面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》是中國安能建設總公司完成的建築類施工工法；作者分別是林友漢、王泉、田維忠、王永平、楊作才；該工法適用於通常情況下的趾板及護坡混凝土施工，同時也適用於坡面地形條件複雜、場地狹窄，混凝土結構和空間走向變化較大的趾板、護坡混凝土施工。

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》主要的工法特點是：可以滿足多方向、多角度變化的趾板結構要求；面板堆石壩趾板施工具有安全、可靠、快速等特點。

2009年10月19日，《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2007-2008年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法
• 工法編號：GJEJGF200-2008
• 完成單位：中國安能建設總公司
• 完成人：林友漢、王泉、田維忠、王永平、楊作才
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2007-2008年度）

形成原因

在面板堆石壩中趾板不但承擔把面板的受力傳遞給兩岸壩基，而且也是面板堆石壩防滲體系中最重要的組成部分之一，趾板下基岩的允許水力梯度、地基處理措施及地形條件決定了各段趾板的結構參數，且各結構參數均不相同，這給趾板快速施工帶來了一定的難度。中國安能總公司在承擔新疆吉林台面壩堆石壩趾板的施工中，通過多次研究、試驗、總結，探索出了適應多種結構和方向的多自由度趾板異形有軌滑模設計和施工的工法《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》。

工法特點

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》的特點有：

1.可以滿足多方向、多角度變化的趾板結構要求。

2.在斜坡上澆築趾板速度快，對加快墊層料施工、提高壩體填築強度有利。

3.採用該工法能提高趾板混凝土的澆築質量。

4.滑模體重輕，吊裝和調整靈活，適應岸坡上狹窄場地情況下的操作。

5.趾板澆築可以與鋼筋綁紮、側模支立平行施工。

6.安全保護設施簡單、可靠，操作方便。

7.具有多氣候的適應性，提高了混凝土的養護效果。

操作原理

適用範圍

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》適用於通常情況下的趾板及護坡混凝土施工，同時也適用於坡面地形條件複雜、場地狹窄，混凝土結構和空間走向變化較大的趾板、護坡混凝土施工。

技術理論

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》的工藝原理是：

隨著壩體高度的增加，水下趾板所承受的水力梯度也隨之增大，在設計趾板結構時也就需要考慮幾種長度和厚度的斷面形式來最佳化設計，但為了保證混凝土面板的平整度和使面板與周邊山體基岩連線的結構達到最優傳力效果，這就決定了趾板空間結構變化的多樣性。多自由度趾板異形有軌滑模主要由常規邊模、表面滑模和提升導向系統組成。趾板結構圖如圖1所示。

圖1 趾板結構圖

1.滑模對趾板結構複雜性及止水位置和設計斷面外模板的適應

為了保證趾板的傳力效果，邊坡和底部基岩超挖應控制在規範允許範圍內。考慮趾板各段的X線方向不同、周邊止水在側面位置不同和基礎超挖成型的不利條件，趾板結構不適宜全斷面滑模施工，最佳方案是三個外露面用滑模施工。上游側AB在趾板結構尺寸外立模，在趾板EF和FG兩面支立常規模板，用滑模澆築BC、CD、DE三面，從而解決了趾板不同厚度變化、周邊止水位置變化及不同超欠挖回填模板變化的問題。

2.滑模對左、右岸趾板不對稱性結構的適應

為了解決左、右岸在同一高程上的趾板斷面不對稱問題，水平趾板用常規模板，左、右岸斜坡趾板根據各自的斷面特點各設計一套滑模澆築。左、右岸滑模的平直段可以根據趾板平直段BC的幾種長度尺寸加工成相同的節數，以適應BC邊的多種變化。鼻坎段把DE邊加工成有兩個自由度的滑塊，以適應CD邊和∠β、∠θ的不同變化。

