馮江江

(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西西安710016)

1 碾壓混凝土運(yùn)輸現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)、外碾壓混凝土拱壩工程一般采用自卸汽車(chē)、皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)、負(fù)壓溜槽、塔(胎)帶機(jī)、滿(mǎn)管溜槽、門(mén)機(jī)、纜機(jī)等垂直運(yùn)輸方式，但它們的使用通常對(duì)地形有較高的要求。例如，自卸汽車(chē)運(yùn)輸方式要求岸坡具備修建汽車(chē)道路的條件，皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)要求線(xiàn)路所對(duì)應(yīng)的壩肩坡度要小(一般小于20°)，負(fù)壓溜槽使用坡度要求在45°～53°之間。塔(胎)帶機(jī)、門(mén)機(jī)、纜機(jī)對(duì)安裝地形、場(chǎng)地要求高，設(shè)備投入及安裝費(fèi)用高，而且施工強(qiáng)度有時(shí)會(huì)受到限制。因此研究在陡峻河谷、高差較大情況下，混凝土物料負(fù)揚(yáng)程輸送情況下的運(yùn)輸方式是解決碾壓混凝土高拱壩的必要途徑。

纜索吊罐輸送混凝土是將混凝土攪拌好后倒入吊罐中，采用纜機(jī)將吊罐吊運(yùn)到倉(cāng)面上。負(fù)壓溜槽是沿落差坡面布置混凝土輸送鋼管，在鋼管的末端安裝鋼質(zhì)葫蘆瓢狀的內(nèi)襯充氣耐磨尼龍芯布的橡膠囊，用該橡膠囊吸收混凝土的下落動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)緩沖。滿(mǎn)管輸送是在混凝土充滿(mǎn)鋼管三分之二以上高度后，打開(kāi)鋼管末端的活門(mén)放出混凝土，實(shí)現(xiàn)無(wú)離析輸送。

纜索吊罐架設(shè)成本高，生產(chǎn)效率低;負(fù)壓溜槽的橡膠囊制造成本高，使用壽命短;滿(mǎn)管輸送系統(tǒng)組成復(fù)雜，鋼管必須做成微倒喇叭形，使用中控制系統(tǒng)稍有失誤必須將混凝土全部放空，疏通困難、浪費(fèi)大。另外，負(fù)壓溜槽和滿(mǎn)管輸送僅適應(yīng)落差高度較小的垂直運(yùn)輸，對(duì)混凝土垂直輸送高差較大的工程適用性較差，需要找到新的混凝土輸送方式進(jìn)行解決。

混凝土垂直輸送的現(xiàn)有技術(shù)除纜索吊罐、負(fù)壓溜槽和管道輸送外，最新專(zhuān)利技術(shù)為“混凝土澆灌技術(shù)”。

“混凝土澆灌技術(shù)”裝置是在混凝土的下落路徑即溜槽的中途設(shè)置緩沖箱，在混凝土經(jīng)過(guò)其內(nèi)部時(shí)，再次攪拌混凝土。該裝置由輸送管、鋼管、緩沖裝置、攪拌箱和橡膠彈性開(kāi)閉排出口等五種部件用法蘭盤(pán)和螺栓聯(lián)結(jié)組成。混凝土沿輸送管靠自重下落，經(jīng)過(guò)緩降箱降低混凝土的下落速度后進(jìn)入攪拌箱，使攪拌箱免受下落混凝土的沖擊，提高攪拌箱的耐久性。

“混凝土澆灌技術(shù)”裝置組成系統(tǒng)需用的部件較多，一套系統(tǒng)需要多個(gè)緩降單元組成，僅一個(gè)緩降單元除輸送管外，就需要三種七個(gè)部件，僅法蘭盤(pán)一項(xiàng)就需要14件。另外，該裝置沒(méi)有從根本上解決磨損問(wèn)題，只是把對(duì)攪拌箱的磨損轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖裝置上，總體使用壽命依然很短，并且此技術(shù)主要適用于常態(tài)混凝土的運(yùn)輸，對(duì)干硬性的碾壓混凝土大粒徑骨料的輸送并不適用。

2 高薄拱壩碾壓混凝土輸送方式研究

近年來(lái)，常規(guī)超長(zhǎng)溜槽、串筒、真空溜管、負(fù)壓溜槽等混凝土輸送工藝得到了長(zhǎng)足發(fā)展，在許多工程中都得到成功應(yīng)用，但都不同程度存在工藝缺陷，使用范圍受到一定限制。

為了保證施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度結(jié)合工程特點(diǎn)，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外碾壓混凝土垂直運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)上，混凝土的垂直運(yùn)輸一直是工程界攻關(guān)的重大課題，尤其是對(duì)于大高差的下降運(yùn)輸，廣大水電建設(shè)者為尋求理想的輸送工藝付出了巨大的努力，并不斷取得新的成果。

