漢陰洞河水庫(kù)負(fù)壓溜槽運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田鵬鵬

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710068）

1 概況

1.1 工程概況

洞河水庫(kù)樞紐工程位于安康市漢陰縣以東8 km的澗池鎮(zhèn)境內(nèi)，地處漢江北岸月河一級(jí)支流洞河下游，是一座以灌溉、供水為主，兼有發(fā)電和防洪等綜合利用效益的Ⅲ等中型工程，可控制灌區(qū)面積4.57萬(wàn)畝，電站裝機(jī)容量3430 kW，年發(fā)電量797.52萬(wàn) kW·h。

樞紐工程由攔河壩、溢流表孔、泄洪底孔、引水洞、電站廠房和變電站等建筑物組成。攔河壩為碾壓混凝土拋物線雙曲拱壩，壩頂高程397.5 m，最大壩高65.5 m，壩底寬15.645 m,壩頂寬6.5 m，壩頂上游弧長(zhǎng)264.473 m。

1.2 地質(zhì)概況

大壩壩址位于洞河下游段，地貌形態(tài)屬侵蝕中低山區(qū)，洞河在此呈NE向，河谷左岸地形較陡，坡度50°～60°。右岸單薄山梁高程375 m以上表部巖體裂隙發(fā)育，斷層破碎帶及影響帶造成巖體風(fēng)化嚴(yán)重，普遍松弛，破裂結(jié)構(gòu)為主，為Ⅳ級(jí)巖體。

2 安裝規(guī)劃方案

洞河水庫(kù)主體工程碾壓混凝土雙曲拱壩由于施工地形的限制，前期臨時(shí)上壩道路已無(wú)法滿足366.0 m高程以上碾壓混凝土的繼續(xù)施工。針對(duì)右岸壩肩槽以及兩側(cè)邊坡上壩道路特點(diǎn)，如采用常規(guī)墊渣形成臨時(shí)道路的運(yùn)輸方式，右岸下游邊坡巖體陡峭，危險(xiǎn)系數(shù)大，運(yùn)距長(zhǎng)，難以滿足拱壩大體積的運(yùn)輸需求。通過(guò)在右岸397.5 m平臺(tái)布置負(fù)壓溜槽和皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)，能夠及時(shí)解決這個(gè)技術(shù)為題，同時(shí)也節(jié)約了運(yùn)輸成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

本套負(fù)壓溜槽結(jié)合皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)塔架共6個(gè)，底部基礎(chǔ)為固定于基巖上的1.5 m×1.5 m鋼筋混凝土現(xiàn)澆平臺(tái)，為方便安裝，下部3個(gè)桁架將在運(yùn)至右壩段358.1 m高程壩面后，使用汽車吊由上至下進(jìn)行安裝；上部3個(gè)桁架將運(yùn)至右壩肩397.5 m高程平臺(tái)由下至上進(jìn)行安裝。

施工過(guò)程中測(cè)量人員嚴(yán)格配合安裝人員保證桁架水平方向與溜槽方向一致，并保證豎直方向垂直于水平面。方向調(diào)整完畢，將桁架底部與提前預(yù)埋在C30混凝土基礎(chǔ)中的插筋焊接，并使用Φ8高強(qiáng)度鋼絲繩在桁架2/3處進(jìn)行對(duì)角斜拉，鋼絲繩錨固在壩肩槽上下游基巖中，確保鋼絲繩連接好后處于拉緊受力工作狀態(tài)。

在基礎(chǔ)安裝完成后，再固定溜槽兩排I18工字鋼，工字鋼焊接∠70×70×7角鋼反桁架，用來(lái)增強(qiáng)工字鋼的剛度及整體性，在工字鋼上焊接爬梯用于在負(fù)壓溜槽的安裝和在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生堵管后人工疏通溜槽提供平臺(tái)。之后安裝皮帶運(yùn)輸機(jī)，并利用焊接在工字鋼上的爬梯安裝負(fù)壓溜槽，最后安裝集料斗。

3 系統(tǒng)組成及參數(shù)布置設(shè)計(jì)

3.1 主要組成及運(yùn)行方式

此系統(tǒng)在右壩肩397.5 m高程回車平臺(tái)布置1套18m3卸料斗、1套深槽式負(fù)壓溜槽以及1條15 m皮帶機(jī)（D=800 mm）沿平臺(tái)左側(cè)邊坡通過(guò)壩基槽坡度轉(zhuǎn)換延伸至現(xiàn)場(chǎng)施工工作面，保證高程366.0 m以上碾壓混凝土順利入倉(cāng)。

（1）負(fù)壓溜槽坡度為42°，由于設(shè)計(jì)開(kāi)挖壩基槽坡度為36°，需要在水平段布置皮帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)料，調(diào)整坡度至42°，系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表1。為滿足碾壓混凝土卸料要求以及減小對(duì)集料斗的不間斷磨損，集料斗采用6 mm厚鋼板焊接，外側(cè)采用50×5 mm角鋼作加勁肋。負(fù)壓溜槽下半部采用6 mm鋼板制成的半圓形，上半部覆蓋10 mm厚柔性耐磨橡膠板，使用夾板固定連接，每段3 m，中間和兩端用6 mm鋼板作支撐以方便安裝，尺寸見(jiàn)圖1、圖2。

