面板堆石坝多自由度趾板异型有轨滑模施工工法.docx
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面板堆石坝多自由度趾板异型有轨滑模施工工法
面板堆石坝多自由度趾板异型有轨滑模施工工法
1前言
在面板堆石坝中趾板不但起到把面板的受力传给两岸坝基的作用，同时也承担一定的防渗作用，是面板堆石坝防渗体系中最重要的组成部分之一，如果趾板质量得不到保证，将影响到工程的安全运行；趾板施工速度如果很慢，将影响到整个坝体的填筑进度。
趾板下基岩的允许水力梯度和地基处理措施及地形条件决定各段趾板的结构参数均不相同，这给趾板快速施工带来了一定的难度。
新疆某面坝堆石坝趾板的施工中，通过多次攻关、试验、总结，探索出了适应多种结构和方向的多自由度趾板异型有轨滑模设计和施工工法，使得面板堆石坝趾板施工在具有安全、可靠、速度等特点，取得了良好的社会效益和经济效益。
2工法特点
（1）可以满足多方向、多角度变化的趾板结构要求。
（2）在斜坡上浇筑趾板速度快，对加快垫层料施工，提高坝体填筑强度有利。
（3）采用本工法能提高趾板混凝土的浇筑质量。
（4）滑模体重轻，吊装和调整灵活，适应岸坡上狭窄的场地条件操作。
（5）趾板浇筑可以与钢筋绑扎、侧模支立平行施工。
（6）安全保护设施简单、可靠，操作方便。
（7）具有多气候的适应性，提高了混凝土的养护效果。
3适应范围
适应于坡面地形条件复杂、场地狭窄，混凝土结构和空间走向变化较大的趾板、护坡混凝土工程。
4工艺原理
随着坝体高度的增加，水下趾板所承受的水力梯度也随之增大，在设计趾板结构时也就需要考虑几种长度和厚度的断面形式来优化设计，但为了保证混凝土面板的平整度和使面板与周边山体基岩连接的结构达到最优传力效果，也就决定了趾板空间结构变化的多样性。
多自由度趾板异型有轨滑模主要由常规边模、表面滑模和提升导向系统组成。
趾板结构图见图4.1。
4.1滑模对趾板结构复杂性及止水位置和设计断面外模板的适应
为了保证趾板的传力效果，开挖边坡和底部基岩时超挖应控制在规范允许范围内。
考虑趾板各段的X线方向不同、周边止水在侧面位置不同和基础超挖成型的不利条件，趾板结构不适宜全断面滑模施工，最佳方案是三个外露面的滑模施工。
上游侧在趾板结构尺寸外立模，在趾板EF和FG两面支立常规模板，用滑模浇筑BC、CD、DE三面，从而解决了趾板不同厚度变化、周边止水位置变化及不同超欠挖回填模板变化的问题。
4.2滑模对左、右岸趾板不对称性结构的适应
为了解决左、右岸在同一高程上的趾板断面并不对称问题，水平趾板用常规模板，斜坡趾板左、右岸根据各自的断面特点各设计一套滑模浇筑。
左、右岸滑模的平直段可以根据趾板平直段的几种长度尺寸加工成相同的节数，以适应BC边的多种变化。
鼻坎段把DE边加工成有两个自由度的滑块，以适应CD边和∠β、∠θ的不同变化。
5异型滑模
5.1滑模强度、刚度、扰度要求
5.1.1设计思路
滑模的最不利工况为滑模就位后至混凝土入仓浇筑前。
根据滑模最大跨度，考虑滑模的行走轮支腿满足强度要求，滑模行走导向管满足强度、扰度及稳定性要求，滑模的结构满足刚度和扰度要求，行走轮支腿用4根10#工字钢加工，滑模骨架用10#槽钢加工，面板用厚度为6mm的钢板加工。
模板配重设计考虑在滑模上安装配重水箱（6mm钢板加工），并利用配重水箱加大滑模断面尺寸，平直段和鼻坎段用两排4根调节螺旋拉杆连接，并在底部连接顶点安装2颗阻滑螺栓，以防止调节拉杆时连接处发生错位，达到满足∠α的变化要求。
配重水箱加工成多节，与不同段趾板长度相适应。
水箱之间用M16螺栓连接，并与底模连成整体。
当结构变短时，卸下水平段结构尺寸外的部分即可。
滑模的扰度应控制在10mm以内以满足水工模板规范对模板整体刚度和强度要求。
