大型水利水电枢纽工程大坝坝顶结构施工方案设计

大型水利水电枢纽工程大坝坝顶结构施工方案设计

曾骅

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】 大型水利水电枢纽工程大坝坝顶结构建筑物混凝土体积大、结构复杂，用常规的钢管支撑模板十分困难，承重要求高、材料多、建设成本费用大。我们技术团队通过对工程施工方案的研究论证和优化设计，采用工字钢反拉模板、小模板结合脚手架支撑模板等方法，安全高效完成了坝顶结构的施工。

【关键词】坝顶结构特性分析；坝顶结构施工技术设计要求；模板施工方案及反拉结构受力计算；项目施工的安全生产措施。

1 引言

大型水利水电枢纽工程一般主要由非溢流坝段、泄水建筑物、发电建筑物、安装间等建筑物组成。坝顶结构在非溢流坝段、泄洪闸墩坝段、安装间坝段等部位设置有坝顶结构。为确保坝顶结构施工质量及施工过程安全，需要对坝顶结构施工方案进行设计，用于指导坝顶结构的施工，确保工程安全。

2 坝顶结构特性

坝顶悬空结构一直是比较复杂的施工部位，这些悬挑出来的结构往往位于河床中，下部悬空高差大，结构复杂，一般斜面坡比为1:1，延伸宽度多达5m以上。施工若搭设承重排架，将使用大量脚手管，且高处作业频繁，施工资源、设备投入量大，施工复杂，导致坝顶结构施工安全风险极大。因此采用工字钢反拉模板、小模板结合脚手架支撑模板操作平台设计方案，能有效减少投入，提升安全性。坝顶结构纵剖面图见图1.

图1 坝顶结构纵剖面图

3 坝顶结构施工技术设计

3.1悬挑部位外部操作平台

悬挑部位外部操作外架平台主要采用12#工字钢做基础支撑，工字钢预埋件埋设高程为牛腿起坡高程向下1.5m位置，在浇筑仓号内埋设-12×20×20钢板，埋板紧贴模板面，间距1.5m，埋板上设置直径22mm的锚筋，锚入浇筑混凝土块内，与仓号内模板拉筋焊接在一起，混凝土浇筑完成后，将埋件清理出干净，利用现场布置门机和吊车配合吊篮进行工字钢平台的焊接施工。

基础平台施工完成后，平台上铺设马道板，外围搭设1.2m高防护栏杆，并铺设密目网防护。

随浇筑升高，在平台上设脚手架工作平台，脚手架管采用焊接与预埋件连接，脚手架自身采用扣件连接，脚手架管上部与坝体预埋型钢立柱采用φ14mm圆钢进行连接，确保其稳定性和安全性，整体操作架外围铺设密目网全覆盖，具体详见附图。

3.2模板工程

模板主要采用P3015和P1015组合钢模板，对于墩头圆弧段之间与过渡段采用木模板拼接；围檩采用普通排架钢管，拉杆采用φ14mm圆钢，拉杆间距0.9×1.0m（横向与顺悬挑斜坡长度方向）。模板固定采用内拉方式，采用型钢作为内拉承载体，立柱外露长度根据分层高度设置，埋入坝体1.0m，每浇筑一仓则在浇筑仓面内预埋下一仓型钢立柱及下游的地锚插筋，以确保下仓浇筑。坝顶结构结构设计见图2

图2 坝顶结构结构设计

3.3 模板反拉结构受力计算

针对坝顶结构部位计算，依据《水电水利工程模板施工规范》（DL/T5110-2013）、《水利水电工程施工组织设计手册》的有关公式、数据进行计算：

1、荷载计算

（1）各荷载取值

①模板（加钢管围檩）自重：0.75kN/m2；

②新浇钢筋混凝土自重：分层为方便计算，取3m，荷载呈三角形分布；

③施工人员和设备荷载标准值：1kN/m2；

④振捣混凝土时产生的荷载标准值：对水平面模板取2kN/m2；

⑤入仓对模板的冲击荷载：4kN/m2；

⑥混凝土的侧压力：P=0.22

   式中：P—新浇混凝土对模板的最大侧压力；

         —新浇混凝土的密度，取25KN/m3；

        —新浇混凝土的初凝时间，取8小时；

         —外加剂影响修正系数，取1.2；

         —混凝土坍落度影响修正系数，取1.15；

         —混凝土浇筑速度，取0.5m/h。

故P=42.94kN/m2

另外，根据P=h计算压头高度：h===1.72m，取计算宽度1.5m，浇筑高度3m计算，则混凝土对模板的总水平侧压力为：

f总=FA=42.94×1.5×3.0=193.23KN

2、荷载分项系数

取自《水电水利工程模板施工规范》（DL/T5110-2013）：

3、总荷载计算

G1=(①+②)×1.2=(0.75+75)×1.2=90.9(kN/m2)