由三峽工程引進(jìn)的MY-BOX管給人們提供了一個(gè)新的思路，開(kāi)辟了一個(gè)豎向運(yùn)輸混凝土的新途徑。隨著三峽工程的大規(guī)模應(yīng)用，許多大型水電站工程也開(kāi)始推廣并有所發(fā)展。使用范圍由垂直運(yùn)輸擴(kuò)展到斜坡輸送，混凝土由適應(yīng)二級(jí)配到對(duì)三級(jí)配也可順利施工，運(yùn)輸高差在數(shù)個(gè)工程中都突破了100 m。BOX管已逐漸成為常態(tài)混凝土輸送過(guò)程中不可缺少的常規(guī)工具。

貴州大花水工程經(jīng)過(guò)攻關(guān)，將BOX管創(chuàng)造性地運(yùn)用到干硬性碾壓混凝土的運(yùn)輸中，取得新的成果。該項(xiàng)目由于是初步運(yùn)用，輸送高差較小，還有許多環(huán)節(jié)需要完善。對(duì)于三里坪、羅坡壩、云口等工程的較大高差的輸送條件，也還有一些細(xì)節(jié)需要研究改進(jìn)。

經(jīng)研究實(shí)驗(yàn)提出采用緩降拌合管在三里坪、羅坡壩、云口等工程碾壓混凝土拱壩的混凝土垂直運(yùn)輸方式。

2.1 緩降拌合管結(jié)構(gòu)及工藝原理

緩降拌合管是一組由若干空腔組成的錐管結(jié)構(gòu)，包括輸送直管和緩降拌合管兩部分。緩降拌合管輸送直管管徑400 mm，每節(jié)長(zhǎng)3 m，材質(zhì)為6 mm厚錳板，兩頭帶有連接法蘭盤(pán)，緩降拌合管每節(jié)長(zhǎng)3m，包括漸變錐管和緩降器兩部分，材質(zhì)與輸送直管相同。安裝時(shí)每9 m直管(3節(jié))安裝一個(gè)緩降拌合管，各個(gè)構(gòu)件均采用螺栓連接，見(jiàn)圖1。

緩降拌合管具有上下兩個(gè)方口法蘭盤(pán)1，在兩個(gè)法蘭盤(pán)1之間固定連接一堆由矩形漸變?yōu)閳A形又從圓形漸變?yōu)榫匦蔚木徑蛋韬投?而形成兩個(gè)輸送通道，每個(gè)緩降拌合段6的上下兩個(gè)矩形口的相位差為90°，在每個(gè)法蘭盤(pán)1處沿兩個(gè)緩降拌合段6側(cè)板貼合而形成的中分板2的頂端固定有減磨圓鋼3，在兩個(gè)緩降拌合段6側(cè)板之間并且與減磨圓鋼3相垂直90°的平面方向上焊接有消能圓鋼5，在矩形口以下緩降拌合段6的斜面板13和側(cè)板上平行焊接有墊被圓鋼4。

圖1 緩降拌合裝置

兩個(gè)緩降拌合段6相近的側(cè)板合并成中分板2位于法蘭盤(pán)1的二分之一處，形成了兩個(gè)輸送通道，每個(gè)緩降拌合段6由與法蘭盤(pán)1接觸的矩形口漸變?yōu)閳A形口，中間與圓形段7相接后又由圓形口漸變?yōu)榫匦慰谠倥c另一個(gè)法蘭盤(pán)1相接，上下兩個(gè)矩形口的相位差為90°。

墊被圓鋼4間隔平行焊接在緩降拌合段6的斜面板13和側(cè)板上，其作用是在混凝土下降過(guò)程中，受到墊被圓鋼4的阻擋后會(huì)在每根圓鋼與斜面板13及側(cè)板的接觸處堆積成一個(gè)斜坡墊被層，可使粗骨料實(shí)現(xiàn)軟著陸，消除大部分動(dòng)能，同時(shí)能延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

緩降拌合管在實(shí)際使用中的安裝結(jié)構(gòu)和混凝土流動(dòng)方向圖見(jiàn)圖2。將兩個(gè)緩降拌合管裝置通過(guò)法蘭盤(pán)1和螺栓連接，再在其兩端的法蘭盤(pán)1上連接錐形管，上端的錐形管與混凝土輸送管連接。落料進(jìn)入上口時(shí)被分成兩部分進(jìn)入緩降拌合管，在管內(nèi)經(jīng)過(guò)阻滯、折射運(yùn)動(dòng)、骨料相互碰撞改變運(yùn)動(dòng)方向，經(jīng)連續(xù)碰撞、落料與管摩擦、擴(kuò)散、匯合等復(fù)合阻尼過(guò)程后，動(dòng)能被轉(zhuǎn)換吸收，運(yùn)動(dòng)速度極大下降，最后在下口相對(duì)上口交換180°后，合二為一，落入下一節(jié)輸送直管。

