乌东德水电站特高拱坝模板设计与应用

商永红

(新疆葛洲坝乔巴特水利枢纽工程开发有限公司，新疆 阿勒泰 836600)

0 引言

乌东德水电站特高双曲拱坝(以下简称“乌东德特高拱坝”)位于金沙江下游河段高山峡谷区内，自然气候干热多风。乌东德水电站大坝上下游面为抛物型曲面，坝体设有中孔和表孔等孔洞结构；大坝混凝土采用4.5 m浇筑升层，受内倾外悬结构影响，模板所受荷载非常大；低热混凝土早期强度低，坝区大风天气频繁。因此，乌东德大坝模板对大坝施工安全、质量、进度都具有重要影响。

常规悬臂模板难以满足乌东德特高拱坝施工要求。结合工程特点，研究和设计了曲面液压爬升模板、新型悬臂模板和预制模板，应用于大坝上下游面、横缝面和牛腿悬臂部位，实现了大坝混凝土安全、高效浇筑[1]。

1 工程概况

乌东德大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程988.0 m，建基面最低高程718.0 m，最大坝高270.0 m，拱冠梁顶厚11.98 m，拱冠底厚51.41 m，厚高比0.19，拱坝最大中心角101.79°，坝顶上游面弧长326.95 m，弧高比1.211。

坝身布置5个表孔和6个中孔，坝体自左岸至右岸共设置14条横缝，共计15个坝段，如图1所示。其中，1#～4#坝段和11#～15#坝段为非溢流坝段，5#～10#坝段为溢流坝段；各坝段顶拱上游面弧长21.0～22.7 m。大坝不设纵缝，横缝设接缝灌浆，灌区高度从坝底到坝顶依次为9.0～12.0 m。

图1 乌东德特高拱坝上游立视图

坝址区7级及以上大风频繁，根据2016年气象观测资料分析得到全年7级及以上天数，如表1所示。2016年，大茶铺站全年7级及以上的天数为98 d；雷家包站全年7级及以上的天数为89 d。坝址区7级及以上大风天气多集中于春季3～5月。乌东德大坝于2017年3月中旬开始浇筑，全年施工，须采取相应的防风措施。

表1 2016年坝区大茶铺、雷家包7级及以上大风天数 d

乌东德大坝是我国首座全面应用低热水泥并浇筑4.5 m高升层的特高拱坝，大坝混凝土模板设计与施工具有荷载大、混凝土早期强度低、施工进度快、坝体成型质量要求高、大风天气多等特点，常规悬臂模板难以满足施工安全和质量要求。经研究和论证，针对大坝各部位施工特点，分别设计了液压爬升模板、新型悬臂模板和预制模板，解决的主要关键技术包括液压爬升模板沿曲面爬升技术、上下游面体型高精度控制技术、高升层大荷载条件下锚固技术、大风条件下抗倾覆技术和施工期安全使用技术。

2 大坝模板规划

根据大坝结构特点，结合施工进度计划，乌东德特高拱坝模板规划主要采用液压爬升模板、新型悬臂模板和预制模板，具体如下：

1) 4#～11#坝段上下游面全部采用液压爬升模板。其中，5#～10#溢流坝段浇筑至高程856 m后，液压爬升模板周转至其余岸坡坝段，液压爬升模板最大使用量按照8个坝段配置。

2) 5#～10#溢流坝段高程856 m以上的上下游面采用新型悬臂模板，浇筑3 m升层，最大使用量按照6个坝段配置。

3) 2#～13#横缝全部采用液压爬升模板，其他横缝采用新型悬臂模板，最大使用量按照12条横缝配置。

4)液压爬升模板可同时满足3 m和4.5 m浇筑升层。

5)中孔上下游悬臂牛腿部位采用预制模板，最大使用量按照6个坝段配置。

3 大坝模板设计

3.1 上下游面曲面液压爬升模板

上下游面液压爬升模板采用“D35大坝模板支架+SKE50自爬器+TOP50面板”系统结构。标准模板高度上游面为5.0 m，下游面为4.8 m，水平方向上模板单元最大宽度按照5.25 m，能够满足1.5 m、3 m和4.5 m浇筑施工要求。上下游面液压爬升模板结构示意如图2所示，模板设计参数如表2所示。

