趙　斌, 郭志強

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司， 云南昆明 650000)

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藏木水電站纜機吊罐取料平臺設計與施工

趙斌, 郭志強

(中國葛洲壩集團第六工程有限公司， 云南昆明 650000)

【摘要】藏木水電站纜機吊罐取料平臺為鋼結(jié)構(gòu)，取料平臺布置在右岸壩肩3309.75 m高程邊坡, 可利用右岸壩頂公路作為汽車運輸供料平臺。受料平臺所處邊坡陡峭，多處存在倒懸體等不利邊坡，采用常規(guī)的開挖方式形成吊罐取料平臺，則將壩頂公路的寬度縮窄4 m，不能滿足汽車運輸要求。藏木水電站纜機吊罐取料平臺結(jié)合現(xiàn)場實際地形及現(xiàn)有條件，采用三角架作為支撐鋼結(jié)構(gòu)，錨桿混凝土支墩作為三角架基座，充分利用了鋼結(jié)構(gòu)制作工藝簡單、安拆便利、運行維護方便等特點，成功滿足了纜機吊罐取料平臺滿負荷工作兩年的需求,為趕工提供了可靠保障。

【關鍵詞】藏木水電站；取料平臺；設計；施工

1工程概況

藏木水電站工程為二等大(2)型工程，開發(fā)任務為發(fā)電，無航運、漂木、防洪、灌溉等綜合利用要求。壩址控制集水面積157 668 km2，占我國境內(nèi)全流域面積240 480 km2的65.6%。壩址處多年平均流量1 010 m3/s，水庫正常蓄水位3 310.00 m，相應庫容0.866×108m3，調(diào)節(jié)庫容0.13×108m3，校核洪水位3 310.61 m，死水位3 305.00 m，具備日調(diào)節(jié)能力。壩后式廠房內(nèi)安裝6臺85 MW發(fā)電機組，總裝機容量510 MW，設計引用流量1 071.3 m3/s，額定水位差53.5 m，多年平均年發(fā)電量25×108kW·h。

2纜機取料平臺鋼結(jié)構(gòu)設計

纜機吊罐取料平臺主要依靠三角架做支撐，錨桿混凝土墩為基座，以混凝土墩中的抗剪錨桿和三角鋼架為受力分析對象，利用力學結(jié)構(gòu)模型進行三角鋼架的設計。

2.1荷載計算

三角鋼架所承受的荷載：立罐自重4.8 t；6 m3混凝土6×2.4 t/m3=14.4 t；單榀三角架自重2 t；總重4.8 +14.4+2 =21.2 t。由于自卸汽車往立罐卸料時存在沖擊荷載，因此考慮1.3的系數(shù)，則三角鋼架總荷載F=21.2 t×1.3 =27.56 t。因此纜機取料平臺鋼結(jié)構(gòu)平臺按28 t荷載進行設計。

圖1　三角鋼架內(nèi)力計算

2.2內(nèi)力計算

三角鋼架間距為3 m，考慮最不利工況下的受力情況，即單榀三角鋼架承受全部28 t荷載進行計算。按極端不利情況F集中在三角架末端進行受力分析(圖1)。

2.3強度和穩(wěn)定性驗算

2.3.1工況一

荷載F作用于A點，此最不利工況下AC桿件承受的壓力最大，故按最大壓力進行設計。

(1)AC桿件為軸向受壓桿件，承受最大軸心壓力為323 kN。選用2[16a槽鋼,A=43.91 cm2,Wy=57.76 cm3,iy=3.01 cm, 長細比λ=320/3.01=106，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.517，則Fac/A=323×1000/4391=73.56 N/mm2<φ[σ]=0.517×170=87.89 N/mm2。滿足強度和穩(wěn)定性要求。

(2)BC桿件為軸向受拉桿件，承受最大軸心拉力為166 kN。選用2[16a槽鋼,A=43.91 cm2,Wy=57.76 cm3,iy=3.01 cm,長細比λ=330/3.01=110，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.493，則Fbc/A=166×1000/4391=37.8 N/mm2<φ[σ]=0.493×170=83.81 N/mm2。滿足強度和穩(wěn)定性要求。

