大坡度中管径压力管道外包混凝土施工技术研究

周沛 ZHOU Pei；吴小华 WU Xiao-hua；张奇 ZHANG Qi

（中国水利水电第十一工程局有限公司，郑州450000）

0 引言

叶尔羌河錾高水电站水库正常引水位为1611m，总库容2800万立方米；最大坝高24m，主电站发电流量375.60立方米每秒，总装机容量为185兆瓦，多年平均年发电量5.65亿千瓦时，装机年利用小时数3054小时，施工总工期40个月，项目总投资为17.9亿元。电站建成后，将进一步增强南疆四地州电网的供电能力，有利于改善当地电力供给状况，对社会安全、稳定、和谐、可持续发展具有积极意义。

本标段的主要建筑物包括压力管道、主电站厂房及尾水建筑物、进厂道路、移民改线道路等。

压力管道共4根，管径均为5.0m，钢管长177.622m。进口中心高程为1592.00m，出口中心高程1547.08m，由斜直段、转弯段及下平管段组成，斜直段坡度为1:3，每根钢管4个转弯，转弯半径均为30m，压力钢管转弯角度为2.0°、17.52°、1.5°、17.52°，两个水平转弯、两个竖向转弯。在压力钢管转弯处设置镇墩，压力钢管首部的水平转弯和竖向转弯处设置一个镇墩，镇墩尺寸为47.2m×13.0m×10.0m，镇墩后面设置一个伸缩节。压力钢管尾部的水平转弯和竖向转弯处设置一个镇墩，镇墩尺寸为58.2m×15m×12m。压力钢管采用钢内衬外包混凝土结构，管内径5.0m，外包混凝土厚0.6m，引四条钢管垂直进副厂房与机组相接。

1 工艺原理

本文是大坡度中管径压力管道外包混凝土施工技术，其技术原理是对四根压力钢管斜直段采用交替分段进行压力钢管安装及外包混凝土浇筑，同时优化斜直段外包混凝土设计结构及施工工艺：

压力管道斜直段顶拱原设计为圆弧状，混凝土施工难度大，无法保证混凝土振捣密实，且压力管道之间间距较窄，无法采用钢模台车进行施工；经与设计、业主商定，在不改动钢筋的情况下，将压力管道斜直段顶拱由圆弧变为梯形，减小施工难度，有效保证混凝土施工质量，同时项目部从施工成本、施工工艺复杂性、地形条件及施工可行性进行多方面对比，最终采用符合项目实际条件的整体模板配反向拉升简易滑模方式进行外包混凝土施工。

2 工艺原理流程及操作要点

2.1 工艺流程

压力钢管基础处理→底板垫层混凝土浇筑→下平段模板安装→下平段混凝土浇筑→下部镇墩模板安装→下部镇墩底层砼浇筑→压力钢管安装→侧墙及顶板模板安装→砼浇筑→养护→压力钢管斜直段外包混凝土模板安装→压力钢管斜直段外包混凝土浇筑→养护→伸缩节检修井模板安装→检修井砼浇筑→养护→上部镇墩模板安装→上部镇墩底层砼浇筑→上部镇墩处压力钢管安装→侧墙及顶板砼浇筑→养护→渐变段模板安装→渐变段砼浇筑→养护→砂砾石回填→修砌踏步。

2.2 操作要点

2.2.1 压力钢管斜直段外包混凝土设计结构优化

因受疫情影响，压力管道施工时间较晚，为保证压力管道施工进度，解决因疫情影响后材料进场困难问题，与设计、业主、监理及施工队伍商讨后，决定在不改动钢筋的情况下将半径3.1m的圆弧顶拱改为梯形顶拱，整体由“上部半圆、下部方形”变为“上部梯形、下部方形”的结构。上部“半径R=3.1m”的半圆替换为“上底长3.2m，下底长6.2m，高2.1m”的梯形，下部“宽6.2m，高3.1m”的方形换为“宽6.2m，高4.1m”的方形。结构改变后减少圆弧顶拱部分的定型模板的投入，减小了圆弧顶顶拱部分立模施工难度，同时减少了分层浇筑二次立模的时间。断面图详见图1。

图1 原设计压力管道外包混凝土断面图外包混凝土断面图

2.2.2 压力钢管斜直段模板及施工工艺研究

外包混凝土施工时在压力管道斜直段两侧搭设双排脚手架，做为施工平台，脚手架间距1.8m，排距1.5m，步距1.2m；模板采用1.8cm厚竹胶板拼装，两侧边模分别拼装为两块4.2*10m组合模板，斜面拼装为两块2.586*10m组合模板，模板加固采用φ12拉条内拉内撑，外部采用φ48×3.5mm钢管做围柃，示意图详见图2。各压力管道斜直段顶部安装一台10t卷扬机，每次浇筑完成后，整体拆卸模板，采用上部10t卷扬机向上提升移动至下一仓，压力管道斜直段混凝土浇筑20m为1仓，每根压力管道斜直段两侧模板配4块。