图2 上下游面液压爬升模板结构示意图

表2 上下游面液压爬升模板设计参数

1) TOP50面板

TOP50面板由胶合板、木工字梁、水平钢围令、连接件组成，木工字梁与胶合面板间固定造型木，形成不同弧型模板面，可与坝体结构线形成精准吻合。

2) D35大坝模板支架

D35大坝模板[2]支架设计为桁架式支撑钢结构，包括竖围令、三角架、轴杆、上平台等组成，承担混凝土侧压力及风荷载，具有刚度大、浇筑高度高等特点。

液压爬升模板从上至下共配置四层工作平台，工作平台采用带框冲孔钢板网全封闭，上下间设置交通爬梯。

3) SKE50自动爬升器

SKE50自动爬升器系统包括悬挂靴、导轨、提升装置和支撑座等。SKE50首先爬升导轨并固定在已经施工完成的结构面上，然后架体沿导轨液压爬升新的浇筑层面。

SKE50自动爬升器系统由轻型油缸驱动，可远距离控制，保证施工人员可以很方便地完成提升工作。施工过程中，各SKE50自动爬升器同步爬升时，带动D35大坝模板支架及模板共同均匀上升。上下游面爬升模板三维示意如图3所示。

图3 上下游面爬升模板三维示意图

4)锚固系统

锚固系统包括D35和D20锚固系统，其中D35用于重型大坝模板，规格为D32蛇型筋、M36高强螺栓及配套定位锥；D20锚固系统用于液压自爬升，规格为D25蛇型筋、M30高强螺栓及配套定位锥。

3.2 横缝面液压爬升模板

横缝面液压爬升模板由面板系统、支撑系统、锚固系统、爬升系统及辅助系统组成。横缝液压爬升模板结构如图4所示。

图4 横缝液压爬升模板结构示意图

1)面板系统

面板采用“平面钢模板+装配式球形键槽”方式，面板宽度分为3 m和2 m两种，上下由4块组拼而成。球形键槽模板可在平面钢面板上装配或拆除，遇灌区止水时，将部分球形键槽拆除，并将下部带止浆槽模板与主体分离，便可安装止浆片。

2)支撑系统

支撑部分选用了后退式支撑系统[3]。该系统主要包括后退式提升架、围令支撑、轴杆支撑、连接模件、后退装置、吊平台杆等部分，围令支撑设计为桁架式，具有刚度大、变形小特点。

3)锚固系统

锚固系统采用D32蛇形筋和10.9级高强螺栓M42。

4)爬升系统

爬升系统包括附墙座、导轨、支撑座、上下换向盒、液压油缸、液压油泵及油管电路部件。通过爬升系统的液压油缸对导轨和爬架交替顶升实现爬升运动。

5)辅助部分

辅助部分主要有工作平台、防风板、组装钢管和组装扣件等部件，通过螺栓与支撑部分连为一体，组成稳固的空间受力桁架。模板设有上、中、下共四层工作平台。

3.3 新型悬臂模板

新型悬臂模板包括面板部分、支撑部分、锚固部分和辅助部分。新型悬臂模板结构如图5所示。

图5 新型悬臂模板结构示意图

1)面板部分

面板采用5 mm钢板，由两块面板连接组成，竖围令与面板通过D15加长钩头螺栓装配，组成3 m×3.6 m的模板单元。

2)支撑部分

支撑部分选用了D22桁架支撑系统。该系统主要包括悬臂支架、围令支撑、轴杆支撑、连接模件、悬杆及旋入架等部分。

3)锚固部分

锚固部分包括爬升锥、B7螺栓、预埋锚筋和密封壳，与横缝液压爬升模板同规格。

4)辅助部分

辅助部分主要有钢板网工作平台、组装钢管、组装扣件等部件，通过螺栓与支撑部分连为一体，组装稳固的空间受力桁架，上、中、下作业平台可根据模板状态进行调节，保持水平。

3.4 预制模板

大坝中孔进口底板设计为1∶1悬臂小牛腿，出口设计为1∶0.65和1∶0.8悬臂大牛腿，如图6所示。由于低热水泥混凝土早期强度低，为确保施工安全，该部位规划采用预制模板施工。

