劉明忠,李 鋒,陳崇德
(湖北省漳河工程管理局,荊門 448156)
東風(fēng)渠灌區(qū)位于湖北省宜昌市東南部,灌區(qū)國土面積2437km2,人口63.85萬人,耕地面積7.9萬hm2,其中有效灌溉面積6.84萬hm2,主要水源從長江北岸一級支流黃柏河?xùn)|支的尚家河水庫引水。
普溪河渡槽位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)普溪河村,宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠樁號11+830~12+833.42處。全長1003.42m,其中進(jìn)口明渠段58.11m,進(jìn)口漸變段15m,進(jìn)口連接段30m(2節(jié)×15m),預(yù)應(yīng)力渡槽段800m(單節(jié)40m×20節(jié)),出口連接段15m(1節(jié)×15m),出口轉(zhuǎn)彎段70.31m,出口漸變段15m;渡槽大高度61.5m,縱坡1/600,設(shè)計流量15.0m3/s,加大流量18.0m3/s; 槽身斷面為矩型,斷面尺寸4.3m×3.45m(寬×高),槽身凈空尺寸3.1m×2.6m(寬×高),側(cè)壁最小截面寬度0.3m,預(yù)應(yīng)力簡支梁結(jié)構(gòu); 槽身結(jié)構(gòu)為C50W4F100鋼筋混凝土整體澆筑,采用DZS40/500上行式矩形造槽機在原位置逐跨澆筑。
原渡槽建于1970年,經(jīng)過40多年的運行,槽身、底板、排架混凝土大面積剝蝕,鋼筋裸露,老化損壞嚴(yán)重。槽身混凝土強度范圍在9.5~19.4MPa,碳化平均深度25.2mm,排架立柱混凝土強度范圍14.7~20.5MPa,碳化平均深度23.7mm,槽身底板橫向、側(cè)墻縱向配筋,斜截面抗剪強度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,渡槽在現(xiàn)狀工況下處于不安全運行狀態(tài),需要拆除重建。
2.2.1 槽身設(shè)計
采用單孔空箱簡支結(jié)構(gòu),頂部設(shè)通氣孔,每節(jié)槽身設(shè)25束鋼絞線,兩端各預(yù)留0.6m待張拉完成后進(jìn)行第二期混凝土澆筑,可利用造槽機機械化施工。
2.2.2 槽墩排架設(shè)計
槽墩高度小于15m的采用單肢排;墩槽高度小于35m的采用雙肢排架;墩槽高度大于35m的采用空心墩;墩槽高度大于45m的采用空心墩與實心墩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。其中排架柱、基礎(chǔ)、實心墩及墩帽采用C30混凝土,空心墩采用C40混凝土。
2.2.3 槽墩
依據(jù)地質(zhì)條件和槽墩高度,槽墩采用明挖擴大基礎(chǔ),采用鋼筋混凝土灌注樁,樁徑1.2m,間距4.3m,垂直水流方向布置3排,間距3.7m,樁深入微風(fēng)化層3m以下。
2.2.4 槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計
槽身水力計算采用明渠均勻流公式。槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面尺寸如圖1。
圖1 槽身斷面尺寸
可沿槽身縱向取1.0m長的脫離體,按平面要求進(jìn)行橫向計算。作用在脫離體上的荷載兩側(cè)的剪力差平衡,側(cè)墻與底板交結(jié)處可視為鉸接,槽內(nèi)水位取至槽頂作為控制條件,按不利斷面進(jìn)行配筋計算[1]。
支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計按最不利工況為滿槽+橫向風(fēng)荷載計算。
普溪河渡槽采用簡支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,對槽身及支承結(jié)構(gòu)的形式和最小配筋進(jìn)行了分析計算。該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,技術(shù)成熟,風(fēng)險系數(shù)和施工難度系數(shù)較小,有較好的經(jīng)濟(jì)性和實用性。
3.1.1 普溪河渡槽混凝土澆筑特點
①設(shè)計為高標(biāo)號混凝土(C50);②槽身斷面尺寸小,其中側(cè)墻厚度僅0.3m;③最大高度61.5m,風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.86; ④受橫穿主梁的懸挑外肋及挑梁阻擋影響,混凝土入倉進(jìn)料孔間隙小,難以采用天泵直接入倉澆筑;⑤跨度較大,現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土。因而混凝土澆筑工程難度較大[2]。
