浅析两河口水电站进水塔胸墙支撑体系

浅析两河口水电站进水塔胸墙支撑体系

蒋有生

中国水利水电第十六工程局有限公司   福建福州  350000  

摘要：为了寻求最优化的混凝土模板支撑体系结构，两河口进水塔胸墙浇筑介绍运用概念设计的原则指导结构选型，通过过程来检查变形情况，对结构方案检查承载力、变形、稳定性的对比分析。经过优化设计后的型钢支撑体系结构承载力和稳定性大大提高，在实际工程应用中，降低施工干扰提供了类似的参考。

关键词：胸墙；进水塔；支撑体系；施工技术

1 引言

目前，大体积钢筋混凝土施工优化调整在水工建筑物中难点，关系到一个工程的重之重。现在大多采用现浇混凝土施工，结构构件是在模板的支撑下进行混凝土浇筑、振捣及养护施工。模板支撑体系是施工中的一种临时结构，其强度和稳定性不仅关系到结构的成形，更关系到施工的安全。胸墙混凝土作为进水塔一个非常重要的组成部分，必须高标准严要求完成，科学合理的结构方案是建立在对结构受力状态和结构性能的准确把握基础上，优化结构设计、降低施工干扰，本文介绍了通过一个作业面施工，最终经优化而形成合理方案的整个过程。

2 工程概况

两河口水电站进水口采用岸塔式，位于距坝轴线上游约230m处的右岸岸坡上。6孔进水口呈“一”字型布置，塔顶设置交通桥与边坡平台连通，由坝顶602#公路与外界相通。进水塔建基面高程2760.00m，塔顶高程2875.00m，塔体前缘总宽度159.8m，顺水流方向长33.0m，塔高115.0m。

进水塔前半部为拦污栅及叠梁门段，每孔进水口共设有4孔拦污栅，拦污栅孔口尺寸3.8m×66.0m（宽×高），叠梁门孔口尺寸3.8m×31.5m（宽×高）。栅墩间除胸墙外，还设置横撑连接，以加强拦污栅结构的整体性。为了增强拦污栅段的抗震能力，在拦污栅段和主塔体之间采用隔墙和纵撑连接。拦污栅闸后为主塔体，采用喇叭型进口，内设检修闸门槽、快速闸门槽和通气孔，通气孔后与压力管道渐变段相接。检修闸门尺寸6.6m×7.8m（宽×高）；快速闸门尺寸6.0m×7.5m（宽×高）；通气孔断面尺寸6.0m×2.0m（长×宽）。

塔体进水口前半部分（引0-020.60~引0-013.10）为喇叭口，后半部分为（引0-013.10~引0+000.00）矩形（6m×7.5m）流道；喇叭口三面弧段，弧段参数X2/7502+Y2/3002=1，弧段顶高程为EL2775.50，弧段底高程为EL2772.50；矩形流道底板高程为EL2765.00，顶高高程为EL2772.50。由于胸墙部位为异性结构、中间设计有孔槽等施工难度较大，故胸墙分层高度为1.5m（胸墙弧段部分按3m分层，保证关键部位混凝土浇筑厚度为1.5m）浇筑。由于进水口流道是压力管道上平洞及竖井施工唯一通道，进水塔混凝土施工过程中，与进水塔相连的引水隧洞及竖井也同步在开挖施工，为不影响竖井施工，胸墙浇筑时需预留引水隧洞及竖井施工通道（4.0m×4.5m），如采用满堂脚手架施工，无法预留引水隧洞及竖井施工通道，无法满足整个项目施工工期要求，故在次前提下，采用一种全新的支撑体系进行施工是必须的，利用型钢支撑体系就成为胸墙支撑体现的一种必然选择，型钢支撑体系搭设便利，只需做好支撑体系下部防护，即可解决下部通行的问题。

下部型钢支撑采用型钢支撑架+承重排架；型钢支撑架：I56a工字钢竖直支撑跨距5.44m，间距1.0m，竖直支撑上方通长纵向梁（2×I25a工字钢），纵向梁上方横向梁（I56a工字钢）间距75cm，横向梁紧贴边墙，横向梁上方采用A48钢管搭设承重支撑架, 为防止立杆滑动，在立杆下方（横向梁上方）敷设纵向通长[12槽钢（间距0.75m）。承重排架参数：搭设高度H=1.5m（最大高度4.5m），立杆横距为0.75m，立杆纵距为0.75m，水平杆步距为0.9m，内立杆紧贴边墙。

