直立式混凝土水尺壓印成型技術研究

黃照元

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

溪洛渡水電站是國家“西電東送”骨干工程，位于四川和云南交界的金沙江上。工程以發電為主，兼有防洪、攔沙和改善上游航運條件等綜合效益，并可為下游電站進行梯級補償。電站主要供電華東、華中地區，兼顧川、滇兩省用電需要，是金沙江“西電東送”距離最近的骨干電源之一。

溪洛渡水電站水庫調度專用站分布在大壩上游2.7km處左、右各一個壩上庫水位站和壩下約3.1km處一個出庫水位站。共計3個水位站的土建工程主要包括站房、梯步、水尺、水準點、線槽和其他配套設施，3.24m×3.24m站房3間，208m2生活站房1棟，永久觀測梯步475m、簡易梯步290m，鋼筋混凝土直立水尺160根、簡易水尺160根，傾斜水尺80m，線槽475m。

大壩上游左右岸兩個水位站死水位以上永久觀測段采用的是直立式混凝土水尺，水尺刻度和數字直接刻劃在混凝土表面。大壩下游水位站采用傾斜式水尺。死水位以下水庫初期蓄水時臨時觀測段采用預埋鋼管外掛搪瓷水尺。直立式水尺在水位高程610m至537m之間布設，水尺在水位測驗斷面沿程鋪設，相鄰水尺水位銜接不小于0.2m。在觀測斷面高度方向每1m布置1根混凝土直立式水尺，水尺采用預制鋼筋混凝土結構，斷面呈五邊形。單根水尺高度為2.0m，埋深0.8m，凈高1.2m。水尺一個直立面上有刻度、數字及水尺編號標識，設計要求水尺數字及水尺編號刻畫深度5mm，字體為宋體，字體高35mm，寬25mm。永久水尺編號首字母為B。水位最小刻度0.01m，要求刻度劃分、數字標示清晰醒目。混凝土強度不低于C25。直立式水位尺設計如圖1所示。

圖1 直立式水位尺設計(單位：mm)

2 混凝土表面刻字方案對比

經調查了解，常見的直立式水尺主要是立柱上外掛水尺板，水尺板由木板、搪瓷板、高分子板或不銹鋼板做成，本項目直接將刻度和字體刻畫在混凝土表面，這種方式無成熟施工案例可借鑒。現有的石碑、鐵路軌道板、清水混凝土等結構表面刻字工藝總結下來有人工雕刻、機械雕刻、現澆成型等方式，各種成型方式優缺點對比如表1所示。

表1 混凝土表面文字成型方式對比

本工程直立式混凝土水尺共160根，刻劃工程量大，項目地點偏遠，經綜合對比，先排除人工雕刻和機械雕刻兩種方式，選擇了現澆成型方案著手實施，并在實際施工中最終改進為壓印成型方案。

3 直立式混凝土水尺預制安裝技術

3.1 鋼筋加工

直立式水尺五邊形斷面上每個角布置有1根直徑12mm的螺紋鋼，箍筋采用光圓鋼筋φ6@200mm。鋼筋籠采取綁扎方式加工，底模上鋪墊同標號混凝土墊塊，鋼筋籠放置在混凝土墊塊上，預留保護層厚度。

3.2 混凝土配合比設計及原材料質量要求

3.2.1 混凝土配合比設計

由于水尺構件體積較小，寬度方向只有20cm，刻度凹陷深度為5mm，采用細石混凝土。混凝土既要滿足強度要求，又需要澆筑振搗后表面保護層漿液豐富，便于刻劃。混凝土參考配合比如表2所示。

表2 C25細石混凝土配合比參考

3.2.2 原材料質量要求

(1)碎石：細石混凝土使用的集料為粒徑5.0mm～15.0mm的連續級配碎石。其含泥量0.6%，泥塊含量0.3%，針片狀顆粒9%，松散體堆積密度1460kg/m3。

(2)水泥：42.5的普通硅酸鹽水泥。

(3)砂：細集料為級配良好的天然中砂。其含泥量0.6%，泥塊含量0.2%，細度模數2.4，表觀密度2550kg/m3，堆積密度1660kg/m3。

(4)粉煤灰：Ⅰ級粉煤灰。

(5)外加劑：為增加混凝土的耐久性，加入減水劑、防水劑。

3.3 工藝試驗及壓印成型技術核心思想

對字模布置在底面、頂面兩種情況進行了工藝對比試驗，優選一種合理可行的施工方案。

3.3.1 水尺本體及刻度文字一次澆筑成型工藝試驗

因最初無類似施工經驗可參考，最直觀的想法是將字模布置在水尺底模上同時澆筑，帶字模的水尺整體模板展開圖如圖2所示。水尺模板特殊的地方在于刻度標識和文字模板制作，由于文字和刻度具有方向性，制作模板時數字和刻度需要做倒模處理，在設計模板時可在制圖軟件中采用鏡像功能生成倒模圖形。

圖2 帶字模的水尺整體模板展開(單位：mm)

混凝土水尺為細長構件，斷面為五邊形，經過入倉方式的對比，采取水尺長邊平放澆筑，混凝土層厚為20cm，入倉和振搗均比長邊豎直放置簡單，模板頂面作為進料口。拌合樓打料后混凝土罐車運輸至預制場地，將混凝土料卸在水尺模具旁，人工用鏟子將混凝土鏟起送入模具內。小功率插入式振搗器進行振搗，混凝土振搗掌握以下要領：垂直插入、快插慢拔、三不靠。振搗器插入時要快，拔出時要慢，以免在混凝土中留下空隙；每次插入振搗的時間為20s～30s左右，并以混凝土不再顯著下沉，不出現氣泡，開始泛漿時為準；振搗時間不宜過久，太久會出現砂與水泥漿分離，石子下沉，并在混凝土表面形成砂層，影響混凝土質量；振搗插入前后間距一般為30cm～50cm，防止漏振；三不靠振搗時不要碰到模板、鋼筋和預埋件，模板附近振搗時，應同時用木錘輕擊模板，在鋼筋密集處和模板邊角處，應配合使用鐵釬搗實。澆筑完成24h后灑水養護。