(3)DE桿件為軸向受拉桿件，承受的軸向拉力為191 kN。選用2∠80×8角鋼，A=24.61 cm2,Wy=40.68 cm3,iy=3.77 cm,長細比λ=175/3.77=46.4，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.8804，則Fde/A=191×1000/2461=77.61 kN<φ[σ]=0.8804×170=150 N/mm2，滿足強度和穩(wěn)定性要求。

(4)DF桿件為軸向受壓桿件，承受的軸向壓力為206 kN。選用2∠80×8角鋼，A=24.61 cm2,Wy=40.68 cm3,iy=3.77 cm,長細比λ=165/3.77=44，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.882，則Fdf/A=191×1000/2461=77.61 kN<φ[σ]=0.882×170=150 N/mm2，滿足強度以及穩(wěn)定性要求。

(5)EF桿件為軸向受拉桿件，承受的軸向拉力為151 kN。選用2∠80×8角鋼，A=24.61 cm2,Wy=40.68 cm3,iy=3.77 cm,長細比λ=150/3.77=40，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.899，則Fef/A=151×1000/2461=61.36 kN<φ[σ]=0.889×170=153 N/mm2，滿足強度以及穩(wěn)定性要求。

(6)兩榀三角鋼架橫向連接的剪刀撐水平向受力取(1/10)F即28 kN,則與其45°方向的剪刀撐受力為39.6 kN。剪刀撐為受壓桿件，承受軸向壓力位39.6/kN。選用2∠63×5角鋼，A=12.29 cm2,Wy=16.45 cm3,iy=3.04 cm,長細比λ=420/3.04=138，查表可得穩(wěn)定系數(shù)φ=0.351，則Fdf/A=39.6×1000/1229=32.22 kN<φ[σ]=0.351×170=59.67 N/mm2，滿足強度以及穩(wěn)定性要求。

(7)兩榀三角鋼架之間搭接7根3 m長的工字鋼形成纜機吊罐取料平臺。考慮在不利情況下只有4根平均受力，則每根平均受集中力70 kN。在中點處存在最大彎矩M=F×l/2=35×1.5=52.5 kN·m。選用I 25a工字鋼，A=48.51 cm2，Wx=401.4 cm3，Ix=5 017 cm4，間距47.5 cm,則σ=M/W=52.5×1000000/(401.4×1000)=130.8 N/mm2<[σ]=170 N/mm2，滿足強度要求。

2.3.2工況二

由于工況一不是AB桿件的最不利情況，因此在工況二的情況下即28 t重量全部作用在AD段的中點。則在AD、BD中點處有最大彎矩M=F×l/2=280×1.5/2=105 kN·m。選用2[28a槽鋼，A=40.034 cm2,Wx=678.93 cm3,Ix=9505.1 cm4，σ=M/W=105×1000000/(678.93×1000)=154.7 N/mm2<[σ]=170 N/mm2，滿足強度要求。

2.3.3工況三

鋼板焊接在工字鋼上，考慮只有4根受力，間距0.5 m,考慮14 t重量均布荷載在兩根工字鋼之間的鋼板上，鋼板按簡支梁模型計算。則在中點處有最大彎矩M=F×l/8=140×0.5/8=8.75 kN·m,按最大許用應力設計鋼板厚度b。W=M/[σ]=8.75×1000000/215=40.69 cm3,鋼板為矩形截面h×3 m，W1=bh2/6≥W=40.69，可得b的臨界值為0.902 cm，采用10 mm厚鋼板可以滿足要求。

2.4節(jié)點板及焊縫設計

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計手冊》附表20規(guī)定，每1 cm長、焊腳10 mm高的直角角焊縫設計承載力為11 kN。

本三角鋼架節(jié)點板均為12 mm厚鋼板，各桿件與連接板之間采用三面圍焊，焊縫高度不小于10 mm，焊縫長度為10 cm。根據(jù)桿件內(nèi)力、構(gòu)造要求及制作工藝確定節(jié)點板尺寸。