3 工程特点

（1）施工便利，型钢支撑体系工期短；

（2）一次性投入大、周转次数少；

（3）结构跨度大、施工干扰大、平面尺寸大、工程体量大，由此提出合理施工方案是保证项目施工顺利完成的关键。

4 方案选择

胸墙弧段模板采用木模板拼装；流道部分侧边墙采用悬臂钢模板，流道顶部采用组合钢模板, 上部通气孔、检修门槽、快速闸门槽采用定型钢模板及组合钢模板拼装。进水口流道是压力管道上平洞及竖井施工唯一通道，为不影响竖井施工，胸墙浇筑时需预留竖井施工通道（4.0m×4.5m），胸墙支撑体系如下:

下部支撑采用型钢支撑架+承重排架；型钢支撑架：I56a工字钢竖直支撑跨距5.44m，间距1.0m，竖直支撑上方通长纵向梁（2×I25a工字钢），纵向梁上方横向梁（I56a工字钢）间距75cm，横向梁紧贴边墙，横向梁上方采用A48钢管搭设承重支撑架, 为防止立杆滑动，在立杆下方（横向梁上方）敷设纵向通长[12槽钢（间距0.75m）。承重排架参数：搭设高度H=1.5m（最大高度4.5m），立杆横距为0.75m，立杆纵距为0.75m，水平杆步距为0.9m，内立杆紧贴边墙。

支撑体系剖视图（纵向）

支撑体系剖视图（横剖）

5 主要施工技术

5.1型钢支撑体系技术

1、型钢荷载计算

计算模型选择，孔口净空5.44m，按均布荷载进行受力分析计算：

横跨梁所承受的荷载主要有：钢筋砼荷载、模板自重、钢管脚手架自重、及人群荷载、振捣器等；横跨梁单跨长度为5.44m，间距为0.75m。

1）横向梁钢筋砼荷载：g1=1.5m×0.75m×25kN/m3=28.125kN/m，（砼容重取25kN/m3，砼厚度为1.5m，横梁间距为0.75 m）；

2）纵向梁钢筋砼荷载：g1’=1.5m×1m×25kN/m3=37.5kN/m，（砼容重取25kN/m3，砼厚度为1.5m，立柱间距为1m）；

3）模板每平米按43.5kg考虑，即g2=43.5kg/m2×0.75m=0.3265kN/m

4）桁架上部钢管脚手架：（间距按0.75cm，排距按0.75m，步距按0.9m）；立杆：m立=1.5m×8×3.84kg/m=46.08kg，纵杆：m纵=8×0.75m×3.84kg/m =3.6kg，横杆：m横=5.7m×3×3.84kg/m=65.67kg，即：m=115.35kg，g3=1153.5N/4m=0.288kN/m；

5）振捣砼取0.5KN/m2，即：q1=5.44m×0.5kN/m2=2.72kN/m；

6）集中荷载主要为振动棒及人为活动产生的荷载，取10kN，即：g4=1.85kN/m；

7）型钢支撑架横梁选用I56a工字钢和纵向[12槽钢，材料自重g5，即g5=73.8kg/m+9×0.75×12.4kg/ 5.44m =0.89kN/m；

8）纵向梁选用2×I25a工字钢，材料自重g6，即g6=2×38.1 kg/m=0.76kN/m；

9）立柱采用I56a工字钢，高5.2m，材料自重g7，即g5=73.8kg/m×5.2m=3.84kN

故横向梁上部荷载：恒荷载g=g1+g2+g3+g4+g5 =31.49kN/m；动荷载q=2.72kN/m，为了简化计算，取恒荷载为g=32kN/m，动荷载q=3kN/m。

纵向梁上部荷载：恒荷载g=g1’+g2+g3+g4+g5+g6=41.6kN/m；动荷载q=2.72kN/m，为了简化计算，取恒荷载为g=42kN/m，动荷载q=3kN/m。

2、横向型钢的受力计算

1）基本参数

2）梁截面计算

计算简图：

承载能力极限状态：

Q=γG×Pgk+ γQ×Pqk=1.2×32+1.4×3=42.6kN/m

正常使用极限状态：

Q'= Pgk+ Pqk=32+3=35kN/m

a.抗弯验算

Mmax=P×L2/8=42.6×5.442/8=157.586kN·m

σ= Mmax /(γWx)=157.586×106/(1.05×2342.31×1000)=64.074N/mm2≤[f]=215 N/mm2

满足要求！

b.抗剪验算

Vmax=P×L/2=42.6×5.44/2=115.872kN

τmax=Vmax[bh02-(b-δ)h2]/(8Izδ)=115.872×1000×[166×5602-(166-12.5)×5182]/(8×65585.6×10000×12.5)=19.204N/mm2≤[τ]=125N/mm2

