白鹤滩水电站龙落尾边墙低坍落度混凝土施工技术

刘 凡， 彭 培 龙， 安 怀 念

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

白鹤滩水电站为世界上在建的最大水电工程，其无压泄洪洞群为世界之最。隧洞断面尺寸为15 m×18 m(宽×高)，进出口水头差达到120 m，下泄流量为12 250 m3/s，最高流速为47 m/s，全洞采用无压直洞设计及龙落尾消能结构，龙落尾边墙高流速过流面采用C9060高标号抗冲耐磨混凝土(坍落度为50～70 mm)，从而避免了对左岸抗力体和强卸荷边坡的不利影响，同时亦规避了明满流交替流态的不利运行工况。项目部针对高标号混凝土及复杂体型带来的温控防裂难度与高精度施工质量要求，提出了体型精准、光滑平整、高强防裂的施工高标准。

在水利水电工程等领域，隧洞边墙混凝土的传统入仓方式为泵送，但该方式存在混凝土坍落度高、水泥用量大、水化热大，无法满足该工程高标号混凝土温控和防裂要求(该工程最大温度要求控制在39 ℃内)的难题，必须考虑采用低坍落度的常态混凝土入仓。

低坍落度常态混凝土具有成本低、温控防裂难度小、抗冲磨性能好等优点[1]，因此，泄洪洞浇筑低坍落度常态混凝土成为水电人的首选目标并为此做过很多研究和实践，但受各种复杂因素制约，该目标一直未能全面实现。

2 低坍落度常态混凝土施工工艺

项目部针对白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾边墙“高水头、大泄量、高流速”对隧洞衬砌混凝土的特殊要求以及大断面隧洞衬砌混凝土“无衬不裂”的世界性难题，通过理论分析、装备研制、技术开发等系统研究，形成了白鹤滩水电站龙落尾边墙低坍度混凝土施工技术并付诸实施，提升了工程精品建造水平，为大型洞室衬砌混凝土设计、施工提供了理论依据和技术支撑。

白鹤滩水电站龙落尾边墙低坍度混凝土施工工艺原理包括：大坡度重载快速自动供料原理、混凝土衬砌台车大坡度变断面液压自行走原理、高边墙低坍落度混凝土上料系统原理以及高边墙无缺陷施工缝处理原理等，分别介绍于后。

2.1 大坡度重载快速自动供料

为解决大坡度(最大坡度为23°)工况下常态混凝土运输问题，研制了大坡度重载快速自动供料系统。该系统主要包括变频定制卷扬机+钢丝绳牵引系统+PLC智能运料小车等。

该系统由PLC程序控制的固定卷扬设备、供料斗车及上料平台组成，通过轨道全程自动运行并配备四套安全制动装置以确保运行安全。系统单次运料能力为6 m3，入仓强度约15 m3/h。管理上采用无人操作、专人值守、精于保养制度。该系统自开始运行至结束未发生任何设备故障和安全事故。

该系统结构设计情况为：

(1)重载供料斗车。小车设计斗容为9 m3，运行重量约25 t，采用门架式结构设计以满足不同坡度供料空间要求，大坡度重载运料小车示意图见图1。

图1 大坡度重载运料小车示意图

(2)快速变频卷扬提升装置。采用60 m/min的快速变频卷扬机以满足25 t荷载小车的坡道往返要求，加装变频器以实现调速功能。采用PLC智能电器无人操控，实现了上料小车运行一键启动，起步、加速、减速、停止和急停等全程自动控制。

(3)采用四套安全制动装置确保施工安全。①快速变频卷扬机配置两套安全制动装置：高速端采用两台125型高速制动器，低速端加装液压钳盘制动器并通过液压泵站与PLC联动控制卷筒，用于正常运行制动。②运料小车配置两套安全制动装置：大间隙碟型弹簧自动抱轮装置及拖曳式抱轨制动装置。该装置自带电源和测速装置并自带储能装置，当牵引钢丝绳断裂或卷扬机失效造成小车失速时，该装置自行启动，驱动抱轮及抱轨装置保证小车在3 m范围内由60 m/min速度快速减速至0。

2.2 混凝土衬砌台车大坡度变断面液压自行走

白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾段由渥奇曲线段、斜坡段和反弧段组成。渥奇曲线方程为Z=X2/500+0.015X,斜坡段坡度为1∶4。反弧段位于斜坡段下游，反弧半径为300 m，龙落尾段最大坡度为23°。白鹤滩水电站泄洪洞龙落尾共设计了3个掺气坎，每个掺气坎前后边墙衬砌断面尺寸单侧突变15 cm，掺气坎部位底板陡降2 m。为解决上述难题[2]，项目部研发了大坡度变断面液压自行走混凝土衬砌台车。

大坡度变断面液压自行走混凝土衬砌台车的原理为：衬砌台车拥有四个独立的垂直与水平调节机构，可实现单套台车在多断面及陡坡工况下安全运行，再通过台车变断面设计及重心调节功能可以满足4个断面下衬砌及台车自行走要求，进而解决了同类工程掺气坎部位采用散拼模板衬砌体型控制难度大、缺陷多的问题。边墙大坡度变断面液压自行走钢模台车见图2。

