验算挠度验算根据规范，刚度验算采用标准荷载，同时不考虑振动荷载作用。挠度计算公式如下：其中，g作用在模板上的侧压力线荷载：g=33.3 X1.00=33.3N/mm；/计算跨度(内楞间距)：Z=350.00mm；E面板的弹性模量：=210000.00N/mm2；/面板的截面惯性矩：1=100.00X0.60X0.60X0.60/12=1.80c m4；面板的最大允许挠度值：3 =1.200mm；面板的最大挠度计算值：3=0.677X33.3X3504/(100X210000.00X1.8 0X104)=0.895mm；面板的最大挠度计算值：3=0.895mm小于等 于面板的最大允许挠度值3 =1.200mm,满足要求!综上，面板满足稳定要求。5.2滑模载荷计算由于上库进/出水口事故闸门井与下库进/出水 口检修闸门井结构相同，衬砌完成后，上库进/出 水口事故闸门井断面尺寸为3mX&加，下库进/出 水口事故闸门井断面尺寸为2.55mX8m,只要满足 上库事故闸门井必定满足下库检修闸门井，故在此 仅以上库闸门井进行受力分析。滑升摩阻力：G1G1=KXF XS公式中K-附加影响系数，取K=2；F-摩擦阻力，2KN/m2；S-模板的表面积；S=S1XH=(22.4+7)X1.5m=44.Im2则G1=KXF XS=2X2X44.1=176.4KN滑模结构自重G2模体重Pl=8.5t,工作平台、液压系统和辅助 平台重P2=6.5tG2=Pl+P2=15t=150KN施工荷载G3人员：主要为施工作业人员，按照每班14名 施工人员考虑，同时考虑4名管理人员。贝!)T1=18人 X800N/人=14.4k N。设备：主要为混凝土振捣设备、电焊机等小 型设备，取T2=15k N。材料、工具：主要为钢筋安装临时存放材 料，小型工器具，取T3=40k N。并取1.3不均匀系数和2倍动力载荷系数，即G3=(T1+T2+T3)X1.3X2=180.5k N千斤顶数量选择NW/CP公式中旷总荷载中G1W2M3=176.4+15(H180.5=506.9KNC-载荷不均匀系数，取0.6。T 斤顶计算承载能力100KN严千斤顶计算承载能力100KN(每个千斤顶为液 压穿心式10t千斤顶)。查规范钢结构设计规范 GB50017-2014(5.2.2T)可知：48X3.5钢管允许承载能力P=欧拉临界力N=n 2EA/X 2由 X=lo/i i=(I/A)1/2推出P=ji 2EI/lo2E:支撑杆的弹性模量，E=2.06 X 105N/mm2I：支撑杆截面的惯性矩，对G48X3.5钢管 1=12.19c m4o:计算长度，lo=k uh=l.155X1.8X0.7=1.46mP=(3.142X2.06X105X12.19)/1.462=116.15KN,小于lOt液压千斤顶承载九取116.15KN计算N=506.9/0.6/116.15=7.27(台)本滑模共选用16台10t液压千斤顶完全满足施 工要求。6滑模滑升滑动模板每次滑升前应检查并排除妨碍模板滑 升的障碍物，滑模滑升分为初始滑升、正常滑升和 完成滑升三个阶段。初始滑升初次滑升是滑升的重要一环，其目的在于观察 混凝土强度发展情况，确定滑模时间，以便对滑升 模板系统进行全面检查和调整。首批入仓的混凝土 分层连续浇筑至6070c m高后，当混凝土强度达O.20.3Mpa时，即用手按混凝土面，能留有1mm左 11No.l Mar.2023GEZHOUBA GROUP SCIENCE&TECHNOLOGYSerial No.145右的痕迹，便开始试滑升。试滑升是为了观察混凝 土的实际凝结情况，以及底部混凝土是否达到出模 强度。严格按以下六个步骤进行：第一层浇筑3 5c m厚的水泥砂浆(新老混凝土面能较好的结合)，接着按30c m分层厚度浇筑完2层(总厚度达到 65c m)后开始滑升5c m,同时检查脱模时间是否合 适；第四层浇筑完成后模板滑升5c m；继续浇筑第 五层，然后再滑升1520c m；第六层浇筑后又滑升 2030c m,若无异常现象，便可转入正常滑升阶 段。滑升过程中对液压装置、模板结构以及有关设 施的负载条件下作全面的检查，发现问题及时处 理。因全部荷载由爬杆承受，重点检查爬杆有无弯 曲情况、千斤顶和油管接头有无漏油现象、模板倾 斜度是否正常等。正常滑升正常滑升时，混凝土浇筑高度控制在模板上口 以下50100mm处，并将最上一道横向钢筋留置在 外，作为绑扎上一道横向钢筋的标志。正常滑升时 控制滑升速度为1020c m/h,每次滑升2030c m。采用色拉油脱模剂，滑升时，若脱模混凝土尚有流 淌、坍塌或表面呈波纹状，说明混凝土脱模强度 低，放慢滑升速度；若脱模混凝土表面不湿润，手 按有硬感或伴有混凝土表面被拉裂现象，则说明脱 模强度高，加快滑升速度。滑升过程中操作平台保 持水平，提升中各千斤顶的相对高差不得大于 20mm且相邻两个提升架上千斤顶的升差不得大于 10mm。为了控制操作平台的水平，在滑升过程中随 时进行有效的水平度的观测，以便及时采取调平措 施纠正水平升差。