緩降拌合管不僅使落料的運(yùn)動(dòng)速度極大降低，還使分離的拌合料再次得到拌合，起到緩沖與拌合的雙重作用。緩降拌合管的設(shè)計(jì)橫斷面大于輸送鋼管橫截面的二倍，在管內(nèi)經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜過(guò)程后進(jìn)入大錐角倒錐管斷面。所以在緩降拌合管內(nèi)盡管運(yùn)動(dòng)速度較低，加之上層骨料的撞擊作用，不會(huì)造成骨料分離。

圖2 混凝土在拌合器內(nèi)運(yùn)動(dòng)示意圖

2.2 緩降拌合管現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

緩降拌合管的工作特征是使拌合料的重力加速度充分降低。理想的工況是經(jīng)過(guò)緩拌管的阻尼作用后，拌合料的出口加速度為零。

2.2.1 輸送鋼管的阻尼作用

當(dāng)輸送鋼管的設(shè)置傾角為α?xí)r，拌合料與鋼管壁的摩擦阻力隨傾角的增加而加大，粗骨料由單純的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)加速度為a=g(1-fcosα)

式中，f為拌合料與鋼管的摩擦系數(shù)。假設(shè)拌合料進(jìn)入鋼管的初速度為零，在鋼管出口處的末速度為

輸送鋼管的垂直高度為

2.2.2緩降拌合管的阻尼作用。

從緩降拌合管的工作原理可知:

①進(jìn)入緩降拌合管的拌合料在出入口兩次受到圓鋼管的阻滯，約占總量的3/4;

②未受到鋼管阻滯的拌和料在斜面上受到折射阻尼;

③折射出的骨料與被阻滯后的骨料發(fā)生碰撞，各自的運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化，產(chǎn)生新的連續(xù)碰撞;

④緩降拌合管的管壁都有較大的傾角，運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力較大。如果拌合料進(jìn)入緩降拌合管的初速度適當(dāng)，各種阻尼的綜合作用，足以使拌和料的出口速度為零。即

式中，A為緩降拌合管的綜合組尼系數(shù);ψ為緩降拌合管的管壁傾角(度);H為緩降拌合管的阻尼長(zhǎng)度(m);

2.2.3 緩降拌合管的設(shè)置間距

綜合(1)(2)兩項(xiàng)，得出斜豎管的設(shè)置間距h為

式中綜合阻尼系數(shù)、拌合料對(duì)管壁的摩擦系數(shù)還有待于試驗(yàn)求證。運(yùn)用時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估計(jì)值框算，在實(shí)踐中調(diào)整。緩降拌合管設(shè)置間距在豎向輸送常態(tài)砼情況下一般取12～15 m。緩降拌合管在施工現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)針對(duì)碾壓混凝土進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，對(duì)使用的材料和每一分段長(zhǎng)度都進(jìn)行了試驗(yàn)，分段長(zhǎng)度在6 m一節(jié)時(shí)由于距離過(guò)短，緩降拌合管安裝較多，混凝土下降速度受阻，容易造成堵管現(xiàn)象，如果每一節(jié)長(zhǎng)度為12 m時(shí)，混凝土下落速度過(guò)快，并且由于緩降拌合管安裝少，骨料分離現(xiàn)象較嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，最終確定每一節(jié)長(zhǎng)度為9 m，使用效果良好。

2.2.4 緩降拌合管材質(zhì)選擇

緩降拌合管材料使用的錳鋼板厚度經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，在角度變化的情況下，錳鋼板的磨損程度也有變化，當(dāng)角度較大時(shí)，混凝土輸送速度快，并且不容易發(fā)生堵管現(xiàn)象，錳鋼板磨損程度較小，經(jīng)多次試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定錳鋼板厚度為6 mm，在施工過(guò)程中只進(jìn)行了局部的維修，整體使用效果良好。

2.3 緩降拌合管系統(tǒng)布置

為了減少混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，一般將拌和系統(tǒng)設(shè)置在左、右岸壩頂，或采用自卸汽車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸至壩頂位置。運(yùn)輸系統(tǒng)由兩部分組成，第一部分為由寬1 000 mm的皮帶將成品熟料自拌和機(jī)出口水平運(yùn)輸至壩頂拱端正上方平臺(tái)受料斗;第二部分為由緩降拌合管沿拱端運(yùn)輸至施工倉(cāng)面。

在坡面搭設(shè)鋼管承重架作為系統(tǒng)支架，斜坡支架頂面設(shè)計(jì)在同一平面上，系統(tǒng)通過(guò)鋼管、鋼絲繩與承重架、巖石連接。