5.1.2安全验算
结构设计时应对螺栓的抗拉破坏和抗剪破坏和钢丝绳安全进行验算。
1螺栓安全验算
计算荷载主要有以下几种：
1）滑模材料自重（包括钢材、木跳板总重5.5t）
2）水箱配水重（10m3容积，可调节0～8.5t重量）
3）施工人员体重（考虑10人同时站在滑模上）
4）施工机具重
5）滑模安全富余系数K取1.3～1.6
取M14螺栓可以满足设计，考虑提高安全系数，最终使用M16螺栓。
2钢丝绳安全验算
滑模提升受力主要考虑以下几种荷载：
1）滑模及配重和施工人员、机具的总重量在最大坡度条件下沿斜面的分力；2）滑模导轨上滑动的摩擦力：
平直端受的是滑动摩擦力，鼻坎端的立柱受的是滚动摩擦力，为了便于计算，均简化为滑动摩擦力计算。
3）混凝土附着力：
按照常规滑模进行计算。
4）安全系数取1.3～1.6。
经过计算，考虑安全系数和其它意外情况，适当增加钢丝绳数量。
5.2滑模在宽度上的要求
为适应气候昼夜温差大、蒸发量大的特掉个点，避免由于表面蒸发干缩产生裂缝，把滑模宽度定为1.5m，以延长混凝土的出模时间。
5.3滑模导轨安装及稳定性要求
滑模安装时为了保证混凝土的保护层厚度符合设计要求，防止滑升中滑模跑偏，滑模内侧采用在边坡内侧趾板结构外距AB边5cm的表面位置支立一根平行钢管，使滑模的平直断在钢管上滑动。
用能够控制方向的行走轮托起滑模鼻坎端，行走轮支腿用两排4根螺旋调节拉杆与滑模鼻坎段连接，以控制行走支腿与趾板边线的安全距离，通过行走轮在滑模外侧钢管导轨上行走来控制滑模方向。
钢管导轨用φ48钢管与φ25螺纹钢锚杆焊制，锚筋间距为1.5m，并保证导轨的稳定性满足滑模行走要求。
5.4滑模配重
滑模配重可以采用混凝土块、石块、砂袋、钢板等。
为了满足趾板坡面对模板拆卸和调整角度的方便，本趾板滑模用水箱加水作配重。
浇筑过程中，根据配重需要增减配重水的重量。
。
岸趾板滑模安装正视图及滑模浇筑施工图见图4.6.1～3。
5.5滑模的提升及导向设计
滑模提升和导向应用手动葫芦或卷扬机，尽量采用卷杨机。
滑模提升用卷扬机时，每台卷扬机应用2台慢速卷扬机作牵引，钢丝绳使用软钢丝绳，在趾板改变方向的位置设置两组动滑轮，利用动滑轮改变滑模牵引力的方向，同时减少卷扬机承受的拉力和滑模滑升速度。
卷扬机提升速度应该控制在3m/min以下。
6．施工工艺与操作要点
6.1施工工艺
施工工艺流程如图5.1
6.2施工工艺与操作要点
5.2.1趾板基础超挖回填混凝土
趾板基岩的超挖尺寸超过趾板结构厚度的1/3时，应对趾板基岩进行浇筑C20以上混凝土回填。
5.2.2趾板锚杆施工
趾板的锚杆作铅直方向布设，施工应控制好钻孔的方向及锚杆的安装质量。
5.2.3常规模板侧模和铜止水安装
常规模板安装应提前浇筑段进行，并采用内拉法为主。
铜止水（F型止水）安装位置应符合设计图纸，应采用木模夹紧进行固定。
5.2.4导轨及其支撑的安装
导轨安装轴线应与浇筑段趾板X线平行，内、外侧导轨高度以管顶与平直段结构顶部在一条水平线上为宜。
导轨底部的支撑锚杆需要严格控制进入围岩的深度、轴线偏差及间距。
支撑锚杆进入基岩的深度不少于1.0m为宜，并呈铅直方向安装。
5.2.5滑模就位安装
滑模就位应在起坡段位置搭设平台安装。
收光平台部分需要将滑模提升到斜坡段，并拆除安装平台后安装。
为了防止空滑时滑模由于扰度下弯拖坏已经绑扎好的钢筋或减少起始段保护层厚度，在钢筋上方安放3～4根Φ48短钢管，混凝土浇筑时将钢管埋在混凝土内部。
5.2.6滑模伸缩杆的调节
滑模伸缩杆由人工同时对伸缩杆进行调节。
当调节角度变大时，调节前应先松水平段和斜坡段之间的连接阻滑螺栓。
5.2.7卷扬机及导向滑轮安装
两台卷扬机应该安装在同一位置以便于操作。