2.5支墩錨桿設計

2.5.1下支墩錨桿設計

在工況一的情況下通過BC桿件將力傳遞給下支墩，對邊坡上的C點受力分析得：

T=Facsin52°=323×sin52°=254.5 kN

Q=Faccos52°=323×cos52°=198.5 kN

選用φ32的錨桿，則單根錨桿的最大拉力[T]=A×[σ]=(πr2/4)×170 N/mm=136.65 kN; 最大剪力[Q]=(πr2/4)×90=72.35 kN。

因此,要同時滿足下支墩所受的拉力與剪力則錨桿至少選取3根，考慮到一定的安全儲備故選擇6根φ32的錨桿。

2.5.2上支墩錨桿設計

在工況三的情況下即28 t重量全部集中作用在B點處，通過上支墩將力傳遞到邊坡上，對B點受力分析得：

T=Fcos68°=280×cos68°=104.9 kN

Q=Fsin68°=280×sin68°=259.6 kN

選用φ32的錨桿，則單根錨桿的最大拉力[T]=A×[σ]=(πr2/4)×170 N/mm=136.65 kN;最大剪力[Q]=(πr2/4)×90=72.35 kN。

因此,要同時滿足下支墩所受的拉力與剪力則錨桿至少選取4根，考慮到一定的安全儲備故選擇6根φ32的錨桿。

3纜機取料平臺施工

纜機取料平臺布置在右岸大壩(壩)0-012.00 m～(壩)0+120.00 m范圍，供料平臺上平臺布置于高程3 313.75 m處，預留25 cm路面混凝土，在工程完工時澆筑混凝土路面；同時在下平臺以上超挖邊坡處做回填混凝土擋墻來增加上平臺的寬度(可增加4～5 m寬)，以提高自卸汽車運行效率；下平臺三角鋼架布置于高程3 309.21 m處，在其上敷設工字鋼，然后敷設10 mm厚鋼板形成下平臺；下平臺高程為3 309.75 m，上下平臺高差4 m，下平臺寬度3 m；在下平臺下方布置一個簡易鋼管平臺作為今后受料平臺的檢修棧橋，同時在(壩)0+120.00 m處布置一臨時鋼爬梯，用于連接上下平臺及檢修棧橋。

3.1纜機取料平臺布置

纜機取料平臺布置于右岸壩頂公路臨江側(cè)的邊坡上，吊罐取料平臺設置于3 309.75 m高程，距右岸壩頂公路垂直高度4 m，平臺寬3 m，且在壩頂公路臨江側(cè)布置30 cm高的擋車坎，以利于控制自卸汽車卸料位置，同時滿足自卸汽車向6 m3立罐卸料的高度要求。為便于對纜機取料平臺的安全運行和維護，在鋼結(jié)構(gòu)取料平臺臨空側(cè)設置擋渣欄并在鋼結(jié)構(gòu)平臺底部布置檢修平臺。纜機取料平臺布置見圖2。

3.2纜機鋼結(jié)構(gòu)取料平臺施工

3.2.1錨桿混凝土基座施工

(1)基座錨桿概況。錨桿混凝土基座是整個鋼結(jié)構(gòu)平臺的主要著力點，而錨桿是施工關鍵，根據(jù)上述支墩受力分析，經(jīng)驗算可知，上基座中的錨桿采用6根φ32、L=4.5 m的螺紋鋼加工而成，錨桿形式為“L”，垂直段長4.05 m，水平彎折0.45 m，鉆孔孔徑50 mm，孔深3.7 m，孔斜向下傾斜不大于5°；下基座中的錨桿同樣采用6根φ32、L=3.0 m的錨桿，錨桿形式為“L”，垂直段長2.55 m，水平彎折0.45 m，鉆孔孔徑50 mm，孔深2.2 m，孔斜向下傾斜不大于5°。同時對于右岸邊坡坡比小于1∶0.3的坡(尤其是“倒懸”巖體)，需在上下基座范圍內(nèi)增設1～2根φ32螺紋鋼，L=1.5 m,鉆孔深度1.2 m、外露0.3 m的水平方向錨桿，增加支墩錨桿的抗剪能力。