3.1.2 配合比試驗
依據(jù)當(dāng)?shù)乜晒┑?、?jīng)檢驗合格的不同產(chǎn)地的水泥、細(xì)骨料、粗骨料、煤粉灰、抗裂摻和物、外加劑等原材料,以及防滲、抗凍、抗裂等要求,擬定15種不同的配合比,每種配合比試塊為6組,在不同溫度條件下進(jìn)行對比試驗,分別求得各混凝土試塊初凝、終凝時間,4h(因底板混凝土澆筑時間在4h左右)塌落度經(jīng)時損失值,以及養(yǎng)護(hù)3,7,28d后的混凝土抗壓強度等。經(jīng)過分析,最終選定適合于工程特點的配合比,即每立方米混凝土中,水泥、煤粉灰、江砂、黃砂、碎石、外加劑、水、纖維素的比例為1∶0.128∶0.298∶1.19∶2.23∶0.027∶0.362∶0.0019。
3.1.3 槽身混凝土實測指標(biāo)
11#~22#槽身混凝土實測指標(biāo)如表1。
表1 11#~22#槽身混凝土實測指標(biāo)
其中19#~22#槽身混凝土澆筑時,內(nèi)模溫度較高,不便于人工操作,采取了通風(fēng)設(shè)備后,溫度有所下降。
按上述混凝土配合比,并滿足一定的施工條件,混凝土的和易性、泵送性、坍落度、擴散度、抗壓強度等各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,能較好的指導(dǎo)施工[3]。
依據(jù)普溪河渡槽為大跨度、小截面、端部高、矩形封閉式箱梁槽身等施工特點,對DZS40/500造槽機結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化[4]。
3.2.1 箱式導(dǎo)梁改為桁架形式
由于主梁與導(dǎo)梁截面突變,導(dǎo)致在主梁與導(dǎo)梁下部連接處產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力集中問題較突出,優(yōu)化的方法是:(1)通過焊接拼接板并用高強螺栓與主梁連接;(2)將導(dǎo)梁改為桁架結(jié)構(gòu),降低工程造價;(3)增加主梁與桁架結(jié)構(gòu)間連接的漸變段,逐步改變受力形式。
3.2.2 延長主梁下部受力支撐區(qū)域截面加強范圍
在實際操作過程中,受造槽機加工、安裝及各支撐位置水平精度和混凝土澆筑面平整度誤差等因素影響,各支點難以做到絕對水平,導(dǎo)致各支點間內(nèi)力呈隨機紊亂分布狀態(tài),尤其是2#支腿一旦出現(xiàn)支墊超高,在過跨后期3#支腿提前脫空,將導(dǎo)致2#支腿對應(yīng)的主梁下部未加強區(qū)域承受超設(shè)計荷載,極有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)的問題。優(yōu)化的方法是:從導(dǎo)梁連接處起往3#支腿方向延伸至35m范圍,增加主箱梁下部支撐面與腹板內(nèi)外側(cè)倒角筋板及豎向截面強化筋板,并加強橫向、豎向筋板間等。
3.2.3 增加內(nèi)模系統(tǒng)倒角蓋模
造槽機出廠時因考慮自動收縮折疊,故未在內(nèi)模倒角接觸部位設(shè)計蓋模。在澆筑第二層混凝土過程中,內(nèi)模倒角易翻出大量的混凝土,其側(cè)向壓力對已平倉的混凝土(第一層)形成擾動,既降低了槽身混凝土的澆筑質(zhì)量,也增加了清理工作量,同時也延長了槽身混凝土澆筑時間。優(yōu)化的方法是:底板混凝土澆筑完成后,在倒角模板外側(cè)增加蓋模,蓋模一側(cè)嵌入倒角模板底邊2cm處固定,外側(cè)采用鋼管頂撐模板。經(jīng)過試驗對比,確定蓋模寬度為0.4m,確保了內(nèi)倒角澆筑質(zhì)量,縮短了澆筑時間,且操作簡單。
3.2.4 解決造槽機內(nèi)外模板系統(tǒng)變形的問題。
DZS40/500造槽機安裝完成后,內(nèi)模系統(tǒng)由于整體剛度較強,造成上下游兩端部約0.25m不能向下調(diào)整到位以及內(nèi)外模的變形過程不一致。其后果可能是:澆筑完成的槽身頂板厚度不夠(設(shè)計0.25m,澆筑完成后0.225m),底板過水面保護(hù)層過大 (設(shè)計0.05m,澆筑完成后0.075m>規(guī)范0.0625m),進(jìn)一步還會影響到槽身底板設(shè)計縱坡(如圖2),導(dǎo)致水的流態(tài)發(fā)生變化,危及槽身的結(jié)構(gòu)安全。
圖2 槽身縱坡曲線示意