施工工藝

• 工藝流程

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》的施工工藝流程見圖2。

圖2 多自由度趾板異形滑模混凝土澆築流程圖

操作要點

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》的操作要點如下：

一、異形滑模設計

（一）滑模強度、剛度、擾度要求

滑模的最不利工況為滑模就位後至混凝土入倉澆筑前。根據滑模最大跨度，考慮滑模的行走輪支腿滿足強度要求，滑模行走導向管滿足強度、擾度及穩定性要求，滑模的結構滿足剛度和擾度要求，行走輪支腿用4根10號工字鋼加工，滑模骨架用10號槽鋼加工，面板用厚度為6毫米的鋼板加工。模板配重設計考慮在滑模上安裝配重水箱（6毫米鋼板加工），並利用配重水箱加大滑模斷面尺寸，平直段和鼻坎段用兩排4根調節螺旋拉桿連線，並在底部連線頂點安裝2顆阻滑螺栓，以防止調節拉桿時連線處發生錯位，達到滿足∠α的變化要求。配重水箱加工成多節，與不同段趾板長度相適應。水箱之間用M16螺栓連線，並與底模連成整體。當結構變短時，卸下水平段結構尺寸外的部分即可。

滑模的擾度應不大於10毫米，以滿足水工模板規範對模板整體剛度和強度要求。

（二）安全驗算

結構設計時應對螺栓的抗拉破壞和抗剪破壞和鋼絲繩安全進行驗算。

螺栓安全驗算

計算荷載主要有以下幾種：

1.滑模材料自重（包括鋼材、木跳板總重5.5噸）；

2.水箱配水重（10立方米容積，可調節0～8.5噸重量）；

3.施工人員體重（考慮10人同時站在滑模上）﹔

4.施工機具重；

5.安全係數K取1.3～1.6。

取M14螺栓可以滿足設計，考慮提高安全係數，最終使用M16螺栓。

（三）鋼絲繩安全驗算

滑模提升受力主要考慮以下幾種荷載：

1.滑模及配重和施工人員、機具的總重量在最大坡度條件下沿斜面的分力。

2.滑模導軌上滑動的摩擦力：平直端受的是滑動摩擦力，鼻坎端的立柱受的是滾動摩擦力，為了便於計算，均簡化為滑動摩擦力計算。

3.混凝土附著力：按照常規滑模進行計算。

4.安全係數取1.3～1.6。

經過計算，考慮其他意外情況，適當增加鋼絲繩數量。

（四）滑模在寬度上的要求

為適應氣候晝夜溫差大、蒸發量大的特點，避免由於表面蒸發乾縮產生裂縫，把滑模寬度定為1.5米，以延長混凝土的出模時間。

（五）滑模導軌安裝及穩定性要求

滑模安裝時為了保證混凝土的保護層厚度符合設計要求，防止滑升中滑模跑偏，滑模內側採用在邊坡內側趾板結構外距AB邊5厘米的表面位置支立一根平行鋼管，使滑模的平直端在鋼管上滑動。用能夠控制方向的行走輪托起滑模鼻坎端，行走輪支腿用兩排4根螺旋調節拉桿與滑模鼻坎段連線，以控制行走支腿與趾板邊線的安全距離，通過行走輪在滑模外側鋼管導軌上行走來控制滑模方向。鋼管導軌用Φ50鋼管與Φ25螺紋鋼錨桿焊制，錨筋間距為1.5米，並保證導軌的穩定性滿足滑模行走要求。

