蒲石河水电站重力坝模板的设计与施工

邢 军，张 涛，应小军

（1.中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100024；2.西北勘测设计研究院，陕西 西安 710065）

蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省丹东市宽甸满族自治县境内，是我国东北拟建中的第一座大型纯抽水蓄能电站。工程主要枢纽建筑物——下水库挡水建筑物为重力式混凝土坝，坝顶高程为70.10m，最大坝高34.1m，坝顶长336m。重力坝主要由19个坝段组成，包括挡水坝段、泄洪排沙闸坝段和引水坝段等。一期混凝土右岸土建工程：主要包括12～19号重力坝段。

以16号引水坝段的结构为例，该坝段仓体跨度20.5m，其迎水面▽57.25m高程以下和背水面▽55.10m高程以下为大体积混凝土基础部分；迎水面▽57.25m高程至▽69.91m高程为垂直上升，▽69.91m高程至▽70.30m高程有一牛腿；背水面▽55.10m高程至▽58.50m高程为前倾53.13°上升，▽58.50m高程至▽67.60m高程为垂直上升，▽67.60m高程至▽69.10m后仰45°上升，▽69.10m高程至▽70.10m高程为垂直上升。

平面方向，引水坝段迎水面有3个凹廊，左右两侧在▽67.10m高程至▽69.10m高程有一牛腿。

1 模板方案的选择

鉴于该工程重力坝属大体积混凝土现浇结构，模板不便使用对拉螺杆加固承受施工荷载，结构截面形状不同于一般工业与民用建筑，有前倾坡、后仰坡和竖直墙，另外坝段之间结构缝处有混凝土楔键，并需安装止水带。所以，该工程重力坝模板结构型式和施工方案的选择，直接关系到工程的施工质量、施工效率和施工成本的高低。

模板设计总体思路是：①重力坝的迎水面、背水面和重力坝侧面结构缝无止水带处使用悬臂大钢模板施工；②结构内部预制廊道、检修门槽和重力坝侧面结构缝在有止水带处使用木质大模板施工。

2 模板结构设计

2.1 悬臂大钢模板结构组成

悬臂大钢模板主要由大钢模板和悬臂架子两部分组成。

（1）大钢模板的结构组成。每块标准大钢模板的幅面尺寸为3m×3m，其面板为6mm厚Q 235钢板，竖肋为8号热轧槽钢，横肋为80mm×6mm钢带，模板横背楞上下共设置3道，每道由双排16a号热轧槽钢焊接而成。

（2）悬臂架子的结构组成。悬臂架子主要由模板连接器、操作平台、花篮螺杆机构、模板高度调节机构、竖向主背楞、锚固系统、退模机构、保险机构、主三角架、滞后平台10个部分组成。

2.2 木质大模板结构组成

木大模板采用双面覆膜15mm厚木胶合板作面板，以100mm×50mm木方作竖肋，以φ48×3.5mm钢管作横竖背楞，模板与竖肋之间以木螺丝连接，竖肋与横背楞及横背楞与竖背楞之间，以L型螺栓和山型卡连接。

3 关键部件验算

该工程混凝土结构的重点部位均采用悬臂大钢模板施工，所以，悬臂大钢模板的设计计算尤为重要，它直接关系到施工的安全和质量。悬臂大钢模板的设计计算，包括大钢模板、横背楞、主三角架、锚固系统的受力螺栓和竖向主背楞等部件的计算，其中对质量和安全具有决定性作用的是大钢模板、横背楞、主三角架和受力螺栓。大钢模板是按86系列《全大钢模板应用技术规程》（DBJ01-89-2004）进行结构设计的，其强度和刚度均满足要求，而横背楞、主三角架和受力螺栓是专门针对悬臂大钢模板设计的，在此对其一一进行验算。

3.1 横背楞的计算

3.1.1 计算荷栽

横背楞是以竖向主梁为支座的连续梁，其计算简图见图1。

图1 横背椤弯矩图

作用在横背楞上的均布线荷载为：

qmax=Fmax·lmax（N/mm2）

式中 lmax—横背楞的最大间距（取lmax=1 150mm）；Fmax—模板板面所承受的混凝土最大侧压力（取Fmax=60kN/m2）；

qmax=60×10-3×1 150=69 N/mm。

3.1.2 强度验算

σmax=Mmax/rxwx≤f

式中Mmax—横背楞最大弯矩值，N·m；rx—截面塑性发展系数，rx=1.0；wx—横背楞在弯矩平面内净截面抵抗矩（16 a槽钢为108.3×103mm3，因横背楞为双排16a槽钢，故wx=108.3×103×2mm3）。

用弯距分配法和叠加法，对一块标准3m宽的大钢模板来说，其：

满足要求。

3.1.3 挠度验算

悬臂部分

取最大悬臂a=600mm，16 a槽钢Ix=866.2×104mm4；

满足要求。

跨中部分

≈1.234mm＜l/1 000

满足要求。

3.2 悬挑三角架的受力计算

3.2.1 主三角架的设计计算

主三角架主要用于模板的承放和模板的荷载、施工人员操作模板时的站立、行走及堆放简单的操作工具，它随结构的上升而逐层提升，每两榀三角架组成一个整体，相互之间通过φ48钢管连接，主三角架挂通过陀螺挂在受力螺栓上。受力螺栓与爬锥和预埋螺栓连接。