(a)平面圖

(b)斷面圖圖2　纜機取料平臺布置

(2)錨桿施工方法。采用“先注漿后插桿”的程序，鉆孔形成后，先將孔內(nèi)用高壓風吹干凈，采用注漿器注漿，注滿后立即將錨桿插入孔內(nèi)，然后再在孔口處補漿，在孔口處用“倒楔鐵”打緊。

采用YT28手風鉆鉆孔，孔徑50 mm，重點控制鉆孔的孔位、孔向和孔深。以便注漿后保證錨桿外露部分不超高，確保錨桿在支墩混凝土體型內(nèi)。水泥砂漿等級為M30。施工時應確保注漿密實度，以保證錨桿施工質(zhì)量。出現(xiàn)塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，應在對應孔位重新掃孔或是在基座范圍內(nèi)的臨近部位重新開孔，并對原廢孔進行回填處理。在插桿的過程中若出現(xiàn)錨桿無法深入至孔底的情況，則由人工進行旋擰逐步使錨桿深入孔底或是在錨桿端部人工采用重錘錘擊深入孔底。在旋擰或錘擊的過程中均要保證錨桿孔內(nèi)水泥砂漿的飽滿度，不得出現(xiàn)濺射或大幅度流淌的現(xiàn)象，確保水泥砂漿對錨桿的握裹力滿足要求。在水泥砂漿強度未達到設計要求前，不得拔出、敲擊、擾動錨桿。

(3)基座混凝土澆筑。在錨桿無損檢測合格后，在基座四周圍繞錨桿綁扎鋼筋，同時在頂面預埋錨板，按照每榀三腳架設計要求，嚴格控制上下基座錨板頂面高程?；捎媚灸Ａ⒛＃x用φ50的軟軸振搗器振搗。振搗時間以混凝土不再顯著下沉、不出現(xiàn)氣泡并泛漿為宜，同時避免振搗過度?？紤]上下基座均為小體積混凝土，為避免過早拆模出現(xiàn)溫度裂縫，因此緩拆模，拆模后及時進行灑水養(yǎng)護。

(4)擋墻混凝土澆筑。由于前期開挖爆破時，超挖部位較多，邊坡巖石較為破碎，裂縫較多，且存在軟弱夾層，因此在混凝土澆筑前需進行基礎處理。對于黏土巖類夾層及其它軟弱夾層、破碎巖石基礎和斷層、裂隙等采用人工撬挖刻槽法處理，深度、寬度由設計及監(jiān)理人現(xiàn)場確定。對于基巖上的雜物、泥土及松動巖石、有害淤泥、松散軟弱夾層等均清除。在混凝土澆筑之前，表面采用高壓水或其他方法進行徹底清洗，并排凈積水。清洗后的基礎巖面在混凝土澆筑前保持潔凈和濕潤。在澆筑當中，將混凝土搗實。倉面振搗按順序進行，以免造成漏振。對于鋼筋較密集部位采取人工平倉并加強振搗，防止漏振。冬期混凝土澆筑時段必須選擇在白天高溫時段。