其主要结构设计特点如下：

(1)边墙钢模台车变断面结构设计：在台车顶部布设4个水平液压油缸，悬挑台车面板，通过伸缩移动实现台车的初步定位，通过台车立柱上的机械调节螺栓精准定位台车面板进而实现变断面混凝土衬砌功能。

图2 边墙大坡度变断面液压自行走钢模台车示意图

(2)边墙钢模台车行走系统：采用同步液压系统驱动行走，同时具备在陡坡上上行和下行的功能。

(3)边墙钢模台车重心调整系统：采用同步液压垂直顶升系统调整台车的重心，确保台车安全顺利地通过结构变折点。

(4)边墙钢模台车的防滑装置：采用自起落防滑挂钩装置，能够有效地防止台车在斜坡段发生下滑和倾覆。

2.3 高边墙低坍落度混凝土上料系统

高边墙低坍落度混凝土上料系统实现了18 m高边墙低坍落度混凝土(坍落度为50～70 mm)全方位入仓。该系统主要由“扇形料斗、送料装置、长距离斜坡皮带运输装置、水平伸缩旋转布料装置”组成。混凝土平均上料强度可达18 m3/h，较常规高边墙混凝土浇筑设备效率提高了20%。高边墙低坍落度混凝土上料系统结构图见图3。

图3 高边墙低坍落度混凝土上料系统结构图

(1)扇形中转料斗：根据送料装置运动曲线进行异形设计，斗容为9 m3，解决了自卸汽车垂直下料与水平输送之间的过渡问题。

(2)送料设备：送料设备系在普通扒渣机基础上改进而成。通过加长大臂的方式增大操作半径并与料斗匹配；通过改进液压系统，保证了设备连续作业和操作灵活；通过加大电机功率与皮带转速，保证了混凝土连续送料。

(3)长距离斜坡皮带运输装置：研制出能调速、可移动长距离斜坡皮带装置，解决了混凝土垂直运输难题。该装置采用大倾角(16°)倒悬支撑结构设计并与台车软连接。皮带长60 m，垂直运输高度达18 m。

(4)水平伸缩旋转布料装置：该装置可左、右自动伸缩且能正、反向旋转。能够实现定点、对称下料，同时具有随底板坡度变化的调平功能。

2.4 高边墙无缺陷施工缝的处理

一般而言，边墙施工缝缝面坑洼、缺损等缺陷较小，但在高速水流下极易进一步扩大并产生气蚀破坏，由于边墙施工缺陷小且浅而难以进行逐个修补，采用化学材料进行盖缝处理的方式易损伤母体混凝土，且因后补材料黏结力不足而导致出现平整度难以得到保证等问题，在高速水流作用下盖缝材料极易被冲毁。

项目部针对缝面缺损产生的原因，为从根本上消除缝面缺陷，经深入研究发现：只有在确保下一仓混凝土浇筑时已浇仓施工缝面平直、光滑、无缺陷后方可确保两仓混凝土施工缝无缝衔接。因此，高边墙无缺陷施工缝的处理主要包括高边墙竖直施工缝无缺陷处理施工工艺及边墙水平缝无缺陷处理施工工艺。