（1）主三角架的受力分析。主三角架主要受到来自模板传递到竖向主背楞的施工荷载，受力分析如下图2和图3所示。

图2 大模板及竖向主背椤受力分析

图3 主三角架受力分析

图中：G模—大钢模板及竖向主背楞等自重（每榀主三角架约承受G模=1 000kg=10 000N）；G架—悬臂架子重量（每榀主三角架约G架=750kg=7 500N）；qS——施工荷载（约250kg/m2）[1]，每榀主三角架约承受施工线荷载，qs=250×1.5=375kg/m=3.75N/m；Tdx，Tdy—受力螺栓分别对主三角架的拉力和支撑力；NEX—墙面对主三角架的支撑力；NBX，N′BX，NBY，N′BY—退模机构对竖向主背楞和主三角架的作用力；NA，NC—花篮螺杆分别对竖向主背楞和主三角架的作用力。

（2）荷载计算。根据大模板及竖向主背楞受力图2，由静力平衡条件可得如下方程式：

根据主三角架受力分析图3，由静力平衡条件可得如下方程式：

上式中：H=3 300mm；AB=2 700mm；BF=300mm；DE=1 800mm；DC=2 100mm；DBy=100mm；DBx=300mm；l中=1 000mm。

将各已知参数代入（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）、（7）、（8）、（9）9 个方程中，解得：

TDX=408 197.91 N，TDY=25 375 N。

3.3 受力螺栓的计算

使用悬臂模板是否安全，主要取决于受力螺栓、预埋螺栓和挂点处混凝土的强度。该工程使用的受力螺栓直径为36mm，从上面的受力分析中，可以看到，D点处受力螺栓既承受拉力，又承受剪力。受力螺栓使用的材料是40 Cr钢，查《机械设计手册》知调质后，其抗剪强度[τb]=750～850 N/mm2，抗拉强度极限[σb]=890～980 N/mm2，屈服强度[σS]=785 N/mm2。

受力螺栓所承受的剪应力

受力螺栓所承受的拉应力

4 模板施工工艺

（1）施工工序。清理模板→涂刷脱模剂→吊装模板→按设计图在模板上安装预埋螺栓→校正模板位置和垂直度或倾斜度→验收模板→浇注混凝土→养护→拆模板上预埋螺栓的连接螺栓→脱模→拆保险栓→整体提升悬臂大钢模板至上层→锚固悬臂大钢模板→在滞后平台上取出最下边留在墙体上的锥体→修补坝体表面→下一循环施工。

（2）模板锚固点混凝土强度达到10MPa以上后，方可进行下一层模板的安装。

（3）预埋螺栓和受力螺栓每次必须用厂家提供的专用力矩扳手拧紧到位。

（4）模板安装前，上一次浇筑的混凝土顶部需贴5cm宽的防漏浆海绵条，安装时，模板下口须覆盖上一层老混凝土至少5cm，通过调整退模机构，使模板下口压紧老混凝土面。

（5）在施工到坝体截面轮廓拐点前一层，应严格按设计图所标注的位置安装预埋螺栓，并调整模板的高度位置，确保在拐点处模板能正确地安装。

（6）混凝土浇筑到埋件附近时应用软轴振捣器振捣，防止埋件发生位移。模板的各层操作平台上不得堆放重物，并注意随时清理，以确保安全。

（7）拆模后对混凝土表面可能出现的麻面、气孔等缺陷，应及时进行修补。根据实际情况，采取相应的修补方法，修补时采用的砂浆（混凝土）应与仓内混凝土配合比一致。

5 模板施工中的难点和解决措施

该工程悬臂大钢模板施工中的难点主要有两处，第一，迎水面▽48.50m高程处后仰牛腿的支模和拆模问题；第二，引水坝段迎水面自下至上凹廊的模板配置问题。

（1）迎水面后仰牛腿的支模和拆模问题，是其它模板结构体系很难解决的，悬臂模板体系的一个最大优势就体现在这儿。在这里设计制作了专门的后仰三角挂架，附着在主三角挂架的前方，用它解决模板的安装问题，浇筑混凝土时，在退模机构上方的混凝土中垂直预埋1个φ42×3mm钢管，拆模时，先拆大钢模板，将其吊走，然后用吊装器拆悬臂架子。

（2）引水坝段迎水面自下至上有凹廊，凹廊宽3.8m，进深5.95m，此处采用悬臂大钢模板施工，阴角处使用阴角模，阴角模与大模板之间为子母口搭接并以螺栓连接，以直角芯带加固；阳角采取压边并加海绵条的方法，为确保阳角不漏浆，阳角处还采用了专用的阳角拉结件，另外，由于凹廊太窄，所以凹廊两侧墙采用专门设计的小三角挂架承载大模板，用可调节对顶撑支顶模板承受混凝土对模板的侧压力。

6 结语

该工程混凝土结构主要采用悬臂大钢模板施工，大大加快了施工进度，提高了施工质量，降低了工人的劳动强度，特别是重力坝大尺寸牛腿处的施工，既安全又快捷，不需搭设任何脚手架。另外，大进深狭窄凹廊模板的支拆非常方便。实践证明，在目前国内水工建筑物，特别是重力坝的施工中，悬臂大钢模板具有安全、方便、优质和高效的特点，值得推广。

［1］建筑施工手册（第四版）编写组.建筑施工手册［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［2］机电技术常用标准实用手册编写组.机电技术常用标准实用手册［S］.北京:北京理工大学出版社，1994.

［3］江正荣，朱国梁.简明施工计算手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.