由于在3 304.00 m高程以上，(壩)0-006.00 m～(壩)0+021.00 m范圍屬于19#壩段大壩建基面，因此在混凝土澆筑至3 304.00 m高程以上時，在0+382.50～0+387.50 m范圍、(壩)0-006.00～(壩)0+021.00 m范圍預留5 m寬深槽，先期作為吊罐取料平臺用于大壩主體混凝土澆筑，后期拆除鋼結(jié)構(gòu)平臺后，恢復19#壩段主體結(jié)構(gòu)。其中為保證該段新澆混凝土與該段右岸壩肩回填混凝土擋墻緊密結(jié)合，施工時對該段不設永久縫，設置施工縫，采用13.5 m一段，即分為(壩)0-006.00～(壩)0+007.50 m、(壩)0+007.50～(壩)0+021.00 m兩段，施工縫面布設鍵槽、插筋，對該段擋墻臨河面分縫位置[(壩)0+007.50]上下游各1.5 m范圍內(nèi)的鋼筋網(wǎng)進行調(diào)整，鋼筋采用φ32螺紋鋼，形成并縫鋼筋，限制縫面張開影響大壩結(jié)構(gòu)。(壩)0-006.00～(壩)0+021.00 m段混凝土覆蓋基礎上按照原設計圖紙要求，布設接觸灌漿、止水槽等；在回填混凝土擋墻臨河面(壩)0-001.50～(壩)0-000.60 m布設兩道豎向銅片止水，并與止水槽止水搭接。(壩)0-006.00～(壩)0+021.00 m段回填混凝土擋墻臨河面預留一排鍵槽、插筋，鍵槽采用頂面尺寸2.5 m×2.0 m×0.3 m(長×高×深)，鍵槽斜坡坡度采用1∶2，在鍵槽底部兩排布置φ32的插筋，插筋間距排距50 cm,在鍵槽上下游段各布置一列φ32的插筋，間距50 cm，插筋深入混凝土內(nèi)1.5 m,外露1.5 m。

預留槽后澆混凝土與先澆塊之間的順水流方向施工縫處理時，在(壩)0-001.50 m、(壩)0-001.00 m部位設置兩道銅止水，銅止水高程3 304.50～3 313.50 m，水平及垂直施工縫面均設置φ32插筋，間排距1.5 m×1.5 m，插筋深入混凝土內(nèi)1.5 m,外露0.75 m。施工縫具體布置見圖3。

(a)斷面圖

(b)平面圖圖3　施工縫布置

3.2.2三角鋼架的吊裝

(1)鋼結(jié)構(gòu)采用25 t平板車運輸?shù)桨惭b部位后，對構(gòu)件進行檢查。若有變形情況，當構(gòu)件的變形超出允許偏差時，采取校正措施進行矯正后再進行安裝。

(2)鋼結(jié)構(gòu)的吊裝根據(jù)現(xiàn)場條件，采用25 t汽車吊，并用3 t卷揚機輔助吊裝。

(3)鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，根據(jù)安裝單元的結(jié)構(gòu)形式和重量，選擇安全可靠的安裝機械和器具，保證現(xiàn)場人員的安全和鋼結(jié)構(gòu)的精度和穩(wěn)定。

(4)鋼結(jié)構(gòu)采用擴大拼裝單元進行安裝時，對容易變形的構(gòu)件進行強度和穩(wěn)定性驗算，必要時采取加固措施。

(5)鋼構(gòu)件的連接接頭按施工圖紙規(guī)定檢查合格后方可連接。

(6)鋼結(jié)構(gòu)安裝偏差的檢驗，在結(jié)構(gòu)形成空間剛度單元并連接固定后進行。鋼平臺(鋼蓋板)、鋼梯和鋼欄桿安裝的允許偏差，遵照GB 50205-95表C-4的規(guī)定執(zhí)行。平臺、蓋板外觀表面焊縫磨平。

4纜機吊罐取料平臺的運行維護

4.1纜機吊罐取料平臺的運行

纜機高線供料平臺平均寬度為20 m，按平均4 m寬劃分一條單向車道，高線供料平臺運輸?shù)缆钒?條單向車道規(guī)劃布置。車道線采用白色油漆進行劃線，反射能力強，色彩鮮明，反光度強，白天、夜晚都有良好的能見度；同時具有抗滑性和耐磨性，以保證行車安全和使用壽命。外側(cè)①號為3#、4#纜機待料車道，②號車道為1#、2#纜機待料車道，中間③號車道為過境通道，主要為下游至上游通道，內(nèi)側(cè)④號、⑤號車道為卸完料空車返回車道，由上游過境的車輛也可借用此車道。①號、②號車道是自卸汽車自拌和樓取料后經(jīng)4#公路運輸至高線供料平臺時專用車道。

