碾压混凝土垂直真空溜管下料系统技术的应用与探究

碾压混凝土垂直真空溜管下料系统技术的应用与探究

陈刚

(中国水利水电第九工程有限公司第二分局， 四川 成都 610091)

摘 要：碾压混凝土真空溜管下料入仓技术为上世纪90年代的新推广技术，是国家“八五”科技攻关项目，该技术具有适用范围大、混凝土运输强度高、灵活方便、造价低廉等特点。时至今日，也是碾压混凝土垂直运输辅助入仓方式的绝佳选择之一。2008～2009年该技术在贵州圆满贯水电站碾压混凝土坝的实际运用，并取得了良好的效果。本文将以该实际运用为基础，详细介绍真空下料系统在垂直布置条件下的技术应用。

关键词：碾压混凝土；真空溜管下料；垂直；圆满贯水电站

1 概述

圆满贯水电站拦河大坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶轴线长192.52m，最大坝高82.5m，坝顶高程519.50m，建基面高程437.00m；坝顶厚5m，坝底厚20m。坝体混凝土浇筑总量12.3万m。其中坝体上游3m～6m为防渗层，浇筑C20二级配碾压混凝土；其下游为非防渗层，浇筑C15三级配混凝土。坝上下游0.5m范围均为C20二级配的加浆变态混凝土。整个坝体不设横缝，只在溢洪道两侧设置两条诱导缝。坝体在溢洪道高程以下均采用通仓浇筑，溢洪道以上高程则分左右坝段分开浇筑。

碾压混凝土浇筑具有通仓浇筑、连续快速上升、机械化程度高等优点，但能否实现其上述优点，可靠稳定的混凝土垂直运输方式尤为重要。圆满贯水电站坝址河床狭窄。两岸陡峭，其中左岸布置有上坝顶公路，具备一定的交通运输条件。而右岸则无任何公路，不具备交通运输条件。因此，大坝混凝土的入仓方式起初以一台7050塔机吊罐入仓为主、汽车直接入仓为辅。汽车直接入仓效率较高，但由于需要不停加高路面，只能在坝高30m以下范围得到运用。30m以上坝体在浇筑过程中只能依赖布置在坝右岸的7050塔机。但由于塔机本身效率较低，加上塔机还肩负着起吊材料的任务。实际使用过程中，混凝土的入仓强度达不到通仓浇筑需要的强度，层间的间隙时间过长。因此，从加快混凝土垂直运输强度和保证碾压混凝土层间结合质量两个角度出发，结合本地区山势陡峭等因素。最终选定在左岸增设一45m高差的真空溜管下料系统。以此和塔机入仓相配合，最终达到加快垂直运输速度和保证层间结合质量的双重目的。

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2 垂直下料系统的设计

碾压混凝土为干贫型混凝土。较常态混凝土而言，其砂浆含量较少，所以粗骨料极易发生分离的情况。 因此在真空溜管的设计中应防止骨料分离为最重要指标。

2.1 系统布置

圆满贯水电站垂直真空溜管下料系统布置在左岸坝顶，紧靠左岸坝基。通过左岸的上坝顶公路可以直接至此。该真空溜管系统总高差45m，系统基底高程EL474.5m，顶部高程EL519.5。支撑整个下料系统的钢结构框架柱及溜管布置在坝体碾压混凝土仓面中，下料斗安装在左坝肩顶部平台上，下料斗溜管间采用14m长的皮带输送机输料。混凝土料通过溜管下至仓面，由等候在溜管出口的15自卸

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汽车接料运至仓面制定位置卸料。该系统主要承担了左岸碾压混凝土的入仓浇筑。随着左坝段的快速浇筑，该系统钢结构框架将全部埋设于碾压混凝土中。左坝段浇筑完成后该系统下料斗及皮带输送机部分将进行拆除。真空溜管下料系统平面布置见图1

图1 垂直真空溜管下料系统平面布置图

2.2 结构设计

整个下料系统包括下料斗及下料控制装置、皮带输送机、真空溜管管身、系统支撑结构、防骨料分离结构等五大部分。

下料斗及下料控制装置：下料斗采用6mm钢板制作，漏斗状。由于是采用15t自卸汽车运输混凝土料至坝顶直接卸至下料斗中，因此，下料斗有效容积为12m。下料斗设置四根立柱，全部通过地脚螺栓与事先已浇筑的混凝土基础相连。下料斗底部斗口设置有下料控制装置。装置选用弧门结构，弧门开口尺寸50cm×50cm，弧门的启闭由电动控制系统完成。

皮带输送机：下料控制装置与真空溜管管身采用皮带输送机连接，该皮带机长14m，带宽0.8m，带速2m/s，使用电机功率11kW。皮带机仰角5°。

真空溜管管身：溜管管身为全封闭式结构。为便于安装和检修，管身采用φ400mm钢管制作成4m长的标准节进行组装，每节之间通过焊接法兰后采用螺栓连接。

系统支撑结构：由于管身垂直布置，不沿着岸坡固定，因此设置了独立的系统支撑结构。即采用钢管焊接成钢结构框架柱的形式，钢结构框架柱同样分节制作，分节安装。第一节格构柱预埋在大坝混凝土内1.5m。