表1 系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 集料斗結(jié)構(gòu)尺寸

圖2 溜槽結(jié)構(gòu)尺寸

（2）系統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)支撐的穩(wěn)定性，桁架底部尺寸設(shè)計(jì)為1 m×1 m，上部尺寸0.9 m×0.9 m，外側(cè)豎直方向?yàn)椤?0×70×7角鋼，內(nèi)部起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)部分采用∠50×50×5角鋼。使用Φ8高強(qiáng)度鋼絲繩在桁架2/3處進(jìn)行對(duì)角斜拉。系統(tǒng)支撐桁架基礎(chǔ)采用C30混凝土澆筑平臺(tái)，尺寸設(shè)計(jì)為1.5 m×1.5 m，并在基礎(chǔ)內(nèi)深入基巖1.5 m插注4根Φ25錨桿，外露1.0 m,錨固基礎(chǔ)混凝土平臺(tái)。

（3）負(fù)壓溜槽槽體架設(shè)在桁架之間相連的兩根I18工字鋼橫梁上，工字鋼槽身下游側(cè)設(shè)人工檢修通道，采用∠50×50×5角鋼和Φ25鋼筋焊接而成，并設(shè)扶手。皮帶運(yùn)輸機(jī)下游側(cè)同樣用∠50×50×5角鋼和Φ25鋼筋焊接人行通道，用于檢修。見(jiàn)圖3。

圖3 工字鋼與爬梯結(jié)構(gòu)

（4）負(fù)壓溜槽系統(tǒng)整體布置見(jiàn)圖4，使用20t自卸汽車通過(guò)溫洞路與右岸施工道路將碾壓混凝土運(yùn)輸至397.5 m平臺(tái)后，將混凝土傾倒于平臺(tái)末端的集料斗中，通過(guò)集料斗輸送至皮帶運(yùn)輸機(jī)上，轉(zhuǎn)動(dòng)碾壓混凝土至轉(zhuǎn)料斗，最后混凝土通過(guò)負(fù)壓溜槽送至施工工作面。

圖4 負(fù)壓力溜槽整體布置圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)設(shè)計(jì)

負(fù)壓溜槽系統(tǒng)的支撐體系采用角鋼焊接的鋼結(jié)構(gòu)桁架作為主要承重結(jié)構(gòu)，桁架四根承重角鋼采用∠70×70×7標(biāo)準(zhǔn)角鋼，中間結(jié)構(gòu)角鋼采用∠50×50×5標(biāo)準(zhǔn)角鋼，在桁架上搭工字鋼用來(lái)固定負(fù)壓溜槽，桁架由底到頂2/3處用四根Φ8高強(qiáng)度鋼絲繩對(duì)角斜拉，鋼絲繩錨固在兩側(cè)山體，用以保證桁架穩(wěn)定性。以下為系統(tǒng)運(yùn)行中的溜槽受力及穩(wěn)定性驗(yàn)算，根據(jù)對(duì)實(shí)際安裝所需尺寸中的最不安全尺寸進(jìn)行驗(yàn)算，取桁架高13 m,所支撐溜槽長(zhǎng)度9 m，如驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，即證明負(fù)壓溜槽系統(tǒng)支撐體系是安全可靠的。

3.2.1 荷載

1）恒載

①負(fù)壓溜槽自重：鋼槽壁自重（π/2×0.6×9）m2×0.462 kN/m2=3.919 kN，托架鋼板自重 0.805 m2×6×0.462 kN/m2=2.231 kN， 兩側(cè)∠50×50×5 角鋼自重（2×9）m×0.0369 kN/m=0.664 kN，上側(cè)橡膠：（π/2×0.6×9×0.01）m3×1.274 kN/m3=0.108 kN；

②混凝土自重：24 kN/m3×（π×0.32×9）m3=61.073 kN；

③工字鋼自重：0.237 kN/m×9 m×2=4.266 kN，工字鋼上爬梯鋼筋自重：0.0378 kN/m×100.8 m=3.810 kN，工字鋼上70×7角鋼自重：0.0725 kN/m×12.6 m=0.914 kN；

④支撐桁架自重：∠70×70×7角鋼自重：13 m×4×0.0725 kN/m=3.77 kN,∠50×50×5 角鋼自重：（4×4×13+4×1.414×4×12）m×0.0369 kN/m=10.18 kN；

則：NG=3.919+2.231+0.664+0.108+61.073+4.266+3.810+0.914+3.77+10.18=90.935 kN。

2）活載

施工荷載取NQ=5 kN；總荷載：N總=NG+NQ=90.935 kN+5 kN=95.935 kN；每根70×7承重角鋼底部受力N=N總/4=95.935 kN/4=23.984 kN。