卷扬机宜使用慢速卷扬机，在浇筑段前方拐角处用滑轮进行导向。
5.2.8溜槽布置
根据卸料平台位置确定溜槽形式，在角度和方向改变位置应布置人工进行控制，防止堵料和翻料。
5.2.9混凝土入仓浇筑及养护
混凝土入仓浇筑、养护和收光等工艺同常规滑模浇筑。
5.2.10趾板的分缝及处理
在结构变化的位置和断层等地质条件差的部位应设置横缝，在横缝中设W型铜止水。
止水的细部结构参照面板压缝止水系统进行设置。
5.2.11滑模在坡面上的结构调整
当滑模滑升到拐点位置时，一般场地狭窄，此时应将水箱配重水放掉，然后根据上段趾板宽度将内侧多余的水箱和底模拆掉，利用卷扬机和底部临时托架进行滑模方向调整，最后将导向轮座落到导轨上。
7.材料与机具
加工材料主要采用6mm厚A3钢板和10#工字钢，连接杆与滑模连接的拉环用10~12mm厚钢板加工。
安全护栏使用φ48钢管，跳板使用50mm厚木板。
一般要求左、右岸各设置一套趾板滑模，施工需要配置的主要机具见下表（表7.1）：
表7.1趾板滑模浇筑施工机具配置表
序号
机具名称
规格型号
单位
数量
备注
1
拌和站
60型
套
2
由施工布置定
2
混凝土罐车
6m3
台
4
3
卷扬机
10t
台
4
牵引滑模
4
手动葫芦
10t
台
4
备用
5
多自由度趾板异型滑模
10m长
台
2
根据工程设计
6
变频振捣器
Φ70
台
2
7
软轴振捣器
Φ50
台
4
8
木工加工机具
套
1
9
钢筋加工机具
套
1
10
电焊机
台
6
11
汽车吊
16t
台
1
12
水泵
台
2
由供水系统定
13
空压机
20m3
台
2
钻孔、清基
8.劳动力组织
根据趾板施工内容，需要配置施工人员如下表（表8.1）
表8.1趾板滑模浇筑配置人员表
序号
工种名称
数量（个）
工作内容
1
金结加工工
10
加工滑模、止水
2
钢筋工
8
钢筋加工及安装
3
钻工
4
锚杆施工
4
木工
12
安装侧模和止水
5
混凝土工
20
混凝土生产、浇筑
6
泥水工
6
收光抹面
7
养护工
2
养护混凝土
8
高级焊工
2
焊接铜止水
9
驾驶员
9
混凝土运输
10
起重工
2
开卷扬机
11
普通焊工
8
焊接钢筋
12
空压机操作工
2
9质量控制
9.1滑模加工质量控制
滑模制作要求细心设计、严格要求、精心加工。
其结构的设计强度、刚度、局部杆件的稳定等符合《钢结构设计规范》（GB17-2003）规定。
滑模设计时应考虑到每段趾板的结构及特点，每一种安装运行的状态，并均经过计算机模拟，确保在施工中能够正常滑升。
下料、加工精度应符合钢结构加工相关规范要求以保证安装后滑模稳定，达到安装时各部件能够互换要求，并按照《钢结构工程施工质量验收规范》（GB205-2001）标准进行验收。
用于制作的材料材质标准应符合《普通碳素结构钢技术条件》及其它冶标的规定。
手工电弧焊使用的焊条应符合《低碳钢及低合金高强度电焊条》的规定。
焊条的型号应与焊接件的金属强度相对应。
制作工艺与材型选用常规，且必须保证达到材料和焊缝的强度实测值不小于：
抗拉、抗压、抗弯300N/mm2,抗剪175N/mm2。
9.2混凝土质量控制
9.2.1施工前对参与混凝土施工的人员进行安全、质量管理教育，培养和加强员工的安全、质量意识。
9.2.2开仓前应对浇筑仓面、混凝土原材料的准备、施工机械状况和人员的组织安排进行验收，保证混凝土在浇筑过程中不出现意外停仓事故。
9.2.3用罐车进行混凝土运输，保证混凝土在运输过程中不分层离析。
9.2.4在运输、浇筑过程中，严禁施工人员私自往混凝土罐车和仓内加水。
9.2.5在开仓前应规定罐车行走路线，并保证浇筑时段行走路线的畅通。
9.2.6混凝土浇注工艺的其它质量控制应该按照《水工混凝土施工规范》（DL/T44-2001）标准执行。