图2 斜直段外包混凝土模板安装示意图

斜边模板拼装后分别在两侧模板上安装两排平板振捣器，由于压力管道外包混凝土钢筋较密，受结构限制，为防止两侧混凝土振捣不密实，在斜边模板底部预留一块简易15cm宽可拆卸模板，作为边墙立面部位的振捣口，在下部镇墩安装一台10t的卷扬机，在斜直段顶部安装一个定滑轮，采用反向提升的方式作为顶部滑模的拉升装置，示意图详见图3。

图3 滑模提升装置示意图

由于压力管道战线较长，高差较大，现场56m汽车泵及地泵无法满足整条斜直段外包混凝土浇筑，计划斜管道下部40m浇筑位置选择在副厂房基础位置，采用地泵浇筑，斜管道上部50m浇筑位置选择在上部镇墩处，采用汽车泵浇筑，斜管道中间部分浇筑采用泵车与溜槽接力浇筑。钢管外包混凝土施工采用台阶法进行浇筑，层厚不大于50cm，人工平仓，手持φ70软管式振捣器振捣。混凝土入仓时，尽量控制下料高度，下料口高于模板表面不超过300mm。下料时两侧对称下料，避免钢管移位。振捣时避免触碰钢管，振捣时间以混凝土不再显著下沉，无明显气泡并表面开始泛浆为准。两边由预留边墙振捣孔进行振捣，斜坡面采用平板振捣器进行振捣，顶面采用滑模收面，浇筑完成后初凝前，对上表面进行收面，压实抹光。

混凝土浇筑完毕后，应及时对上表面洒水养护、外侧模板洒水降温。低温季节浇筑的混凝土收仓后和拆模后，覆盖草帘或保温棉布进行保温。

3 质量控制

3.1 夏雨季施工

①避开高温时段浇筑混凝土。

②在工作面搭设凉棚。

③采用搭凉棚、洒水、喷雾、加大骨料堆高降低砂石料等原材料温度。

④加强砌体的养护，及早进行洒水养护，保持湿润，适当延长养护期。

⑤混凝土罐车采取隔热措施，缩短混凝土运输及入仓等待时间。

⑥根据天气情况尽量避开雨天浇筑混凝土。

⑦当混凝土浇筑过程遇小雨不会影响混凝土浇筑质量时，对已浇混凝土采用薄膜覆盖，对浇筑区及时排水，连续浇筑。

⑧遇较短时大雨时（2小时），对已浇混凝土采用薄膜覆盖，浇筑区混凝土间断浇筑覆盖，间隔时间小于混凝土初凝时间，雨停后对浇筑区及时排水进行正常施工。

⑨大雨天停止混凝土浇筑施工。

⑩混凝土浇筑结束并终凝后，使其保持湿润状态，硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥养护时间不少于14天，但在干燥、炎热气候条件下，延长养护时间。

3.2 冬季施工

①保证混凝土出机口温度。混凝土采用热水搅拌，保证水温不得超过60℃。投料前，先用热水冲洗搅拌机，搅拌时先投入骨料和已加热的水，搅拌均匀后再投入水泥和外加剂，以防止发生假凝现象，搅拌时间较常温时延长50%（3～3.5min）。保证混凝土出机温度不低于5℃。在搅拌混凝土前和停止混凝土搅拌后，用热水及时冲洗搅拌机。

②混凝土运输。混凝土的运输路线提前统筹安排，保证交通不得堵塞，混凝土的运输时间尽可能短，并尽量减少中间倒运环节。混凝土搅拌运输车外侧要包裹保温材料进行保温，尽量减少温度损失。混凝土入模前，测定混凝土的温度、坍落度、含气量及泌水率等性能，符合设计或配合比要求时方可浇筑，并做好相关的检查记录，保证混凝土的入模温度不得低于5℃。

③根据天气情况尽量避开低温段浇筑混凝土。

④仓内正温时才能浇筑，混凝土连续浇筑，加快混凝土施工速度，减少热量散失，混凝土施工完成后立即用保温被进行覆盖保温，防止浇筑混凝土受冻。

⑤混凝土浇筑后采用保温被覆盖，保持浇筑的混凝土仍然正温。

4 安全措施

建立项目安全保证体系，设专职安全员，进行经常性安全教育，加强安全意识，严守操作规程，进行班前安全交底。

4.1 交通安全

遵守个性安全管理规定，进入施工现场的施工用的车辆必须办理通行证，做到一车一证，并要随车携带，以便检查。手续不全、车况不好的车辆不得进入。运输人员的车辆须停放在临时办公区内的指定位置。各种车辆的驾驶员必须持有与其驾驶车辆相符的有效的驾驶证件，任何人不得持临时驾驶证驾驶车辆。施工现场内的各种车辆行驶速度不准超过15公里/小时，车辆停在道路上时必须遵守以下原则：靠边停置，车的外帮距路边最大距离不得超过0.5m；司机无安全着装，不得在施工现场内随意走动；必须保证道路有4m以上的余量，并保障畅通；完成作业后，迅速驶离现场道路。车辆遇未加保护措施的电缆、电线、各类气体管道（软管）等易损坏物品不准轧过，必须采取有效措施后方可通过。只有安装有座位的车辆才能运载员工。自行车、摩托车、拖拉机、三轮车一律不得进入施工现场，在规划临设时规定停放区域，禁止乱停乱放。