G2=(③+④)×1.4=(1+2)×1.4=4.2(kN/m2)

G3=⑤×1.4=4×1.4=5.6(kN/m2)

总荷载

    G总=G1+G2+G3=100.7（kN/m2）

宽度取1.5m计算：

（1）设总荷载垂直于模板方向的分力为F1，则

F1=G总×1.5/2×3×=101.34KN

（2）垂直于模板方向的混凝土侧向压力分力为：

F2=f总×=86.43KN

混凝土对悬吊模板的垂直总压力N为：

N=F1+F2=187.77KN

4、反拉结构设计计算

（1）反拉筋计算

反拉筋计算采用公式N/A≤进行验算

式中：N—悬吊模板的垂直总压力；

     A—拉筋总面积；

     —拉筋的抗拉承载力

A===873mm2

采用φ16拉杆（加工连接丝扣后，其有效直径为14mm，再使用双螺帽与模板进行连接，连接完成后再与外部φ14拉杆进行焊接，本节计算中均以直径为14mm进行计算），有效面积A0=154mm2。

需要的反拉筋数量，故采用6根φ16拉杆可以满足要求。

（2）支撑型钢钢立柱受力验算

型钢立柱采用14a#槽钢，浇筑高度3m，宽度取1.5m。

（3）整体稳定性计算

采用求临界力的方法进行验算，即

式中NKP——临界轴向力，NKP=3.142EI/l02；

N——立柱的轴向压力，N=263.24KN；

E——钢材的弹性模量，E=210GPa；

I——三角形界面的惯性矩。

l0——计算长度，取长度为5m（一段固定，另一端自由时，l0=2l）

K——稳定安全系数，取1.5～2.5

故：NKP=3.142EI/l02=3.142×210×109×1.92×10-5/52=1590.14（KN）

则：K=NKP/N=1590.14/263.24=6.04

安全系数K远大于2.5，故整体稳定性满足要求。

4 项目施工的安全生产措施

（1）浇筑上游悬挑部位时混凝土入仓采用平层铺筑，人工平仓，保证浇筑仓面均衡下料，下料时必须远离悬挑部位起坡点1.5m，防止下料对模板冲击力过大产生安全隐患。下料过程中严禁混凝土冲碰到型钢立柱反拉系统，以保证模板稳定。

（2）在靠近模板和钢筋较密的地方，用人工平仓，使石子分布均匀。浇筑过程中安排专人看护模板，发现问题及时处理，必要时做停仓处理。

（3）混凝土浇筑应先平仓后振捣，严禁以振捣代替平仓，应避免欠振和过振。混凝土浇筑完及时进行养护，并做好成品保护。

5、结束语

混凝土坝顶结构施工采用工字钢反拉模板、小模板结合脚手架支撑模板等方法，将减少使用脚手管，避免高处作业频繁，施工资源、设备投入量减少，降低坝顶结构施工安全风险，是工程建设中一种切实可行的有效的工程设计方案。通过本文为坝顶结构施工方案设计提供一种思路，希望对工程技术专家共享。

参考文献

1、严亚雄.枕头坝一级水电站泄洪闸支铰牛腿施工技术. 四川水力发电 2015（12）.

2、中华人民共和国水利行业标准SL176-2007水利水电工程施工质量检验与评定工程［S］，北京；中华人民共和国水利部，2007.

3、何勇.高墩悬臂坝顶结构的设计与施工.价值工程 2015（03）

4、陈振华.水电水利工程坝顶结构模板施工注意事项探讨. 水利科技 2013（12）

作者简介：

曾骅、男、1990.01、汉、湖南益阳、本科、工程师，

研究方向：水利水电工程