9.3、滑模浇筑外观质量控制
9.3.1滑模加工、安装时应保证其精度符合《水利水电工程模板施工规范》（DL/T10-2000）要求。
9.3.2混凝土入仓、平仓振捣
主要用溜槽入仓，用变频振捣器平仓。
当混凝土自流盖过钢筋后改用软轴振捣器从滑模上口下部往上进行振捣，使滑模面充分接触混凝土的表面泛浆，同时需防止滑模上口堆积混凝土超过上缘豁口。
严禁将振捣棒插入滑模底部振捣，防止混凝土从滑模底部暴出，造成质量事故。
9.3.3滑模提升
混凝土入仓一般每30cm一层，并保证坍落度和入仓速度的稳定。
滑模提升速度按照每次提升20~40cm控制，标准为出模混凝土表面无光泽，用手轻按有指印，手上不粘混凝土为宜。
每小时提升不小于0.3m。
9.3.4滑模提升机械选型
滑模要求在提升过程中速度平稳，不出现跑偏现象。
提升设备用液压系统、卷扬机或手动葫芦均可。
卷扬机提升速度应该控制在3m/min以下。
安装时注意控制提升钢丝绳与趾板的X线在立面上平行。
10安全措施
趾板滑模浇筑在两岸坡上进行，安全隐患多，施工中主要采取以下安全措施：
10.1在施工前对参加施工的所有人员进行安全技术交底、并签字认可；
10.2模板支架须经质量安全管理工作人员进行安全验收后方可投入使用。
现场必须配置专职或兼职安全员，加强施工中的安全监督检查工作；
10.3卷扬机操作手必须经过岗前培训，并取得持证上岗；
10.4严禁在架子上打闹；进行斜坡上的施工人员严禁往边坡下扔杂物；
10.5滑模浇筑时，必须保证葫芦挂拉在趾板钢筋上，防止突然断电卷扬机失灵造成安全事故；
10.6铜止水加工、安装和浇筑后均需要按要求作好保护工作；
10.7编制人员、施工人员均应参加安全交底，并按程序记录、签字认可。
调整措施和方案须重新进行审批；
10.8止水加工、焊接挫操作人员必须具备二级以上焊工操作证；
10.9定人定期对卷扬机、牵引钢丝绳、导向滑轮、滑模导轨及支撑架等进行检查和维护，确保施工安全；
10.10遵守工地其它安全、文明施工管理措施及安全操作规程。
11技术经济分析
11.1模板成本比较
使用滑模浇筑比普通模板浇筑每立方混凝土节约成本占单价的2%。
因此采用趾板滑模浇筑经济上是可行的。
11.2工期比较
某一级电站工程采用趾板滑模浇筑后，施工效率比常规模板浇筑提高2~3倍。
因此，在工期紧迫的条件下采用滑模浇筑更能够节约浇筑时间，为其它项目施工留出宝贵时间。
11.质量比较
经过试验，采用常规模板浇筑的趾板表面容易出现露筋现象，而且表面模板向下，浇筑施工时人为对模板的扰动较大，混凝土外观质量和内在质量均不如滑模浇筑混凝土。
12工程实例
新疆某一级水电站施工中成功研制和使用了多自由度趾板异型有轨滑模施工。
某一级水电站是喀什河流域规划中的第十个梯级水电站。
电站位于伊犁喀什河中游、某峡谷段中部，是以发电为主，兼顾灌溉和防洪，属大（I）型一等工程。
电站装机容量460MW，水库总库容25.3亿m3，调节库容17.0亿m3，调洪库容1.5亿m3，死库容6.8亿m3，调节特性为不完全多年调节。
某一级水电站由混凝土面板砂砾-堆石坝、深孔泄洪洞、表孔泄洪洞、发电引水建筑物、发电厂房等建筑物组成。
混凝土面板砂砾-堆石坝为1级建筑物。
据新疆地震局复核并经国家地震局审查鉴定，坝址区地震基本烈度为8度，抗震设计烈度为9度。
最大坝高157m，坝顶高程1425.8m，正常蓄水位1420.0m，坝顶宽12m，上游坝坡坡度为1:
1.7，下游坝坡1:
1.5（马道间），下游坝坡布置“之”字形上坝公路，平均坝坡坡度为1:
1.96。
坝体防渗结构为钢筋混凝土面板，坝体共设有9个分区，坝体主要受力结构为砂砾料填筑体，坝体下游部分填筑堆石料。