2.3.1 承重架基礎(chǔ)

在拱端坡面上用手風(fēng)鉆垂直于管中心線(xiàn)方向造Φ50孔，孔深(50～80)cm，在孔內(nèi)插入Φ48鋼管搭設(shè)懸挑承重架，每一組橫桿與其對(duì)應(yīng)的斜撐桿組合成為一個(gè)獨(dú)立的受力單元，獨(dú)立承擔(dān)來(lái)自緩降拌合管或立桿傳來(lái)的荷載，并且單獨(dú)的某一個(gè)受力單元拆除后，不影響承重架其它構(gòu)件的承載能力。

2.3.2 緩降拌合管部位的加強(qiáng)架

由于緩降拌合管較之普通直管體積較大，并且在混凝土熟料運(yùn)輸中起到關(guān)鍵作用，在整個(gè)使用周期內(nèi)屬于重點(diǎn)檢查和維修保養(yǎng)對(duì)象，故對(duì)該部位在普通承重架基礎(chǔ)上搭設(shè)加寬平臺(tái)，加寬60 cm。

2.3.3 坡面管道與承重架連接

坡面管道荷載通過(guò)兩種途徑傳遞給承重架:①直管段每隔6 m布設(shè)一個(gè)抱箍，抱箍通過(guò)橫桿將荷載傳遞到承重架;②緩降拌合管腰部通過(guò)橫桿將荷載傳遞到承重架。

緩降拌合管及管路系統(tǒng)均固定在排架上，排架生根在巖石上，為了確保絕對(duì)安全，整體管路采用Φ16鋼絲繩錨固在巖體上。具體措施為:每個(gè)抱箍對(duì)應(yīng)一個(gè)鋼絲繩牽引，Φ16鋼絲繩牽引間距6 m，牽引地錨采用Φ25錨桿錨入巖石3 m。

2.3.4 安裝

安裝采用自下而上的順序操作，從倉(cāng)面高程3.0 m以上開(kāi)始，底部安裝第一節(jié)緩降拌合管，向上每安裝3節(jié)(9 m)直管后安裝一節(jié)緩降拌合管。安裝采用的方法是:從壩頂布設(shè)一根牽引主鋼絲繩，壩頂端頭固定，壩底端頭用推土機(jī)牽引，在壩頂平臺(tái)固定一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)作為副繩，緩降拌合管在壩面通過(guò)滑輪與主繩連接，副繩牽引緩降拌合管沿主繩向上滑動(dòng)，到達(dá)安裝部位時(shí)，壩面推土機(jī)沿主繩方向向后移動(dòng)，使緩降拌合管落在安裝位置。安裝示意圖見(jiàn)圖3。

2.3.5 人行爬梯檢修通道及安全防護(hù)措施

為了便于緩降拌合管在運(yùn)行期的檢修以及保養(yǎng)，在緩降拌合管支撐架內(nèi)設(shè)交通爬梯。交通爬梯加工成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度3 m，寬度60 cm，步距30 cm，踏步以及梯梁均采用L50×3角鋼。

圖3 緩降拌合管系統(tǒng)布置

緩降拌合管系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行試運(yùn)行，根據(jù)壩面施工強(qiáng)度調(diào)整給料速度。隨著大壩的澆筑，壩面高程不斷上升，根據(jù)緩降拌合管落料口距壩面垂直距離來(lái)逐步拆除緩降拌合管，每次拆除一節(jié)(3 m)。

2.4 質(zhì)量控制

2.4.1 1vc值控制

施工中重點(diǎn)控制碾壓混凝土的出機(jī)口vc值，一般情況控制在3～5 s之間，不宜大于10，通過(guò)垂直輸送系統(tǒng)到達(dá)倉(cāng)面后vc值損失1～2 s。

2.4.2 落料分離控制

落料口距離倉(cāng)面高度控制在3 m以?xún)?nèi)，可以有效的防止物料分離。落料流量控制在80～200 m3/h，流量越大落料效果越好。

3 結(jié)語(yǔ)

碾壓混凝土壩的修建已逐步進(jìn)入地形較為復(fù)雜的地域，壩址岸坡陡峻的典型“V”型河谷越來(lái)越多，出現(xiàn)負(fù)揚(yáng)程運(yùn)輸混凝土上垻的情況不斷遇到。

采用緩降拌合管垂直運(yùn)輸系統(tǒng)，設(shè)施簡(jiǎn)單、便于施工、便于操作、縮短工期、費(fèi)用低廉，施工質(zhì)量可望提高，開(kāi)辟了碾壓混凝土垂直運(yùn)輸?shù)男滤悸?，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用前景十分廣闊。