優(yōu)化的方法是: 增加連接限位桿將內(nèi)梁上下游兩端由原來50t千斤頂支撐在墩帽上的方式。改為由吊桿直接與主梁連接,內(nèi)梁受力方式由上下端2支點、中部4吊點(如圖3),優(yōu)化為上下端2吊點、中部4吊點(如圖4)的方案,將內(nèi)梁通過連接桿懸掛于主梁底部,形成整體聯(lián)合受力,既解決了變形不一致的問題。也解決了槽身頂板和底板保護(hù)層厚度的問題,滿足設(shè)計縱坡的要求。
圖3 造槽機上下端2支點、中部4吊點示意
圖4 造槽機上下端2吊點、中部4吊點示意
3.2.5 增設(shè)外模頂口線可調(diào)節(jié)桿件
造槽機外側(cè)上部行走平臺外檐與外肋之間配置了48個頂絲,但未設(shè)計頂絲固定和拉回裝置,施工中發(fā)現(xiàn)頂絲調(diào)節(jié)模板線條時,很難協(xié)調(diào)一致,效果不明顯;又由于無固定裝置,混凝土振搗棒振搗時,頂絲容易掉落,給下方通過的人、車造成了安全隱患。優(yōu)化方法是:在外模頂口、外肋上焊接固定耳板座,設(shè)48個可調(diào)節(jié)撐桿替換所有上口頂絲,并按45°角布置,其操作性簡單,穩(wěn)定性、安全性可靠,線條順直易于控制。
3.2.6 增加高空避雷裝置和安全防護(hù)設(shè)施
造槽機未設(shè)計高空避雷裝置,雨季施工時設(shè)備和施工人員均存在重大安全隱患。解決的辦法是增設(shè)高空避雷裝置和開、合方便的上部頂棚;墩帽是施工過道和平臺,造槽機未設(shè)計安全防護(hù)設(shè)施,解決的辦法是在墩帽增設(shè)安全防護(hù)欄。
優(yōu)化后的DZS40/500造槽機主要由主梁、外模系統(tǒng)、內(nèi)模系統(tǒng)、1#~4#支腿、端模、起升小車、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、配重塊及其他附屬結(jié)構(gòu)等組成。主梁由4#支腿和1#支腿分別支撐與上下游兩個墩帽頂部,橫穿主梁側(cè)面設(shè)有12根挑梁,挑梁上懸掛有外肋,外肋在挑梁上橫移實現(xiàn)外模的開、合模功能,當(dāng)外模合攏時可形成40m跨的槽身的施工平臺; 當(dāng)外模張開時,主梁攜帶外模系統(tǒng)由有行走功能的3#腿和2#腿的液壓動力驅(qū)動下移動過跨; 另外起升小車可承擔(dān)垂直運輸任務(wù),移動2#腿前后運動,無需配備其他設(shè)備。
3.3.1 混凝土澆筑難點分析
(1)普溪河渡槽單跨槽身混凝土澆筑量較大,澆筑時間較長。經(jīng)計算,單跨槽身混凝土量約200m3,澆筑時間約需12h左右。
(2)由于截面狹窄、鋼筋及波紋管布置密集,混凝土入倉及振搗棒振搗的空間窄小,稍有不慎就會出現(xiàn)質(zhì)量問題。
(3)混凝土在澆筑時除保證其強度、抗?jié)B和抗凍等指標(biāo)外,還必須具有較大的坍落度及較長的緩凝時間。
(4)為避免澆筑過程中產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象,保證混凝土澆筑密實,無蜂窩、麻面、孔洞及表面溫度裂縫等問題,需制定合理的澆筑及振搗方案和科學(xué)完善的混凝土養(yǎng)護(hù)措施[5]。
3.3.2 工藝研究
經(jīng)過多方案比較、論證,不斷試驗、探索,DZS40/500上行造槽機在每一節(jié)預(yù)應(yīng)力槽身施工流程如下:
(1)首跨施工工藝流程:施工準(zhǔn)備→梁體拼裝→內(nèi)、外模安裝調(diào)試→預(yù)壓試驗→外模安裝調(diào)試→底板及側(cè)墻鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力張拉錨固→灌漿封錨。
(2)標(biāo)準(zhǔn)施工工藝流程:上跨施工完成→造槽機過跨及就位→外模安裝調(diào)試→底板及側(cè)墻鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力張拉錨固→灌漿封錨→二期混凝土澆筑。
3.3.3 關(guān)鍵點控制
(1)造槽機過跨、安裝。
很快一個月過去了,當(dāng)我把變賣廢紙所得的56元錢高高舉在孩子們面前時,大家一個個興奮不已,甭提有多自豪了。
(2)內(nèi)外模調(diào)試。
(3)鋼筋與預(yù)應(yīng)力波紋管制安。
(4)內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定。
(5)混凝土澆筑分層控制(第1層底板、第2層倒角、第3~7層側(cè)墻、第8層頂板),如圖5。
(6)混凝土養(yǎng)護(hù)。
圖5 40m槽身澆筑層劃分示意