為保證高線供料平臺的高效運行，對壩頂公路設置18名交通指揮員，實行三班倒制度，每班6人，洞口1人，6#路1人，每臺纜機各1人。所有混凝土、材料運輸車輛以及其他過往車輛均需服從指揮人員的指揮，任何其他無關車輛均不得占用混凝土運輸專用車道。在4#隧洞下游側(cè)設置2個車位(暫定)，用于檢查人員以及工作人員上下班接送車輛的?？俊Ｔ诟呔€供料平臺上游側(cè)的6#公路路旁可作為設備臨時停放處，但設備停放時間不得超過24 h，停放時間超過24 h的機具、設備，均要求統(tǒng)一停放在上游側(cè)的2#渣場。

4.2纜機吊罐取料平臺的維護

為確保纜機高線供料平臺的正常維護以及環(huán)境衛(wèi)生，在高線供料平臺布置12名清潔工人，其上下班實行三班倒制度，每班安排4人對高線供料平臺進行清掃，清掃的垃圾以及棄渣采用小斗車裝運至統(tǒng)一位置，再由裝載機每天定期進行處理，25 t自卸汽車運送至3#渣場進行棄渣。同時，在4#隧洞出口的下游側(cè)，安置一個移動廁所，安排專人每天進行衛(wèi)生打掃，并每天安排灑水車早中晚3次進行灑水，保證施工現(xiàn)場揚塵高度不超過0.5 m。

5纜機鋼結(jié)構(gòu)取料平臺運行期內(nèi)的變形監(jiān)測

為確保纜機取料平臺在兩年的運行期內(nèi)安全可靠運行，在(壩)0-012.00 m～(壩)0+120.00 m范圍鋼結(jié)構(gòu)平臺內(nèi)布置4個永久監(jiān)測斷面，其中1#斷面(樁號(壩)0+011.00)、4#斷面[樁號(壩)0+096.00]布置測縫計、傾角計、鋼板計各1支，2#[樁號(壩)0+053.80]、3#[樁號(壩)0+069.00]斷面布置測縫計1支，鋼板計、傾角計各2支。變形監(jiān)測儀表布置見圖4。

(a)1#、4#斷面布置

(b)2#、3#斷面布置圖4　變形監(jiān)測儀表布置

纜機吊罐取料平臺共布置4個監(jiān)測斷面，分別布置有測縫計、傾角計、鋼板計，分別監(jiān)測纜機供料平臺與邊坡結(jié)合情況、供料平臺鋼結(jié)構(gòu)下平臺自身傾斜變形情況及鋼板應變。從整個運行期內(nèi)的監(jiān)測成果來看，供料平臺與邊坡結(jié)合良好(側(cè)縫計開合度普遍在3.5 mm以內(nèi))，供料平臺自身傾斜變形量小(傾角計傾斜量均在0.8°以內(nèi))，平臺三角鋼支撐架鋼板應變量在-305.2 μξ以內(nèi)。從各監(jiān)測成果過程線來看，過程線平緩，未見有突變和異?，F(xiàn)象。并結(jié)合現(xiàn)場巡視檢查，纜機供料平臺除3#斷面鋼支撐架頂部鋪面鋼板長期受料罐沖擊導致鋼面板變形外，三角鋼支撐架體與邊坡未見有明顯的脫離和傾斜變形。

6結(jié)束語

藏木水電站右岸纜機取料平臺經(jīng)過兩年多運行期的實踐證明，施工單位自行設計的高線供料鋼結(jié)構(gòu)平臺不僅滿足了藏木水電站施工要求，而且較之常規(guī)的開挖方案，拓展4～5 m寬壩頂公路，節(jié)約了施工投入，降低施工成本，同時充分考慮纜機使用效率，為纜機高效運行提供條件。

參考文獻

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[作者簡介]趙斌(1969～)，男，本科，工程師，研究方向：水利水電工程施工技術；郭志強(1987～)，男，學士，助理工程師，主要從事水利水電施工技術管理。

【中圖分類號】TU392.1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-11-17