為安全起見(jiàn)在驗(yàn)算過(guò)程中取N=1.4N=33.578 kN。

3.2.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)關(guān)于軸心受壓的規(guī)定：

式中，N為軸心拉力或軸心壓力大小；A為軸心受力桿件的凈截面面積。

安全系數(shù)205 MPa/35.63 MPa=5.75。負(fù)壓溜槽支撐體系的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

式中，Φ為軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，與λ有關(guān)。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》-(GB50017-2003)，λ=l/ix=100/2.16=46.296，ix為回轉(zhuǎn)半徑。由于Q235鋼屬于b類截面，查表附錄D-2，安全起見(jiàn)取λ=50時(shí)的Φ值0.852。所以：

該支撐體系的受力穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 實(shí)用情況

洞河水庫(kù)負(fù)壓溜槽和皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)施工布置歷時(shí)45天，在正式輸送碾壓混凝土之前，進(jìn)行了多次試驗(yàn)性運(yùn)行，各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)良好，可以有效保證倉(cāng)面的施工進(jìn)度和設(shè)計(jì)溫控措施要求。為使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、高效地運(yùn)行，自身不受到系統(tǒng)故障的影響，項(xiàng)目組織專人維護(hù)保養(yǎng)，在4個(gè)方面進(jìn)行了備用考慮：（1）在卸料斗與集料斗之間設(shè)置行人通道，以保證系統(tǒng)在不間斷運(yùn)行時(shí)做局部的維修和故障處理；（2）在負(fù)壓溜槽上游397.5 m馬道2 m處備用了1條輸送帶，可隨時(shí)更換使用；（3）在碾壓混凝土輸送過(guò)程中集料斗、溜槽等極易發(fā)生因摩擦而導(dǎo)致的空腔處，焊接了加厚鋼板，以保證結(jié)實(shí)耐用；（4）組織專人24小時(shí)定點(diǎn)定時(shí)保養(yǎng)維護(hù)。

此系統(tǒng)運(yùn)行8個(gè)多月，累計(jì)輸送混凝土6.34萬(wàn)m3，其中碾壓混凝土占90%，砂漿占8%，未出現(xiàn)一次維修故障，得到了上級(jí)各單位的一致好評(píng)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

這套自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)的成功運(yùn)用，解決了洞河水庫(kù)因地理環(huán)境條件限制的運(yùn)輸問(wèn)題，并使洞河水庫(kù)大壩能在正常工期內(nèi)按時(shí)完工，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并在溫控措施要求嚴(yán)格的碾壓混凝土入倉(cāng)方式上取得了突破性的進(jìn)展，為后期同類問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

依據(jù)不同方式的均等測(cè)算，洞河水庫(kù)碾壓混凝土拌合站供料能力最高峰值為51.8 m3/h，施工中，自卸車與負(fù)壓溜槽兩種運(yùn)輸方式高峰產(chǎn)量與成本分析統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。表中月產(chǎn)量的差值是由碾壓混凝土不同的鋪筑方式所造成，因此采用負(fù)壓溜槽與皮帶運(yùn)輸機(jī)系統(tǒng)不僅相對(duì)投入少，而且對(duì)輸送碾壓混凝土所達(dá)到的運(yùn)輸效率與自卸車相當(dāng)，通過(guò)對(duì)人員、設(shè)備、機(jī)械等3項(xiàng)指標(biāo)的綜合單價(jià)分析可以得出如下結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 兩種入倉(cāng)方式峰值產(chǎn)量與成本分析比較表

洞河水庫(kù)碾壓混凝土合同總量為12.74萬(wàn)m3，在前期施工中366.0 m高程以下已通過(guò)鋪墊渣土組成的臨時(shí)道路完成澆筑，完成方量占總合同量的48%，剩余52%的碾壓混凝土全部要通過(guò)負(fù)壓溜槽和皮帶運(yùn)輸機(jī)一次性澆筑完成。通過(guò)以上成本分析表，此系統(tǒng)比自卸車運(yùn)輸每立方米混凝土節(jié)約成本9.8元，此系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用為13.42萬(wàn)元，實(shí)際節(jié)約成本51.5萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

洞河水庫(kù)負(fù)壓溜槽結(jié)合皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初，項(xiàng)目部技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形的實(shí)際情況，邀請(qǐng)專家指導(dǎo)并參考國(guó)內(nèi)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，最終確定在右壩肩壩頂397.5 m高程至366.0 m高程壩肩槽段采用此系統(tǒng)輸送碾壓混凝土入倉(cāng)方案，以期能有效解決大體積碾壓混凝土的入倉(cāng)問(wèn)題，采用負(fù)壓溜槽輸送碾壓混凝土的入倉(cāng)方式具有較強(qiáng)的可行性和可操作性。為確保安全，在正式投入使用前，項(xiàng)目組織專職人員對(duì)負(fù)壓溜槽輸送系統(tǒng)進(jìn)行了入倉(cāng)調(diào)試試驗(yàn)，取得了各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)標(biāo)的可靠數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)本系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、拆卸的觀察及工藝改進(jìn)均有實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新與提高，強(qiáng)有力的保證了碾壓混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度及質(zhì)量。