坝址出露的岩性为英安质晶屑凝灰岩、角砾凝灰岩及安山岩、凝灰岩，岩体强度较高，湿抗压强度为90～150Mpa。
坝址岩体以弱风化、微风化为主。
趾板混凝土座落在新鲜基岩上，与基岩锚杆连接，河槽水平段长57.24m，趾板总长758.62m，最低高程1270m，最高高程1421m；设计混凝土标号为C30﹑W12﹑F300，二级配。
根据水头深度，趾板结构设计成三种型式，A型宽10m﹑厚0.8m，B型宽8m﹑厚0.7m，C型宽6m﹑厚0.6m。
由于坝址处河谷右岸较陡，左岸较缓，使得各段趾板的结构参数均不相同，趾板结构参数见表12.1。
表12.1趾板结构参数表
桩号
长度（mm）
厚度（mm）
平段长（mm）
鼻坎斜长（mm）
鼻坎斜角
鼻坎顶角
备注
000~165.374
6000
600
2040
3472
17.98°
128.72°
165.374~195.998
8000
700
3131
4047
17.98°
133.37°
195.998~244.968
8000
700
4352
2881
26.58°
128.66°
244.968~265.549
8000
700
3781
3678
18.29°
128.7°
265.549~327.293
10000
800
6097
3348
18.34°
128.7°
327.293~384.534
10000
800
6301
2734
30.48°
128.66°
河床段
384.534~456.329
10000
800
6241
2983
25.28°
128.69°
456.329~465.647
10000
800
6194
3383
13.5°
128.62°
465.647~540.187
8000
700
3777
3812
13.5°
128.58°
540.187~596.092
6000
600
1366
4234
13.5°
128.86°
596.092~660.408
6000
600
2416
3257
12.56°
128.60°
660.408~697.250
6000
600
1377
3987
21.64°
128.66°
从趾板结构参数表得知，趾板滑模需要解决的技术难题主要有：
滑模宽度要适应6m，8m和10m的变化，BC边长度要适应12种变化；
滑模厚度要适应0.6m，0.7m和0.8m三种变化；
滑模鼻坎段CD边长度要适应12种变化；
滑模鼻坎段要适应∠α、∠β和∠θ三个角度24种变化；
根据合同文件对大坝填筑的要求，趾板混凝土分期进行浇筑，工期安排见表12.2
表12.2趾板混凝土浇筑进度计划表
浇筑分期
高程
长度
混凝土量
浇筑时段
一期
1270～1281m
110.34m
998.67m3
2003.4.20～2003.5.31
二期
1281～1365m
395.88m
2940.58m3
2003.6.1～2003.9.30
三期
左岸1365～1385m
右岸1365～1385m
170.83m
915.98m3
2003.10.1～2003.10.31
混凝土浇筑总工期2003年4月20日至10月31日，共计7个月，滑模浇筑混凝土总方量为4917.23m3，平均浇筑强度为702.46m3/月，高峰浇筑强度25m3/h。
本工程趾板滑模设计的刚度、绕度均符合规范要求，同时也满足浇筑施工方便、调试操作简单的要求。
趾板异型滑模在该工程中的成功应用是趾板混凝土浇筑按计划完成的物资和技术保障，同时为大坝在2003年度完成300万m3填筑任务创造了条件，为实现2004年下闸蓄水发电目标打下了坚实基础。
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