4.2 夜间工作管理措施

任何夜间工作必须报项目部施工经理批准，作业单位负责人应确认有关安全措施已落实。

保证夜间施工时有充足的照明。提供固定的、安全的照明设备。自接的照明设备应符合有关标准。现场照明禁止使用移动式碘钨灯具。夜间施工发生紧急情况时，确保随时能够启动项目的应急响应系统及程序。

4.3 恶劣天气管理措施

制订切实可行的防汛、防洪应急计划，其中包括建立健全抢险救灾组织机构和抢险救灾队伍，储备抢险救灾物资和配备救生设施，合理存放，便于取用。雨季施工时，建立领导值班制度，及时掌握有关气象资料，保证紧急情况发生时，应急领导小组成员、抢险救灾队伍、抢险救灾物资及时到位。施工现场库房、机具棚、堆放场要有排水设施，沟渠畅通，做到雨停水散。半成品及成品堆放不能入库的要下垫上盖，防止水浸雨淋。施工用配电箱、电焊机、气瓶等应有防雨棚。机具设备做到上盖下垫。合理安排施工，及时做好道路硬化，确保雨季场内道路畅通。保持与当地政府部门的沟通，必要时根据当地政府的统一安排组织人员撤离。

5 效益分析

本工程共4条压力管道，按照2条压力管道斜直段所需模板进行分析：

每条压力管道斜长约为123m，外包混凝土梯形断面周长为16.6m，每条压力管道外包混凝土施工所需模板面积约为123*16.6=2042m2，2条压力管道施工所需模板面积约为4084m2。

若采用钢模进行施工，钢模厚度为30mm，租赁单价为5000元/t，本工程模板花费共需4084*0.03*5000≈61万元。

若采用竹胶板滑模进行施工，每块竹胶板尺寸为1.22m*2.44m，共需竹胶板4084/（1.22*2.44）≈1372块，估算需1500块竹胶板；竹胶板单价为90元/张，本工程模板花费共需90*1500≈13.5万元，考虑人工费用15万元，成本共28.5万元。

二者相比较，采用竹胶板滑模施工节约成本约32.5万元，具有显著的社会、经济效益和广泛的推广应用价值。

6 应用实例

①2019年应用于錾高水电站，该电站压力钢管由4根压力管道组成，每根压力管道包括上弯段、斜直段、下弯段、水平段组成，斜直段坡比1∶3，管径均为5m，钢管长173m。斜直段坡度为1∶3，压力钢管采用钢内衬外包混凝土结构，管内径5m，外包混凝土厚0.6m，分部钢筋采用HRB400Eφ16的 钢 筋、主 筋 采 用HRB400Eφ25、HRB400Eφ28的钢筋，钢筋间距20cm。

②2017年3月应用于恰木萨水电站，此电站是叶尔羌河下游河道规划梯级开发中的第2级电站，其上游为錾高水电站，下游为亚贝西水电站。工程主要由拦河引水枢纽（土石坝、泄洪建筑物、引水闸）、输水建筑物（输水渠道）、前池、压力管道及电站厂房等主要建筑物组成。主电站发电流量358.0m3/s，生态电站发电流量41.2m3/s，前池正常水位1547.334m，主电站装机容量200MW，生态电站装机容量3MW，多年平均发电量6.20（5.96+0.24）亿kW·h，装机利用小时数3054小时。压力管道采用正面进水单机单管布置形式，共4根，由砼管和钢管组成，管径均为5.4m其中压力钢管单根长171m。接混凝土管处中心高程为1517.20m，接主厂房上游水下墙处中心高程1475.20m，由斜直段、转弯段及下平管段组成，斜直段坡度为1:3，每根钢管2个转弯段，分别位于3#、4#镇墩，转弯半径均为20m，管内径5.4m，外包混凝土厚0.5m。

在这两个项目基坑开挖过程中均体现：压力管道斜直段坡度较大，压力管道间距较小，无法采用大型机械进行施工，施工成本高，且难以混凝土浇筑施工质量。同时工程受地理环境、水文地质、工程地质等诸多因素制约，常对施工安全、工程进度、工程投资造成一定的影响。

针对上述所存在的问题，展开一系列技术革新。通过探索应用大坡度中管径压力管道外包混凝土施工技术，提高混凝土施工质量，加快施工进度，得到了业主和监理的好评。形成一套完备的公司施工技术，在公司在建水电工程中推广应用。