（六）滑模配重

滑模配重可以採用混凝土塊、石塊、砂袋、鋼板等。

為了方便趾板坡面對模板拆卸和角度調整，本趾板滑模採用水箱加水作配重。澆築過程中，根據配重需要增減配重水的重量。

趾板滑模安裝正視圖如圖3、圖4所示。

圖3 左岸趾板滑模安裝正視圖

圖4 右岸趾板滑模安裝正視圖

二、趾板澆筑前的準備工作

（一）趾板基礎超挖回填混凝土

趾板基岩的超挖尺寸超過趾板結構厚度的1/3時，應先用C20以上混凝土回填至設計開挖線。

（二）趾板錨桿施工

趾板的錨桿作鉛直方向布設，施工應控制好鑽孔的方向及錨桿的安裝質量。

三、模板安裝

（一）常規模板側模和銅止水安裝

常規模板安裝應提前澆築段進行，並採用內拉法為主。銅止水（F型止水）安裝位置應符合設計圖紙，應採用木模夾緊進行固定。側模及止水支立如圖5所示。

圖5 側模及止水支立圖

（二）滑模安裝

1.導軌及其支撐的安裝

導軌安裝軸線應與澆築段趾板X線平行，內、外側導軌高度與管頂、平直段結構頂部在一條水平線上為宜。

導軌底部的支撐錨桿需要嚴格控制進入圍岩的深度、軸線偏差及間距。支撐錨桿進入基岩的深度不小於1米為宜，並呈鉛直方向安裝。

2.滑模就位安裝

滑模就位應在起坡段位置搭設平台安裝。收光平台部分需要將滑模提升到斜坡段，並拆除安裝平台後安裝。

為了防止空滑時滑模由於擾度下彎拖壞已經綁紮好的鋼筋或減少起始段保護層厚度，在鋼筋上方安放3～4根/48短鋼管，澆築混凝土時將鋼管埋在混凝土內部。

3.滑模伸縮桿的調節

滑模伸縮桿由人工同時對伸縮桿進行調節。當調節角度變大時，調節前應先松水平段和斜坡段之間的連線阻滑螺栓。

（三）滑模的提升及導向設計

滑模提升和導向套用手動葫蘆或卷揚機，儘量採用卷楊機。

滑模提升用卷揚機時，用2台在同一平台並列布置的慢速卷揚機通過鋼絲繩牽引，在趾板改變方向的位置設定兩組動滑輪，利用動滑輪改變滑模牽引力的方向，同時減少卷揚機承受的拉力和滑模滑升速度。宜使用慢速卷揚機，提升速度應該控制在3米/分鐘以下。滑模澆築施工圖見圖6。

圖6 滑模澆築施工

四、滑模澆築趾板混凝土

（一）溜槽布置

根據卸料平台與卸料點之間形成的坡度確定溜槽形式，卸料坡度較大時宜採用溜筒，溜槽宜採用半圓形鐵皮溜槽，在角度和方向改變位置應輔以人工進行控制，防止堵料和翻料。

（二）混凝土入倉澆築及養護

混凝土入倉澆築、養護和收光等工藝與常規滑模澆築相同。主要採用溜槽人倉，人工平倉；滑模提升後立即進行混凝土表面收光，並用養護材料如麻袋、塑膠薄膜、草簾等遮蓋，6~18小時後灑水養護。

（三）趾板的分縫及處理

在結構變化的位置和斷層等地質條件差的部位應設定橫縫，在橫縫中設W形銅止水。止水的細部結構參照面板壓縫止水系統進行設定。

（四）滑模在坡面上的結構調整

當滑模滑升到拐點位置時，一般場地狹窄，此時應將水箱配重水放除，然後根據上段趾板寬度將內側多餘的水箱和底模拆掉，利用卷揚機和底部臨時托架將滑模方向調整到與下一段趾板軸線平行後將導向輪座落到導軌上。

材料設備

《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》對材料設備的要求如下：

加工材料主要採用6毫米厚A3鋼板和10號工字鋼，連線桿與滑模連線的拉環用10~12毫米厚鋼板加工。安全護欄使用Φ50鋼管，跳板使用50毫米厚木板。

一般在左、右岸各需設定一套趾板滑模，單套施工需要配置的主要機具見表1。

表1 趾板滑模澆築施工機具配置表

序號	機具名稱	規格型號	單位	數量	備註
1	拌合站	60型	套	2	由施工布置定
2	混凝土罐車	6立方米	台	4	-
3	卷揚機	10噸	台	2	牽引滑模
4	手動葫蘆	10噸	台	2	備用
5	多自由度趾板異形滑模	10米長	台	2	根據工程設計
6	變頻振搗器	70	台	1	-
7	軟軸振搗器	50	台	2	-
8	木工加工機具	-	套	1	-
9	鋼筋加工機具	-	套	1	-
10	電焊機	-	台	3	-
11	汽車吊	16噸	台	1	-
12	水泵	-	台	1	由供水系統定
13	空壓機	20立方米	台	1	鑽孔、清基

質量控制

施工企業採用《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應採取的質量控制要求如下：

一、滑模加工質量控制

滑模製作要求細心設計、嚴格要求、精心加工。其結構的設計強度、剛度、局部桿件的穩定等符合《鋼結構設計規範》GB17-2003的規定。

滑模設計時應考慮到每段趾板的結構及特點，每一種安裝運行的狀態，並均經過計算機模擬，確保在施工中能夠正常滑升。下料、加工精度應符合鋼結構加工相關規範要求以保證安裝後滑模穩定，達到安裝時各部件能夠互換要求，並按照《鋼結構工程施工質量驗收規範》GB205-2001標準進行驗收。