图6 大坝中孔结构示意图

预制模板设计为钢筋混凝土板和钢桁架复合结构，如图7所示。模板总宽度与下游牛腿宽度一致，单块模板宽度与仓位浇筑升层相对应，设计板厚为15 cm，标准尺寸为3.84 m×2.5 m，上、下边设置45°倒角，内设单层钢筋网和角钢，与钢桁架焊接形成整体。

图7 预制模板结构示意图

4 大坝模板施工技术

大坝模板施工技术主要包括拱坝上下游面曲面爬升技术、上下游面体型高精度控制技术、高升层大荷载条件下的锚固技术、大风条件下抗倾覆安全技术和施工期模板安全使用技术。

4.1 拱坝上下游面曲面爬升技术

液压爬升模板在直立面上沿轨道向上爬升，模板位置和轨迹定位参数为二维，爬升方向为垂直向上的直线。下游面模板爬升轨迹如图8所示。

图8 下游面爬模爬升轨迹图

乌东德拱坝为抛物线型，上下游面为不同曲率半径的曲面，横缝面由铅垂缝和斜向过渡缝构成，单个坝段宽度由下至上都有所不同。液压爬升模板向上爬升轨迹在空间上为曲线，立面投影为不同斜率的斜线。模板位置和轨迹定位参数为三维变数，爬升方向为变斜率向上的斜线，斜向爬升示意如图9所示。

图9 斜向爬升示意图

拱坝上下游面曲面爬升技术的主要内容包括：

1)建立数学模型进行编程计算，将空间曲线换算为空间斜线，建立模板定位三维参数，规划每个坝段每仓、每块模板的爬升轨迹，避免与其他模板干扰。

2)模板可以上下左右调整，调整预埋锚锥，从而实现爬升轨迹的改变，适应上下游坝面结构变化。

3)模板支架系统与自爬架系统既分开又统一。浇筑工况时由支架系统承担混凝土侧压力，爬升工况由自爬架系统负担；不需液压爬升时，模板支撑体系可作为悬臂模板单独使用。

4)设计了可旋转支座，配置在自动爬升器上，SKE50自动爬升器可以前后倾斜15°，且平台设计了平台调平轴杆，从而使整个体系可以满足斜率的变化，灵活调整爬升方向，完成空间爬升。

4.2 上下游面体型高精度控制技术

大坝上下游成型混凝土表面设计允许偏差为-10～+20 mm，上下游面液压爬升模板采用“以曲代曲”设计，最大结构偏差≤10 mm，满足设计要求。上下游面体型高精度控制技术的主要内容包括：

1)上下游液压爬升模板面板按坝段进行个性化设计。利用Matlab及Auto CAD软件，对各坝段体型分别计算、绘制。选择适中曲线作为模板设计曲线，造型木按设计曲线造型，再铺设胶合板，形成的曲型面板与设计结构高精度拟合，减少了成型后的坝体体型偏差。下游面凸型曲面板构造如图10所示。

图10 下游面凸型曲面板构造示意图

2)液压爬升模板和新型悬臂模板可前倾后仰、上下调节、左右调节，满足曲线结构的成形要求。

3)液压模板、新型悬臂模板创新设计了桁架式背架支撑结构，如图11所示，较传统的双槽钢背架支撑结构刚度大、变形小、操作简单。

图11 桁架式背架示意图

4)上下游面为避免相邻模板干扰，模板间预留一定间隙，采用专用拼缝板补缝，嵌于模板内侧，钩头螺栓连接，统一规格，拆模后混凝土面形成两条平行的装饰线，外形美观。

5)根据大坝体型检测成果，动态调整模板预倾值，确保大坝体型结构。

4.3 高升层大荷载条件下的锚固技术

根据大坝上下游结构体型，按照最大后仰8°、垂直和最大前倾24°这三种最不利结构组合不同风荷载分别计算。在后仰结构时，4.5 m升层混凝土重量及风荷载为最不利组合，对应锚固系统设计最大抗拉拔力F≤350 kN，竖向荷载V≤60 kN，爬升阶段设计最大水平力和竖向力≤60 kN。高升层大荷载条件下的锚固技术主要内容包括：

