殷本林

(中國水利水電第七工程局有限公司,成都 611730)

1 工程概況

1.1 工程簡述

南水北調中線工程焦作段施工三標位于河南省焦作市區(qū),全長3.4 km,明渠為高填方渠堤。斷面為梯形,底寬21 m[1],內坡邊坡系數1∶2,外坡邊坡系數1∶1.5～1∶2,渠道縱坡1/29 000。渠道設計過水流量265～320 m3/s。渠道襯砌混凝土設計為C20W6F150纖維混凝土,渠底厚10 cm,邊坡厚12 cm,全斷面襯砌,襯砌至堤頂高度,高填方渠堤薄壁纖維混凝土襯砌斷面見圖1。

圖1 高填方渠堤薄壁纖維混凝土襯砌斷面

1.2 工程特點和難題

(1)工程渠坡長達3 km,填方最高20 m以上,渠道襯砌面板厚12 cm,薄壁且無筋?；：推囱b模板等常規(guī)施工方法進行渠道襯砌澆筑面板施工效率低,質量缺陷多。

(2)大型渠道采用薄壁襯砌,因面板較薄,過水流量較大,試通水后面板拉裂情況比較常見。需研究混凝土的抗裂性,采用纖維混凝土等方式,保證薄壁混凝土襯砌的抗裂性和抗?jié)B性要求。

(3)在渠道混凝土襯砌厚度、表面平整度、密實度及光潔度等設計指標要求高的前提下,應用大型渠道機械化襯砌在國內較少,襯砌設備使用技術比較匱乏,設備選型及使用技術等掌控難度大。

2 無筋薄壁纖維混凝土研究及應用

通過開展理論研究,表明:纖維增強體對混凝土材料具有阻裂、增強、增韌、防滲作用,能保證薄壁混凝土襯砌的抗裂性和抗?jié)B性要求。選擇不同類型的纖維增強材料,進行組合試驗,確定滿足工程設計指標要求的纖維混凝土配合比。

2.1 纖維混凝土試驗研究

2.1.1 配合比設計要求

在纖維增強材料的種類和工作機理研究的基礎上,借鑒纖維工程在水利工程中的應用實例,進行配合比設計試驗,配制符合表1設計指標要求并適應工程的纖維混凝土材料。選擇3種不同廠家生產的纖維材料與其他原材料進行交叉配合試驗,確定出最優(yōu)的材料配合方案。

表1 纖維混凝土主要設計指標

2.1.2 試驗原材料

試驗所需要的原材料包括:水泥、細骨料、粗骨料、粉煤灰、減水劑、引氣劑、拌合水和特種纖維等。各類材料既要滿足表征自身特性的技術條件,還要考慮水工混凝土施工的規(guī)范要求。待選用的纖維材料有3種。

2.1.3 配合比試驗

(1)試驗研究思路

根據配合比設計要求,通過經驗公式計算或合理范圍判定,確定滿足主要指標的普通混凝土的配合比。

在此基礎上,分別摻入3種纖維制成4類試件,得到4類混凝土試件的力學參數匯總表,見表2?；炷翐饺氩煌睦w維材料后,試件力學性能(抗壓強度和劈拉強度)都有所提高。

表2 混凝土試件力學性能匯總

通過試驗結果(見表3、表4),得出摻入不同纖維材料后,混凝土的防滲、抗裂、彈模等耐久性要求有明顯的降低,試件干縮濕脹性能有提高,干縮情況也得到改善[1]。

表3 混凝土試件耐久性能匯總

表4 混凝土試件干縮濕脹性能試驗結果

(2)試驗研究結果

根據普通混凝土和杜列纖維混凝土的試驗結果對比分析,得出:加入纖維增強材料后,表征混凝土抗裂性和防滲性的指標有了顯著改善。如“軸心抗拉強度”提高了15.5%,“極限拉伸指標”提高了43.7%,“干縮濕脹指標”降低了13.5%,說明摻入纖維后,有效增強了對混凝土抗裂、抗?jié)B性能提高的貢獻[2]。通過綜合比選,選定表4最后一種纖維材料作為混凝土增強纖維。