满足要求！

c.挠度验算

νmax=5×P'×L4/(384×E×Ix)=5×35×54404/(384×206000×655856000)=2.954mm≤[ν]＝L/250=5.44×1000/250=21.76mm

满足要求！

3、纵向型钢的受力计算

1）基本参数

2）梁截面计算

    计算简图：

承载能力极限状态：

Q=γG×Pgk+ γQ×Pqk=1.2×42+1.4×3=54.6kN/m

正常使用极限状态：

Q'= Pgk+ Pqk=42+3=45kN/m

a.抗弯验算

Mmax=P×L2/8=54.6×12/8=6.825kN·m

σ= Mmax /(γWx)=6.825×106/(1.05×401.88×1000)=16.174N/mm2≤[f]=215 N/mm2

    满足要求！

    b.抗剪验算

    Vmax=P×L/2=54.6×1/2=27.3kN    τmax=Vmax[bh02-(b-δ)h2]/(8Izδ)=27.3×1000×[116×2502-(116-8)×2242]/(8×5023.54×10000×8)=15.547N/mm2≤[τ]=125N/mm2

满足要求！

c.挠度验算

νmax=5×P'×L4/(384×E×Ix)=5×45×10004/(384×206000×50235400)=0.057mm≤[ν]＝L/250=1×1000/250=4mm

满足要求！

4、钢柱支撑计算

纵向型钢受力体系简化为多跨连续梁受集中荷载体系，柱间距为1.0 m，多于5跨按5跨计算，因荷载作用在单跨上时比作用在多跨时力学系数更大，对梁的截面更不利：

横向型钢       纵向型钢       单柱

a.钢柱上方钢筋砼自重（最大跨度取2.72m）：g1=1.5×25×1=37.5kN/m， g取38kN/m

钢柱上方荷载传递给柱身的力N1=（38+0.5）×2.72=104.72kN，取N1=105kN；

b.型钢及支撑架：N2=（0.3+0.5+0.5+1）×2.72=6.26 KN，取N2=6.5kN；

c.荷载组合：N=1.2×（N1+ N2）+1.4×3=138kN，可取140kN；

d.按照简支考虑，钢柱承受荷载：N柱＝140kN

e.考虑采用I56a的工字钢钢架柱，l0=kμl=1×2×5200=10400，长细比λ：λ=l0/i＝10400÷220＝188查表得稳定系数φ＝0.224

f.工作应力：σ=N柱/φA=140×103/0.224×13500=46.3N/mm2，查表得A＝135cm2计算得：σ<215 n>

5.2施工过程中钢结构变形及监控

为了确保施工数据的准确性及施工安全性，进行型钢支撑体系受力全过程跟踪监测。

各型钢梁测点在混凝土浇筑开始后，压力急剧上升，混凝土浇筑完毕后，各钢横梁变形趋于稳定。过程中数据分析，数据均在可控范围内，与理论计算相符合。

6 效益与经济分析

主体结构开始浇筑，圆满完成主体阶段施工任务，通过总结此次支撑体系的成效，不仅保证了施工质量和施工安全，减小了工序之间的施工干扰，也体现了如下效益与经济，为将来在模板支撑体系上积累了技术经验。简化支撑体系及安装工序，减少了对脚手架的投入。提高工作效率，工序大为简化，减小了工作量。

7 结语

经过型钢支撑体系对两河口进水塔胸墙的试行运用，经过优化设计后的模板支撑结构受力合理，承载力和稳定性大大提高，统计结果与实际监测情况较为符合荷载变化趋势基本一致，按照统计荷载值进行高支模体系的设计与校核，符合施工期间荷载作用的规律。本文进水塔胸墙型钢支撑体系模型试验为实际工程中支模结构选型优化和支模体系创新研究提供了一种参考，大大简化施工工艺，减少两个部位之间施工干扰，且能有效提高结构的安全性，且不失经济性，值得工程应用推广。

参考文献：

[1] 胡长明，高大模板扣件式支撑体系施工技术研究[R].西安建筑科技大学，20081；

[2] 龙驭球，结构力学教程Ⅰ。

作者简介：

1.蒋有生（1988-），男，四川绵阳人，工程师，从事水利工程施工管理工作。