防骨料分离结构：为防止骨料分离，在管身上、中、下部位设置2～3个BOX缓冲节。缓冲节直接与管身连接，进出口均为φ400mm圆形截面，其内部为菱形结构，设置多个交叉缓冲通道，以达到缓冲和二次均匀混合的作用。缓冲BOX管采用10mm厚24锰钢制作。另外真空溜管在底部段将角度调

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缓，由90°垂直改为60～70°。使得下滑的混凝土料在底部降低下滑速度，减小骨料分离情况。防分离缓冲BOX管结构见图2。

图2 防分离缓冲BOX管结构图

2.3 方案比选与参数选择

真空溜管输送碾压混凝土入仓技术为国家“八五”科技攻关项目，在普定水电站和大朝山水电站等工程都得到了成功的运用，效果显著。因此，在最初的方案选择上，借鉴了很多工程的成功经验。尤其在溜管布置角度的参数选择上，其他工程均采用了45°的较缓角度。所以在圆满贯水电站工程第一套真空溜管方案设计上，只采用了下料斗及控制装置、管身和系统支撑结构三大部分，管身呈直线布置，没有转角。管身角度则根据左岸岸坡地形情况，确定为60°。支撑结构则采用φ50mm钢管搭设承重满堂脚手架。

第一套方案在施工完成后，就开始了调试工作。从长达一周的调试情况来看，溜管内出现严重堵塞情况。且骨料分离严重。经分析出现该情况的主要原因有三：其一，管身布置角度过小，溜管内产生的摩擦力过大，迟滞了混凝土的下料速度，而混凝土内的粗骨料则利用该落差摆脱了混凝土内砂浆粘结力的束缚，造成了大量的骨料分离。其二，下料斗至管身的供料不均匀，弧门控制下料先多后少，没有形成连续、均匀的供料。其三，管身尺寸选择较小，由于需要输送三级配的混凝土，溜管的管身直径只为φ400mm，相对偏小。且管身采用钢管，为全刚性材料，混凝土在输送过程中无法起到调节压力的作用。其他工程真空溜管管身则多采用下部刚性、上部柔性的复合溜管形式。

鉴于第一套方案不理想的原因，提出了垂直真空溜管下料方案，即第二套方案。该方案从如下方面对第一套方案进行了优化：首先将溜管角度从60°改为垂直的90°，减少管壁对混凝土的摩擦力；其次在下料控制装置和溜管之间增设了皮带输送机，保证了均匀、连续的供料；最后在溜管的上、中、下部位均设置了BOX缓冲管，以减小混凝土在垂直输料中的骨料分离情况。第二套方案见图3，第一套方案见图4。

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图3 第二套方案立视图 图4 第一套方案立视图

3 运行机理

碾压混凝土在第一套方案溜管里下滑时，粗骨料脱离砂浆滚动加速跳跃前进，细骨料被砂浆裹着随砂浆流动，因而产生了骨料分离和堵塞溜管的情况。要使混凝土在溜管中下滑不分离，就要制止粗骨料的滚动跳跃加速度，使粗骨料的前进速度等于或小于砂浆的流动速度，造成砂浆裹着细骨料，推动粗骨料一同呈流动下滑状态 。

当混凝土入仓强度和混凝土级配一定时，管内混凝土的下滑速度受管壁材料的摩擦力、管内真空度、混凝土前后形成的压力差和混凝土自重几个方面的影响。而真空溜管就是需要以一半刚性、一半柔性的材料，利用真空负压致使下滑的混凝土料充满整个管体截面，使其在真空负压的牵引下克服管壁的摩擦力适速下滑，造成整体滚动状态，以消除分离。而在第一套方案中由于溜管角度和溜管材质的选择问题，混凝土在溜管内已无法形成真空负压，致使混凝土的自重无法完全克服管壁摩擦力，形成堵塞。而粗骨料则在未形成真空的条件下跳跃、加速，最终形成骨料分离。

第二套方案虽未改变管壁自身的材质问题，仍采用全刚性材料。但皮带机均匀的供料很大程度上形成了混凝土充满管体的状态，也就是形成了一定程度上的真空状态。加上垂直的管路的布置很大程度上降低了管壁的摩擦力。混凝土在其自重和负压的牵引下近乎均匀的向下滑动。骨料分离的情况较少。而近乎自由落体的垂直管路必须加装多层缓冲设施。BOX缓冲管就起到了很好的效果，垂直的溜管虽然效果大有改善，但仍存在一定程度上的分离，BOX缓冲管利用内部菱形结构，首先降低了混凝土料在此处的下料速度，设置多个交叉缓冲通道，以达到缓冲和二次均匀混合的作用。

4 实际运行效果与技术特点

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