2.2 纖維混凝土性能數值模擬

采用三維有限元對渠道邊坡的普通混凝土和纖維混凝土的受力特性進行了分析,考慮對稱性,分析計算模型取其一半。纖維混凝土和普通混凝土的力學參數參考配合比的試驗取值見表5。施工期混凝土面板溫度取常溫18℃,通水后取水溫4℃,線膨脹系數為12×10-6/℃。計算內容包括:地應力平衡,渠道邊坡的填筑,襯砌面板的澆筑,通水之后襯砌面板降溫引起的溫度荷載。

表5 仿真計算材料參數取值

通過計算,纖維混凝土施工的襯砌面板在通水后最大主應力為2.78 MPa,小于抗拉強度3.15 MPa,說明采用纖維混凝土后,保證了降溫荷載不會引起襯砌開裂。而采用普通素混凝土計算的最大拉應力達到3.17 MPa,超過自身的抗拉強度2.88 MPa。仿真計算結果表明:高填方渠道選用纖維混凝土襯砌的方案是合理的,配合比試驗獲得纖維混凝土提高了抗拉和防滲性能。

3 渠道襯砌機設計改造

3.1 渠道襯砌機

渠道堤身混凝土襯砌機主要采用滑模式,襯砌機動力是由外部電力系統(tǒng)提供,行走系統(tǒng)為軌道自行式。使用的混凝土襯砌機為PHB23000C型混凝土襯砌機,主要技術參數適應本工程渠道坡面混凝土襯砌的要求,該型襯砌機經過在南水北調其他標段施工應用驗證,綜合性能完全滿足施工要求。

3.2 渠道襯砌機設備改造

在設備選型的基礎上,開展現場生產試驗,對設備進行改裝,在料箱內安裝混凝土高頻振搗棒,振搗棒采用φ30振搗棒,振搗棒距離為40 cm,布置兩排,焊接在斜向皮帶布料機下方桁架上。在開動螺旋輸料器把混凝土均勻地攤鋪后,高頻振搗棒振搗。

3.3 渠道襯砌機機械化施工工藝

結合大型渠道混凝土施工情況,在纖維混凝土的配合試驗完成以后,通過研究總結出渠道襯砌機混凝土施工工藝流程如圖2所示。

圖2 渠道襯砌機械化施工工藝流程

4 渠道襯砌機械化施工

4.1 施工輔助與準備

4.1.1 渠床整理

渠床整理主要是采用削坡機鋪設軌道削坡或者采用挖掘機粗削后人工精削的方式。

首先,用削坡機進行大面削坡,測量放線后,按設計坡比和預留保護層厚度,確定削坡機進刀深度和削坡次數,確保削坡質量。

然后,用挖掘機粗削人工精削,開挖或填筑成型后,測量檢查和復核輪廓尺寸。

4.1.2 保溫板鋪設

保溫板鋪設自下而上,沿渠道軸線方向有序錯縫鋪設。鋪設中,隨時使用敲打法檢查保溫板與建基面是否緊貼密實,并檢測塊間接縫是否緊密順直,大面是否平整。

每一塊鋪設完畢后,及時使用長度適宜的U型鋼釘及時固定,U型鋼釘頂部應略低于保溫面板2 mm左右。每塊保溫板不少于3個釘固定,呈梅花狀布置,以保溫板穩(wěn)固不翹起為準。