脫模后檢查發現部分E形刻度棱角殘缺，1、2、3、5、7這些開放結構的字體成型效果比較完整，但0、4、6、8、9、P這類有封閉結構的字體輪廓殘損較多，字跡模糊。原因可能是在刻度邊緣由于在小尺度上的毛細效應，混凝土中水分、氣泡吸附在刻度和文字的棱角部位，加上脫模劑無法均勻分布等原因，造成脫模后字體成型效果不好。另一個問題是在脫模時，需要把水尺吊起一定高度，水尺要達到吊裝強度才行，會造成脫模時間過晚，脫模劑失效，混凝土和模板之間粘接牢固不易拆除，強行拆除容易對混凝土外觀造成影響，文字和刻度容易缺棱少角，不滿足設計要求。

3.3.2 先澆筑水尺本體后施作刻度文字工藝試驗

經過研究，由于整體式模板澆筑時水尺構件本體與水尺刻度文字標識強度發展及拆模時間不匹配，于是想到將刻度刻劃和水尺本體澆筑分為兩個工序，先澆筑水尺本體，再施作水尺表面的刻度文字標識。將帶刻度的一面選擇在入倉口所在的頂面，采取類似活字印刷的方式，在混凝土初凝前將帶字和刻度的模板按壓在平整的混凝土表面，利用這個階段混凝土具有的可塑性將標識模具上的凹凸信息“印制”形成刻度和文字標識，這就是壓印成型技術的核心思想。

由于刻度密集，陰陽角需要重點保護，為避免水尺刻度及文字壓印時填充不飽滿以及揭開模板時大面積粘連破壞，將帶字模板設計成有一定柔性的專用模板，如圖3所示。刻度和字體模塊采用激光切割5mm厚不銹鋼板形成，不銹鋼板表面應光滑潔凈，刻度和字模按設計給定的間距順序排列在3mm厚薄鋼板上，數字的下邊緣應靠近相應的刻度處。薄鋼板背面不設置加強肋條，保持一定柔性，模板在長度方向上可以有一定程度的彎曲，澆筑混凝土時可以局部卷曲，便于壓印及脫模。

圖3 水尺標識壓印專用柔性模板(單位：mm)

水尺本體混凝土澆筑完成后大約靜置2h～3h，混凝土接近初凝前，用水尺標識專用模板從水尺混凝土表面一個方向往另外一個方向緩緩壓下，混凝土能朝著一個方向產生細微的推移塑性變形，突出的字模首先接觸到混凝土表面，字模突出部位擠壓混凝土凝土面形成凹陷部位。凹陷部位擠壓后的混凝土向四周溢出，隨后蓋模壓下來擠壓溢出的混凝土，這部分混凝土構成刻度的突起部分，采用橡膠錘輕輕錘擊模板，使得混凝土重新分布均勻，將水尺刻度的陰角和陽角填充完整，操作過程中要保持模板的相交線，橫平豎直，使用柔性模板將邊角完全壓到。壓印后從一側向另一側緩慢揭開柔性模板，刻度及字體標識隨即呈現，水尺標識柔性模板壓印工藝示意見圖4。壓印時間要掌握準確，過早的話壓出的表面全為毛面，沒有光澤度，而且表面耐磨性很差，嚴重影響質量；過晚則會難以壓出完整的紋理，影響美觀。在壓印完成24h后，用薄膜遮蓋養護或灑水養護。

圖4 水尺標識柔性模板壓印工藝示意

改進后的壓印成型技術施工的水尺刻度及文字成型效果良好，達到設計要求。

3.4 安裝工藝

人工沿著觀測段梯步將水尺搬運至安裝現場，手拉葫蘆吊裝水尺至觀測段預留坑槽中，全站儀進行放樣，調整水尺的平面位置，確保所有水尺在一個觀測斷面上，再用水準儀測量校準水尺的高程，安裝要求達到四級水準測量標準。水尺應與水面垂直，安裝時吊垂線校正。灌注細石混凝土將直立式水尺埋設固定。

水尺安裝后，用四等以上水準測量的方法測定每支水尺的零點高程，在讀得水尺上的水位數值后加上該水尺的零點高程就是要觀測的水位值。

4 實施效果評價

采用柔性模板壓印工藝生產的混凝土水尺表面標識刻度和文字清晰美觀，無沾漿脫落，輪廓外沿無砂角，效果良好。完工驗收并運行多年后直立式混凝土水尺現場照片見圖5，照片中可見所有直立式水尺排列在一條直線上，水尺表面刻度、文字標識清晰美觀。

圖5 直立式混凝土水尺現場照片

5 結語

將靠樁、刻度及字母數字標識融為一體的直立式混凝土水尺是一種新的設計形式，具有抗水流沖刷，抗泥沙磨蝕，后期維護簡單的優點。針對該水尺預制時標識刻度密集，刻度精度要求高的難點，本項目創新性地研制了分體式水尺標識壓印專用柔性模板，并結合混凝土的塑形變形特點研究應用了壓印成型技術，混凝土水尺合格美觀經久耐用，值得類似工程參考借鑒。