用於製作的材料材質標準應符合《普通碳素結構鋼技術條件》及其他相關規定。

手工電弧焊使用的焊條應符合《低碳鋼及低合金高強度電焊條》的規定。焊條的型號應與焊接件的金屬強度相對應。

製作工藝與材型選用常規，且必須保證達到材料和焊縫的強度實測值不小於：抗拉、抗壓、抗彎300牛/平方毫米，抗剪175牛/平方毫米。

二、混凝土質量控制

（一）施工前對參與混凝土施工的人員進行安全、質量管理教育，培養和加強員工的安全、質量意識。

（二）開倉前應對澆築倉面、混凝土原材料的準備、施工機械狀況和人員的組織安排進行驗收，保證混凝土在澆築過程中不發生意外停倉事故。

（三）用罐車進行混凝土運輸，保證混凝土在運輸過程中不發生分層離析。

（四）在運輸、澆築過程中，嚴禁施工人員私自往混凝土罐車和倉內加水。

（五）在開倉前應規定罐車行走路線，並保證澆築時段行駛路線的暢通。

（六）混凝土澆築工藝的其他質量控制應該按照《水工混凝土施工規範》DL/T5144-2001標準執行。

三、滑模澆築外觀質量控制

（一）滑模加工、安裝精度應符合《水利水電工程模板施工規範》DL/T5110-2000要求。

（二）混凝土入倉、平倉振搗。

主要用溜槽入倉，人工平倉。

當混凝土自流蓋過鋼筋後改用軟軸振搗器從滑模上口下部往上進行振搗，使滑模面充分接觸混凝土的表面泛漿，同時需防止滑模上口堆積混凝土超過上緣豁口。嚴禁將振搗棒插入滑模底部振搗，防止混凝土從滑模底部暴出，造成質量事故。

（三）滑模提升

混凝土入倉一般30厘米一層，並保證坍落度和入倉速度的穩定。滑模提升速度按照每次提升20~40厘米控制，每小時提升不小於0.3米。標準是出模混凝土表面無光澤，用手輕按有指印，手上不粘混凝土。

（四）滑模提升機械選型

滑模要求在提升過程中速度平穩，不出現跑偏現象。提升設備用液壓系統、卷揚機或手動葫蘆均可。卷揚機提升速度應控制在3米/分鐘以下。安裝時注意保持提升鋼絲繩與趾板的X線在立面上平行。