4.1.3 土工膜鋪設焊接

土工膜鋪設由坡肩滾鋪至坡腳,渠坡和渠底結合部以及和下段待鋪的復合土工膜部位要預留規(guī)范和設計要求的搭接長度。

復合土工膜鋪設完成一段距離后,及時實施連接施工。每班焊接施工前須進行工藝試驗,確定施工參數。

4.2 機械化襯砌

上述襯砌輔助項目施工完成后進行機械化襯砌。機械化襯砌包括襯砌機安裝調試、纖維混凝土試配、混凝土布料振搗、抹面收光等。

4.2.1 襯砌機安裝調試

在襯砌機生產廠家技術人員的指導下進行安裝調試,調試應遵循“先分動,后聯(lián)動;先空載,后負荷;先慢速,后快速”的原則[3]。

4.2.2 混凝土鋪料振搗

采用螺旋布料器和皮帶輸送機布料,混凝土至布料機接料口,進入集料箱,啟動螺旋輸料器均勻布置。布料寬度達到成型機寬度后,開動成型機,開始二次振搗、提漿和整平。

4.2.3 混凝土抹光收面

混凝土布料振搗完成后,適時進行混凝土的抹面提漿作業(yè)?；炷恋哪ケP自下向上進行抹面作業(yè)。磨盤的壓痕約為磨盤直徑的1/3。機械抹面遍數一般控制在2遍以內[4]。采用靠尺檢測平整度。人工收面壓光應在混凝土初凝前完成,人工收面壓光工具采用鋼抹子,遍數控制在2遍以內,第1遍對混凝土進行初步找平,第2遍對混凝土進行壓光處理。抹面施工時嚴禁灑水、撒水泥漿。

4.3 面板伸縮縫施工

發(fā)明《一種溝渠襯砌切縫定位裝置》實用新型專利用于人工切縫時更加高效地對齊切縫,使所切縫更加平整。人工切縫,切割時通過手柄連桿機構,轉動手輪進行切割深度的調節(jié)。切縫施工宜在襯砌混凝土達到初凝抗壓強度后施工,切割縫采用A、B兩組份密封膠填充。

5 結論

高填渠堤無筋薄壁纖維混凝土機械化襯砌施工技術,通過工藝試驗,采用纖維混凝土對無筋薄壁渠堤起到阻裂、增強、增韌、防滲的作用,有效控制渠道襯砌混凝土早齡期的塑性收縮裂縫,阻止硬化混凝土的溫度和收縮裂縫。對現有襯砌機進行創(chuàng)新改造,一次性完成混凝土布料、振搗、提漿和擠壓成型等工作,自動完成渠堤的襯砌。主要形成結論為:

(1)針對薄壁襯砌沖水易開裂的問題,提出了高填方渠道纖維混凝土襯砌施工方案。通過配合比試驗,獲得高填方渠道薄壁混凝土襯砌的配合比參數,為襯砌機械化施工提供了材料的質量保證。通過配合比試驗的分析對比,表征纖維混凝土抗裂性和防滲性的指標有了顯著改善。并采用數值分析方法,對試驗參數進行了對比計算,說明普通素混凝土容易發(fā)生開裂,無法滿足施工要求;模擬纖維混凝土襯砌面板通水后,襯砌面板沒有開裂。說明纖維混凝土由于變形模量的降低和抗拉強度的提高,保證面板不會開裂,解決了高填方渠段薄壁襯砌施工材料的難題。

(2)針對大型渠道襯砌設備應用少,施工技術匱乏的難題,通過工程類比和裝置改進探索,研究了適合高填方渠段薄壁纖維混凝土機械化襯砌施工的機械設備。在設備選型的基礎上,開展現場生產性試驗,確定最終的施工技術參數。在南水北調焦作段三標工程的運用結果顯示,機械設備通過改進,提高了適用性和靈活性,施工技術參數也保證了機械化施工高效率、高質量完成。

(3)針對工程量大、施工工序多的特點,在施工前進行了系統(tǒng)研究,結合現場生產性試驗,總結出合理的施工工序,保證施工有條不紊地進行,提高機械化施工效率,并對特殊施工條件,做好應急準備方案。在混凝土切縫注膠密封施工中,針對“傳統(tǒng)膠槍”或“人工填塞膠液”的不足,研制出了《一種渠道襯砌聚硫密封膠灌膠機》,避免傳統(tǒng)施工方法導致膠液損耗量大的問題,降低了成本,提高了工作效率,容易控制密封質量。

(4)發(fā)明了《一種溝渠襯砌切縫定位裝置》實用新型專利,用于人工切縫時更加高效地對齊切縫,使所切縫更加平整,高效地提升切縫效率,減少薄壁混凝土溝渠的混凝土開裂風險。