狹小空間高落差混凝土運輸澆筑系統研究

□王 茹 □王五洲 □郝保興（河南科源水利建設工程檢測有限公司）

0 引言

在目前工業、民用、道路、水電等基礎工程的建設中，有時受地形及空間條件的影響，如山區深峽谷修建水工結構、地下峒室、隧道或豎井等工程，在澆筑混凝土時，常無法修建施工便道及臨時施工場地，換言之，難以采用常規方案施工。此時，一般需要采取其他輔助或特殊的施工方法，若方案選擇不當或缺乏理論、經驗支撐時，往往會導致成本增加、施工效率低下或質量難以保證等問題。目前，針對搞落差澆筑混凝土方面，應用較為成熟的仍是考慮采用高落差向下泵（輸）送混凝土方案，即利用自重將拌合好的混凝土通過溜管經緩流器從高處送往低處。這一方法對工作面要求低，大福減少泵送能耗，加快了混凝土澆筑速度，而對于混凝土在高落差下形成的高速度導致離析現象則可通過設置緩流器予以解決，該技術目前已在水利工程得到了較為廣泛的應用。

當然，目前高落差向下泵（輸）送混凝土技術仍然存在諸多問題，如缺乏系統的理論、試驗研究以及數值分析等，特別是混凝土高落差下離析問題依然沒有得到有效解決。為此，本文依托河口村水庫泄洪洞進水塔工程，該工程存在施工作業面狹小，常規混凝土施工方案無法滿足工程建設需求等諸多實際問題亟待解決，擬通過方案必比選、緩流器設計開發以及桁架穩定分析等角度展開研究，以便在確保混凝土性能的前提下，保障工程的順利進行，縮短建設工期，從而提高工程的經濟效益。

1 工程簡介與施工方案

1.1 工程簡介

河口村水庫是一座以防洪、供水為主，兼顧灌溉、發電、改善河道基流等綜合利用的大（2）型水利樞紐。工程沿壩軸線從右往左依次為混凝土面板堆石壩、溢洪道、引水發電洞、1#泄洪洞及2#泄洪洞，壩下游400 m的左岸布置有大、小電站廠房。其中，進水塔為2級建筑物，相鄰兩個進水塔高度分別為102m和86m，均為岸坡式建筑物，混凝土工程量13.20萬m3，塔體采用限裂設計。進水塔混凝土運輸系統的確立是本工程順利實施的關鍵。

1.2 方案比選

混凝土熟料從拌和系統出來后經水平運輸和垂直運輸到澆筑作業面，施工中，需要根據地形、工程量、混凝土性質和企業能力等采用不同的運輸方式。對于水平運輸，中小型工程一般采用斗車或罐車，大型工程一般采用罐車、自卸汽車或皮帶機運輸；對于垂直運輸，中小型工程一般采用溜槽、人工翻倉、汽車吊、輸送泵等，大型工程一般采用塔式起重機、門式起重機、塔帶機和纜機等。根據本工程的特點，擬定三種方案，分別是泵送方案、塔帶機方案以及皮帶機方案，分別進行技術與經濟比較，詳見表1。

由表1可知，結合施工場地狹窄，進水塔澆筑方量大，溫控要求高等特點，從施工強度、成本控制等方面出發，最終確定優選皮帶機方案，即皮帶機、box管與倉面布料機聯合混凝土運輸方案，具體為：在施工道路旁架設皮帶機（簡稱1#機）進行水平運輸，通過鉛直布設的box管進行垂直運輸，box管的下端再架設一條皮帶機（簡稱2#機）把混凝土輸送給倉面布料機，3600旋轉的倉面布料機兩端掛直徑420 mm的象鼻溜管進行倉面布料，當完成2～3個澆筑層（一般每層3 m）需要上升布料機時，用900 tm塔式起重機把2#皮帶機和布料機提升布設，進行下一循環的作業。混凝土運輸系統布置如圖1所示。