与此同时，也随时检查和记录结 构垂直度、扭转及结构截面尺寸等偏差数值，并采 取相应的纠正措施。完成滑升当模板滑升至距终止高程约lm左右时，即进入 完成滑升阶段。此时放慢滑升速度，准确找平混凝 土，以保证顶部高程的正确。混凝土浇筑结束后，模板继续上滑，直至混凝土与模板完全脱开为止。7滑模纠偏措施滑模发生偏移主要有两种原因：一是混凝土的 侧压力不均衡导致模板发生偏移；二是千斤顶不同 步而造成模板产生倾斜，甚至发生扭转；三是千斤 顶回位不完全，造成每个行程爬升高度不相同，从 而造成模板偏移、扭转。为此有针对性的采取措施 进行预防和纠偏；纠偏按渐变原则进行，一次纠偏 不宜过大。(1)初次滑升前，模板上口采用螺旋丝杆固 定，并在模板下口内侧焊装限位挡块。松开上口丝 杆，即可开始进行滑升。(2)滑升过程中防止下料产生不均衡侧压力，并控制好下料速度和滑升速度，模板滑空高度不大 于 30c m o(3)起滑段的爬杆下段与结构钢筋焊接，并在 千斤顶下卡头与已浇筑混凝土面之间的爬杆中部 增设G 22拉杆。正常滑升段利用结构钢筋或锚杆 焊接16钢筋对爬杆进行加固，16钢筋一端焊 接50mm圆环套住爬杆，并沿洞周均匀布置，每 2m圈，当模板上升到此位置时割断除掉，模板 继续上升。(4)在千斤顶上安装限位装置。安装限位器时 用水准仪找平，保证模板在30c m行程中行程一致，从而使整个模板水平上升而不发生偏移。(5)滑升过程中,发现模板有少量偏移时(一般 在lc m以内)，可利用千斤顶来纠偏；如发生向一 侧偏移，关闭此侧的千斤顶，滑升另一侧，即可达 到纠偏目的。在纠偏过程中，要缓慢进行，不可操 之过急，以免混凝土表面出现裂缝。整个滑升过程 中，每班交接班时设置专人负责检查模板情况，做 好观测数据记录；发现偏移及时进行纠正，防止累 计出现大的偏移。8停滑处理滑模停滑包括正常停滑和特殊停滑两种情况。正常停滑指滑模滑升至预定桩号停滑，特殊情况下 的停滑包括出现故障、混凝土供应不及时及其他以 外因素引起的停滑情况。停滑后，采取以下措施：停滑时混凝土浇筑到同一水平面上。混凝土浇筑完 毕以后，模板每隔lh左右整体提升一次，每次提升 2030mm,如此连续进行4h以上，直至混凝土与模 板不会粘结为止，并清理好模板上的混凝土、涂刷 脱模剂。在继续施工时，对液压系统进行全面检 查；因特殊情况造成的停滑，混凝土面按施工缝进 行处理。9爬升杆弯曲和模板变形处理爬升杆弯曲时，可在结构筋上加(转第4页)12No.l Mar.2023GEZHOUBA GROUP SCIENCE&TECHNOLOGYSerial No.1458对比其他工艺目前行业内导井开挖采用“反井法”居多，反 井钻机是20世纪90年代初从煤炭行业引进水电行业 的，对于大断面、大井深（深度50m以上）的竖井导 井施工，具有如下优点：（1）施工安全。反井钻机施工时，工作人员无 需进入工作面进行打孔、装药和临时支护等作业，有效避免安全事故的发生。（2）工作效率高。“反井法”施工为机械化连 续作业，速度快。工程质量好。反井钻机采用滚刀机械破 岩，对围岩破坏小，井壁光滑，有利于扩挖溜渣、通风、排水。而针对大断面、小井深（深度50m以下）的竖井 导井施工，“VCR法”有着较大的推广应用空间，其优势在于：（1）降低安全风险。钻孔及装药均在竖井上部 平台，避免反井作业，降低安全风险。经济效益。针对大断面、小井深（深度50m以下）的竖井，可有效降低工程成本。（3）施工进度快。对比“反井法”，可节省反 井钻机进场、安装、拆除时间，对于50m深度以内 的竖井采用“吊炮法”可缩短工期约2530天。9结语目前常规电站的开发建设已进入尾期，抽水蓄 能电站迎来一段时期的快速发展，本文研究技术和 经验对于大断面、小井深（深度50m以内）的竖井有 着广泛的推广应用空间。以本技术研究为基础，通 过金寨抽蓄电站的成功建设，在保证导井开挖质量 的同时，也加快了施工进度，降低了工程成本。参考文献1水电水利工程竖井斜井施工规范DL/T 5407-2019 爆破安全规程GB6722-2014作者简介王莹男中国葛洲坝集团建设工程有限公司工程师安徽省金寨县237300（接第12页）焊钢筋或打斜支撑进行及时纠正处 理，当弯曲变形严重时切断爬升杆，重新对接，并 加焊“人”字型等斜支撑件。对模板变形较小的部位，可施加适当的外力 进行复原，变形严重时，将模板拆除进行修复或 更换。10结语下库检修闸门井竖井滑模从EL.215.8m开始起 滑，共滑升约48m,1#竖井滑升完成用时6天，2#竖 井滑升完成用时9天，各完成混凝土浇筑2229m3,钢筋制安297t,日平均滑升速度58m,日浇筑方 量248372m3。从施工情况看，整个系统布置合 理，滑模设计先进，现场组织与管理到位、工序配 合密切。施工期间未发生安全、质量事故，施工速 度快，工程质量优良。故，采用液压滑模施工技 术，既能保证竖井混凝土连续施工，提高施工效 率，又能确保混凝土浇筑质量，且安全性有保障，在类似工程施工中有较高的推广应用价值。作者简介张攀攀女中国葛洲坝集团建设工程有限公司工程师安徽金寨6502004