1)上下游面为主要迎风面，按照浇筑和爬升工况，爬升模板设计了D35和D20两种锚固系统，受力明确，有效降低了安全风险。D35和D20锚固系统技术参数如表3所示。

表3 D35、D20锚固系统技术参数

2)横缝面混凝土侧压力为主要设计荷载，爬升模板只设计一种锚固系统，可满足浇筑和爬升两种工况。

3)根据低热混凝土早期强度增长规律，设计了配套的D35锚筋系统。经试验论证，在最不利条件下，各锚固系统安全系数均不低于2.5，满足相关规范要求。

4)锚筋与坝面结构钢筋、模板固定，避免浇筑振捣过程中脱落。

4.4 大风条件下模板抗倾覆安全技术

大坝上下游面为主要迎风面，液压爬升模板及新型悬臂模板设计工况按照7级大风条件下正常作业，8级大风下正常爬升，12级大风条件下暂停施工、模板自身安全稳定。大风条件下模板抗倾覆安全技术的主要内容包括：

1)模板各工作平台采用钢板网封闭，形成可靠的安全围护。

2)平台栏杆设临时增加斜向加强杆，三角架底部安装抗风拉杆或螺杆。抗风拉杆设置如图12所示。

图12 抗风拉杆设置示意图

3)上下游高度方向倾角变化大，导轨先就位后再爬升模板，可极大解决模板倾覆问题。

4)爬升模板通过爬升导轨和爬升靴固定在混凝土结构表面，大大降低了大风造成的模板倾覆风险。

5)施工时，楔铁打紧模板紧贴混凝土结构面，必要时，仓内设临时支撑结构。

4.5 施工期模板安全使用技术

液压爬升模板设计了自爬升和吊装两种方式，其中自爬升又分为正常爬升和变斜率爬升两种，吊装采用25 t以上吊车或塔机，根据不同工况采取自爬升或吊装方式。施工期模板安全使用技术的主要内容包括：

1)爬升模板液压油路均自带防爆装置，各液压千斤顶进油口均配置了油路爆管保护阀，防止爆管千斤顶卸载对锚固点产生突然强大的冲击力，避免坠落风险。

2)液压爬升模板施工为危大工程，编制了大坝液压爬升模板作业指导书，并进行全面技术交底，使用过程中开展不同形式的安全技术专项检查。

3)新型悬臂模板和预制模板采用吊车、塔机或缆机安装拆除，预制模板后期无需拆除。

4)每浇筑3仓次后，对B7螺栓、定位锥进行检查；每浇筑30仓次后，对B7螺栓、定位锥全部进行更换。

5)根据低热混凝土强度增长规律，确定了不同季节液压爬升模板间歇期施工技术要求：夏季，要求模板爬升≥5 d，4.5 m升层混凝土浇筑≥7 d；冬季，要求模板爬升≥7 d，4.5 m升层混凝土浇筑≥10 d。

6)开展了D32锚筋和D25锚筋在7 d、10 d和14 d混凝土早期强度条件下的锚筋拉拔试验、现场爬升试验、模板预倾值试验和混凝土强度试验。根据试验结果，动态调整模板安全技术参数，及时有效地指导模板安全使用。

5 实施效果

乌东德特高拱坝于2017年3月16日首仓混凝土开浇，2017年6月开始河床坝段液压爬升模板施工；2020年6月30日，坝体全线浇筑至设计高程988.0 m，总共浇筑907仓混凝土，大坝混凝土总进度较原工期提前5个月。大坝模板总体使用情况较好，大坝上下游面未出现一条温度裂缝，达到了预期设计目标，施工期间未发生质量安全事故，国家可再生能源发电工程质量监督专家组评价其为“真正意义上的无缝大坝”。根据大坝混凝土体形监测成果，最大正偏差39 mm，最大负偏差27 mm，平均偏差值12.8 mm，合格率92.3%，符合设计要求，大坝体形控制良好，整体技术水平达到国内领先水平。

6 结语

依托乌东德特高拱坝施工，大坝开浇前开展了关键技术研究工作，研究和设计了液压爬升模板、新型悬臂模板和预制模板。其中，液压自爬升模板可自主爬升，精确契合大坝设计曲线体型，适用于坝体结构相对简单的部位；新型悬臂模板创新设计了桁架式背架及调节系统，能够应用于溢流坝段等复杂结构部位；预制模板使用简单、安全，解决了悬臂牛腿部位施工安全难题。乌东德特高拱坝模板设计与应用拓展了大型模板设计和应用范围，总结形成的大坝模板施工成套技术能够为今后的特高拱坝施工提供技术支撑。