表1 三種方案的技術、經濟與效率比較表

圖1 皮帶機運輸方案圖

1.3 緩流器的設計

皮帶機方案設計一個關鍵技術是如何高效合理緩沖高落差混凝土，以保證混凝土性能穩定。在生產中，已有科研人員提供一種用于混凝土垂直運輸的緩沖裝置，采用轉動導葉和“人”形管，通過混凝土直接垂直落在轉動導葉上進行緩沖，但這種緩沖裝置不僅對轉動導葉的強度要求很高，而且所采用的緩降裝置，容易造成堵管現象，整體不能從根本上解決對管道的沖擊，緩沖裝置壽命大大降低。針對這一技術難題，如圖2所示文章設計一種用于混凝土垂直運輸的緩沖裝置（緩降器）。緩降器可通過模具鑄造，緩降原理為：由進料管和出料管并排放置連通而成，進料管的底端設有清料活門，進料管的中部開設有緩流口，出料管的頂部與進料管通過緩流口連通連接；進料管的頂部和出料管的底部設有連接法蘭；進料管的頂部設有連接法蘭，出料管的底部設有滑流口，滑流口的下側的滑流板為傾斜放置，傾斜角度為10～15°；進料管和出料管管徑為270～330 mm，緩流口的高度為450～550 mm；進料管上設有觀察活門；清料活門與緩流口之間的緩沖段高度為400～750 mm。

圖2 緩流器實物與結構示意圖

采取該緩流器后，工程實踐表明：一是在高落差、高坡度進行混凝土垂直運輸過程中，一方面防止混凝土自由落體產生骨料分離，另一方面避免高落差對管壁和管下方的皮帶機造成的嚴重的損傷；二是管道內的骨料不會自由落體下落，而會成為流體狀，在管道中的流動相當于二次攪拌，使得混凝土混合更加均勻；三是不出現卡堵現象，可通過清料活門清除和更換緩沖材料，還設有觀察活門，一方面對物料的流速進行調整觀察，另一方面能夠及時清理內腔；四是結構簡單，安裝方便，不需在高落差垂直運輸時在中部修建中轉站，縮減施工工期、降低施工成本。

2 桁架穩定性分析

2.1 計算模型與條件

混凝土運輸系統豎直高度90 m，皮帶機跨度69 m，一號剛站柱 (中心水平投影形心坐標X=25.88 m，Y=60 m)豎直高度取30 m，二號剛站柱(中心水平投影形心坐標X=49.88 m，Y=69 m)豎直高度取21 m。建模時，利用Ansys有限元分析軟件，采用桁梁混合模型[5-6]對混凝土輸送桁架進行建模，其中二力桿采用Link8桿單元模擬，生成空間桁架結構體系模型；考慮到實際的混凝土輸送桁架結構中，連接主材的節點板或法蘭的剛度通常很大，將主材作為剛接的梁單元，用梁單元Beam4來模擬。最終形成以link8和beam4兩種單元類型組合形成的三維模型，模型共有單元934個，節點386個。模型中，設定的各部分材料屬性，見表2。

表2 材料屬性表

本次分析擬通過Ansys的有限元計算，確定垂直運輸系統中的桁架結構（剛站柱、扶壁支撐、皮帶機、布料機）的承載能力和穩定性。

2.2 計算結果分析

仿真計算結果如圖3、圖4和表3所示，其中圖5為桁架結構變形圖，桁架結構應力圖，通過反演過程不同載荷的受力情況，分別為在自重荷載基礎上分別增加48，144，240，432 kN。由計算結果可知，隨著荷載的不斷增加，當承受自重和432 kN的等效運輸組合荷載時，單元最大應力18.341 MPa，18.341 MPa，接近桁架節點容許應力18.29 MPa；在此最大荷載下，能夠滿足混凝土運輸澆筑的穩定需求。

圖3 桁架結構最大承載變形圖

3 結論

文章針對河口村水庫進水塔施工場地狹窄，常規混凝土施工方案無法滿足質量、強度、經濟等需求的問題，通過多方案比選最終確定采用皮帶機方案，并建立以皮帶機、box管與倉面布料機聯合桁架系統的混凝土運輸澆筑體系。

針對該方案中存在的混凝土澆筑過程易出現離析的關鍵技術問題，設計了一種緩流器，有效實現了高落差混凝土澆筑的防離析保性能的目的。此外，針對桁架系統澆筑運輸承載能力和穩定性問題，采用大型通用商業軟件Anasys對其進行三維仿真計算與分析，結果表明該桁架系統穩定性佳，承載能力完全能夠滿足工程高峰時段混凝土運輸澆筑的需求。

圖4 桁架結構最大承載應力圖

[1]胡曉日.緩降溜管在思林水電站碾壓混凝土垂直運輸中的應用[J].貴州水力發電,2007,21(6):31-39.

[2]王道平,舒非敏,李小斌.高落差遠距離泵送混凝土施工技術生產實踐[J].中國礦山工程,2009,38(1):25-28.