安全措施

施工企業採用《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

趾板滑模澆築在兩岸坡上進行，安全隱患多，施工中主要採取以下安全措施：

1.在施工前對參加施工的所有人員進行安全技術交底。

2.模板支架須經質量安全管理工作人員進行安全驗收後方可投入使用。現場必須配置專職或兼職安全員，加強施工中的安全監督檢查工作。

3.卷揚機操作工必須經過崗前培訓並持證上崗。

4.嚴禁在架子上打鬧；進行斜坡上的施工人員嚴禁往邊坡下扔雜物。

5.滑模澆築時，必須保證葫蘆掛拉在趾板鋼筋上，防止突然斷電卷揚機失靈造成安全事故。

6.銅止水加工、安裝和澆築後均需要按要求作好保護工作。

7.編制人員、施工人員均應參加安全交底，並按程式做好記錄。調整措施和方案須重新進行審批。

8.止水加工、焊接操作人員必須具備二級以上焊工操作證。

9.定人定期對卷揚機、牽引鋼絲繩、導向滑輪、滑模導軌及支撐架等進行檢查和維護，確保施工安全。

10.遵守工地其他安全、文明施工管理措施及安全操作規程。

環保措施

施工企業採用《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》施工時，應採取的環保措施是：

1.施工人員必須配備足夠的勞動保護用品。

2.連續施工時，現場人員用餐後嚴禁亂扔食品垃圾。

3.澆築收倉後應立即對滑模、振搗棒、溜槽等進行清洗，清除卸料平台、溜槽沿線的混凝土撒落物。

4.嚴禁在施工區燃燒養護材料等燃燒後排放有毒有害氣體的物資。

5.污水應集中沉澱並經處理後排放。

效益分析

中國安能建設總公司採用《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》施工的效益有：

1.模板成本比較

經比較分析，使用滑模澆築比普通模板澆築每立方米混凝土節約成本約占單價的4%。因此採用趾板滑模澆築經濟上是可行的。

2.工期比較

吉林台一級電站工程採用趾板滑模澆築後，施工效率比常規模板澆築提高2~3倍。因此，在工期緊迫的條件下採用滑模澆築更能夠節約澆築時間，為其他項目施工留出寶貴時間。

3.質量比較

經過試驗，採用常規模板澆築的趾板表面容易出現露筋現象，而且表面模板向下，澆築施工時人為對模板的擾動較大，混凝土外觀質量和內在質量均不如滑模澆築混凝土。

套用實例

中國安能建設總公司採用《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》的套用實例如下：

中國安能建設總公司在新疆吉林台一級水電站施工中成功研製和使用了多自由度趾板異形有軌滑模施工。

吉林台一級水電站是喀什河流域規劃中的第十個梯級水電站。電站位於伊犁喀什河中游、吉林台峽谷段中部，是以發電為主，兼顧灌溉和防洪，屬大（Ⅰ）型一等工程。電站裝機容量460兆瓦，水庫總庫容25.3億立方米，調節庫容17.0億立方米，調洪庫容1.5億立方米，死庫容6.8億立方米，調節特性為不完全多年調節。

吉林台一級水電站由混凝土面板砂礫-堆石壩、深孔泄洪洞、表孔泄洪洞、發電引水建築物、發電廠房等建築物組成。

混凝土面板砂礫-堆石壩為1級建築物，壩址區地震基本烈度為8度，抗震設計烈度為9度。最大壩高157米，壩頂高程1425.8米，正常蓄水位.1420.0米，壩頂寬12米。壩體防滲結構為鋼筋混凝土面板，壩體共設有9個分區，壩體主要受力結構為砂礫料填築體，壩體下游部分填築堆石料。

趾板混凝土坐落在新鮮基岩上，與基岩錨桿連線，河槽水平段長57.24米，趾板總長758.62米，最低高程1270米，最高高程1421米；設計混凝土標號為C30、W12、F300，二級配。

根據水頭深度，趾板結構設計成三種形式，A形寬10米、厚0.8米，B形寬8米、厚0.7米，C形寬6米、厚0.6米。

由於壩址處河谷右岸較陡，左岸較緩，使得各段趾板的結構參數均不相同，趾板結構參數見表2。

表2 趾板結構參數表

樁號	長度 （毫米）	厚度 （毫米）	平段長 （毫米）	鼻坎斜長 （毫米）	鼻均斜角	鼻坎頂角	備註
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°	-
465.647540.187	8000	700	3777	3812	13.5°	128.58°	-
540.187~596.092	6000	600	1366	4234	13.5°	128.86°	-
596.092660.408	600o	600	2416	3257	12.56°	128.60°	-
660.48一697.250	6000	600	1377	3987	21.64°	128.66°	-

從趾板結構參數表得知，趾板滑模需要解決的技術難題主要有：

滑模寬度要適應6米、8米和10米的變化，BC邊長度要適應12種變化；

滑模厚度要適應0.6米、0.7米和0.8米三種變化；

滑模鼻坎段CD邊長度要適應12種變化；

滑模鼻坎段要適應∠α、∠β和∠θ三個角度24種變化；

根據契約檔案對大壩填築的進度要求，趾板混凝土分期進行澆築，澆築進度計畫見表3。

表3 趾板混凝土澆築進度計畫表

澆築分期	高程（米）	長度（米）	混凝土量（立方米）	澆築時段
一期	1270~1281	110.34	998.67	2003.4.20~2003.5.31
二期	1281~1365	395.88	2940.58	2003.6.1~2003.9.30
三期	左岸1365~1385	170.83	915.98	2003.10.1~2003.10.31
	右岸1365~1385

混凝土澆築總工期2003年4月20日至10月31日，總計7個月，滑模澆築混凝土總方量為4917.23立方米，平均澆築強度為702.46立方米/月，高峰澆築強度25立方米/小時。

該工程趾板滑模設計的剛度、繞度均符合規範要求，同時也滿足澆築施工方便、調試操作簡單的要求。趾板異型滑模在該工程中的成功套用是趾板混凝土澆築按計畫完成的重要技術保障，同時為大壩在2003年度完成300萬立方米填築任務創造了條件，為實現2004年下閘蓄水發電目標奠定基礎。

榮譽表彰

2009年10月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2009]162號”檔案發布《關於公布2007-2008年度國家級工法的通知》，《面板堆石壩多自由度趾板異型有軌滑模施工工法》被評定為2007-2008年度國家二級工法。