2.4.1 高边墙竖直施工缝无缺陷处理施工工艺

(1)缝角切割：切除缝面处低强浮浆层和缝面缺损，实现已浇仓缝角光滑密实、棱角分明。高边墙竖直施工缝无缺陷处理工艺见图4。

(2)搭接面打磨：通过挂线、光照法圈出凸出部位，对搭接面不平整部位进行打磨以提高模板与搭接面的贴合度，打磨宽度为10 cm。

图4 高边墙竖直施工缝无缺陷处理工艺示意图

(3)双胶止浆：浇筑前，搭接面先贴透明胶、再贴止浆条，并于后期清理以提高止浆效果。

(4)“内外双控”搭接：仓外控制顶丝力度直至止浆条厚度被压缩至1 mm，仓内采用光照法检查贴合度。

(5)临空面堵头模板：钢筋保护层外的堵头采用高强、平整的堵头模板，以确保拆模后缝面质量，减小缝面切割量。

2.4.2 高边墙水平施工缝无缺陷处理施工工艺

高边墙水平施工缝无缺陷施工工艺的内容：

(1)台车面板加深设计：台车面板加长至深入底板过流面以下10 cm，以避免在底板过流面高程产生缺陷。

(2)内外双支撑：台车面板下部的散拼模板采用内外双支撑，避免漏浆。

(3)切缝后凿毛：边墙拆模后，立即对过流面以下的边墙进行切缝凿毛。凿毛前，沿底板过流面高程以下2 cm画切割控制线，切割深度为5 cm。

3 操作要点

3.1 基岩面及施工缝面的处理

过流面以下(横向铜止水以下)、边墙环向施工缝面(钢筋内部)的处理：采用电镐凿毛，电镐凿毛点间距≯5 cm，角度为60°～70°。

底板表层钢筋至过流面：测量人员根据过流面设计高程放样出控制点位→挂线(过流面下1 cm)→弹墨线→切缝→凿毛。切缝深度不小于3.5 cm。

底板铜止水与表层钢筋之间的保护层：采用钎子凿毛。凿毛时采用木板覆盖铜止水的方式进行防护。为防止铜止水破损，预留2～3 cm不进行处理。

钢筋与过流面之间环向施工缝的处理措施：拆模后采用6 m靠尺检查该处施工缝的平整度情况。对于不平整度超过1 cm的部位采用磨光机打磨平整。待不平整度满足要求后对该缝面采用磨光机将乳皮打磨彻底，严禁凿毛。打磨完成后，用棉纱擦净过流面上的污染灰尘，然后先贴一层透明胶，再贴双面胶。

3.2 钢筋的安装

安装钢筋前，先由测量队放点，测量放样点位每个仓面不少于2个断面，每个断面共计9个测量点。利用全站仪在边墙打点标识高程、偏距及架立筋高程控制点[3]。

3.3 台车系统

台车结构：龙落尾边墙的衬砌台车由模板总成、皮带输送机、门架总成、行走机构、侧向螺旋千斤、门架螺旋千斤、液压系统、电气系统、侧向走道平台、液压操作平台、工作梯装置等多部分组成。台车安装效果见图5。

图5 台车安装效果图

3.4 模板系统的安装

3.4.1 台车立模

台车就位后，锁定行走轮、锁紧夹轨装置、旋出基脚千斤顶撑紧钢轨、落下行走挂钩，防止台车移动。当确定台车固定后，伸缩顶部变断面油缸，使台车模板达到断面要求；再伸缩侧向油缸，使模板达到衬砌轮廓要求。

3.4.2 堵头模板立模

为保证新老混凝土拼缝质量，边墙竖向缝搭接模板采用硬搭接。为提高下游端棱角的质量，堵头模板与边墙模板拼接的模板采用槽钢连接或高强度的1 cm厚红色木模板连接(一仓一换)；为加强台车模板下口支撑强度，对局部需要加强支撑的部位增加斜向机械千斤顶，同时在下口增加70号角铁，防止该部位漏浆；老混凝土位置采用挂垂线/6 m靠尺的方式检查混凝土面的平整度在4 mm以内，对凸出位置采用磨光片按照1∶10的比例进行打磨，过流面以下的拼缝模板主要由底层钢筋下部木模、铜止水至上层钢筋木模、上层钢筋至过流面模板及铜止水与底层钢筋之间的P3015拼装模板组成。由于底板钢筋过缝造成过流面以下模板多处拼装，木模板需根据钢筋间距刻槽，槽宽4～6 cm以确保钢筋可以穿过。该部位的木模板因设计要求具有一定的强度，因此，刻槽搭接模板全部为一次性红色层板。

3.4.3 涂刷脱模剂

脱模剂采用色拉油，涂刷要求均匀成膜、不漏刷、不积存。

3.5 混凝土浇筑

混凝土采用自卸车运输至施工现场，卸入大坡度重载快速供料系统内，再进入高边墙低坍落度混凝土上料系统入仓。

混凝土振捣采用复振工艺，严格执行“定人、定机、定岗、定责”，采用φ100 mm振捣棒，插入点采用正方形布置，不留振捣死角，快插慢拔以无大气泡冒出、混凝土不再明显下沉为宜[4]。

3.6 拆 模

边墙过流面下部模板拆除时，先拆除台车斜向机械千斤顶，再拆除顺水流方向的架管和竖向架管，最后拆除铜止水固定U型支架。支架拆除完成后，采用铁钎自上游向下游拆除钢模板。

下游堵头模板的拆除顺序为自上而下拆除，拆除后采用吊钩将模板逐块提至台车上部堆放。台车面板的模板拆除为先拆除机械千斤顶(水平机械丝杠)，再利用液压油缸单侧自下而上拆除台车面板。

3.7 养 护

龙落尾边墙的养护采用智能养护系统。该系统的工作原理是通过风速测定仪、温湿度感应探头测定已浇筑混凝土表面的温度、湿度、风速参数，并将测定数据反馈回电脑，经电脑分析确定混凝土在特定时间内所需的喷水量和喷水持续时间两个参数，通过调整脉冲控制仪的电流脉冲持续和间隔时间达到调整喷水时间的目的[5]。

4 结 语

该项技术依托白鹤滩水电站泄洪洞工程进行了龙落尾边墙低坍度混凝土施工，该工艺采用自卸汽车运输、自动运料系统、变断面液压自行台车施工。该施工工艺的应用对依托工程具有重要的指导作用，必将促进我国大型地下洞室高速水流区底板衬砌施工技术和理论的进步，通过该施工工艺，能够优化混凝土的运输方式及施工工艺，降低材料及人工的使用量，同时能够减少混凝土施工过程中的粉尘，有利于节能减排、提高施工质量，所取得的经济和社会效益显著，并可为类似工程的设计、施工和管理提供借鉴。