(1)原材料選擇與混凝土配合比試驗。對原材料進(jìn)行比較優(yōu)選,對擬定的各種配合比方案進(jìn)行試驗,在滿足混凝土可施工性能的基礎(chǔ)上減少水化熱量。
(2)溫度控制。采取噴灑水霧、設(shè)置遮陽棚等方式,降低骨料、水和摻和料的物理溫度;在攪拌車上部及泵管上覆蓋遮陽材料并定時灑水,降低混凝土入倉溫度;槽身混凝土拆模前,控制內(nèi)部與外部溫度差<15 ℃;改善混凝土的拌合加工工藝,控制混凝土出機口溫度等; 通過試驗建立混凝土出機口溫度與現(xiàn)場澆筑溫度之間的關(guān)系,并采取有效措施減少混凝土運送過程中的溫升等。
(4)加強混凝土養(yǎng)護(hù)。保溫養(yǎng)護(hù):采取鋼模外貼30mm厚聚氨酯保溫板,混凝土面層覆蓋兩膜兩毯一油布的保溫措施,混凝土內(nèi)外溫差不大于15 ℃;保濕養(yǎng)護(hù):適時補充與混凝土同溫度的養(yǎng)護(hù)水;設(shè)置遮陽和擋風(fēng)設(shè)施,避免薄壁結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)溫度裂縫等。
3.5.1 預(yù)應(yīng)力損失構(gòu)成
普溪河渡槽為大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽,預(yù)應(yīng)力損失主要有:鋼束與管道間摩擦引起的摩阻損失;錨具變形,鋼絲回縮引起的錨固損失;分批張拉時,混凝土彈性壓縮引起的損失;鋼筋松弛引起的應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力損失等。
3.5.2 張拉計算方案
采用大型通用空間有限元軟件MIDAS/Civi對各張拉方案進(jìn)行仿真分析,在槽身頂部、側(cè)墻、底梁、底板等部位,分析不同張拉順序,不同張拉步驟對預(yù)應(yīng)力的損失,尋求鋼絞線合理的張拉順序及布設(shè),最終確定采用對稱張拉方案用于工程施工。
監(jiān)測與理論計算結(jié)果數(shù)據(jù)相差不大,并有較好的正相關(guān)關(guān)系[6]。
(1)供水效益明顯。普溪河渡槽的運用,引水流量由12.5m3/s恢復(fù)到15.0m3/s,滿足灌溉用水需求;同時將上游明渠正常運行水位降低了0.57m,提高了渠道運行安全系數(shù);改變了老渡槽帶病運行的狀況,減輕了管理工作難度。
(2)利用大跨度小截面預(yù)應(yīng)力渡槽造槽機施工,解決了常規(guī)方法模板支撐結(jié)構(gòu)施工的難度,特別是高度較高的渡槽,其支撐結(jié)構(gòu)工程量大,且受天氣條件的制約。
(3)DZS40/500造槽機自動化控制程度較高,極大地減少、減輕了高空作業(yè)的工作量,提高了施工安全保障。
(4)在施工中提出并優(yōu)化的項目,如:箱式導(dǎo)梁改為桁架形式,延長主梁下部受力支撐區(qū)域截面加強范圍,解決造槽機內(nèi)外模板系統(tǒng)變形的問題,增加內(nèi)模系統(tǒng)倒角蓋模,增設(shè)外模頂口線可調(diào)節(jié)桿件,增加高空避雷裝置和安全防護(hù)設(shè)施等,均被造槽機生產(chǎn)廠家采納,對于持續(xù)推進(jìn)造槽機設(shè)備在水利工程中的應(yīng)用有一定意義。
(1)節(jié)省投資。經(jīng)分析,與T梁+上部澆筑槽身的方案相比,造槽機方案主要減少了人工、材料和特種機械的資金投入,預(yù)應(yīng)力槽身共20節(jié),平均每節(jié)槽身節(jié)省投資36.316 萬元,20節(jié)槽身共節(jié)省投資726.32萬元。
(2)縮短工期。造槽機過跨及外模合攏僅需1d,即可為后續(xù)施工工序提供施工平臺; 同時槽身C50W4F100鋼筋混凝土7d可達(dá)到設(shè)計強度的90%左右,即可進(jìn)行張拉,總工期縮短2個月左右。
減少了植被破壞面積。采用造槽機施工,減少了槽身原位現(xiàn)澆下部支撐結(jié)構(gòu)及支撐材料加工、堆碼場,椐測算,減少了施工擾動造成的水土流失面積約2萬m2。
采用DZS40/500造槽機在大跨度小截面預(yù)應(yīng)力槽身混凝土施工,依據(jù)工程質(zhì)量、安全保證的需要,不斷對造槽機進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化,確保了工程施工的順利進(jìn)行和按時完成,為類似工程的施工提供了可資借鑒的經(jīng)驗,同時將水利工程施工與科學(xué)研究結(jié)合起來,符合水利工程建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的趨勢。