1 问题提出

福建省松溪县的六墩水利设施, 其设计流量4 m³·s^-1, 水渠全长53 km, 总投资470万元, 起点是浙江省庆元县马蹄岙水电站, 沿途经过旧县、河东、城关3个乡镇, 由东向西横穿整个松溪小平原。在经过旧县黄泥坑处, 为两山夹一沟, 原来是采用“导洪管”, 其直径是1.6m, 长201 m, 高差27 m, 是钢丝网混凝土结构。高差大、水压高, 经过几年使用, “导洪管”的接头漏水严重。特别是管壁的钢丝网烂了, 难以修复, 严重地影响农业生产。省、地、县水利部门经过多次努力, 仍无法解决, 后由福建省水电厅批复, 改为“渡槽”通水。

渡槽设计采用墩式钢筋混凝土肋条拱装配式结构, 共有8墩7孔, 渡槽标高27.2 m, 长158 m; 墩距20 m, 拱墩标高19.6 m, 拱墩采用方整石干砌, 空心结构。规格是220 cm×260 cm, 空心120 cm ×220 cm, 承重构件是14条肋条拱, 每条规格35 cm×45 cm, 长20 m、高5 m、重7.2 t, 钢筋混凝土结构。

2 方案选优

由于渡槽大、跨度大、空心的拱墩又高, 7.2 t重的肋条拱, 吊装作业难度大, 松溪县又是闽北边远的山区, 交通不便, 请外地的大型吊装机械, 运输困难, 费用至少20多万元, 成本高; 手工作业, 用绞车“土龙门吊”, 搭架用材多, 且不安全。于是, 提出利用林业索道设备来进行吊装。

根据吊装工程作业条件, 选用2台制动性能较好、多功能的闽林821型绞盘机。ф28 mm的钢丝绳作3线承载索; ф15.5 mm的新索作为起重索; ф18 mm作捆件索, 支架、桩柱的护索; 复式滑车用ф11 mm的新索。GS₃型跑车行走轮6组。索道的转向滑车、卡子等均按设计备足。

3 索道设计 3.1 设计要求

完整地进行索道设计计算; 绘制索道纵断面图; 当在跨中时, 肋条拱高5 m, 跑车和吊具2 m, 后备高度(即吊物最低点至渡槽墩顶净空高)要保证大于1 m, 采用全悬空吊装装配式渡槽。

3.2 索道设计计算

应用悬链线理论(罗桂生等, 1999; 周新年, 1987; 1989; 1992; 1996;周新年等1999), 编制计算机辅助设计系统, 输出结果。

给定条件数据  跨距: L₀ =244.00 m; 弦倾角: x =2.11°; 无荷中挠系数: S₀ =0.03;跨距等分数: M =20;每条承载索的设计荷重: P =30 000 N; 初选承载索安全系数: N_T =2.5;索道上、下支点至地面高度: Y₀ = 12 m; 每条承载索的跑车轮数: N₀ =4个。

每条承载索规格参数  单位长度重力: q =27.4 N·m^-1; 弹性模量: E =100 000 MPa; 横截面面积: A = 289.95 mm²; 钢索钢丝的破断拉力: T₁ =492 500 N; 破断拉力降低系数: C_T =0.85。

每条承载索设计计算结果无荷悬索长度: L_W =244.75 m; 有荷索长: L_Y =245.76 m; 承载索无荷水平拉力: H₀ =27 909 N; 下支点安装拉力: T_X =28 005 N; 有荷水平最大拉力: H_P =145 958 N; 承载索有荷最大拉力: T_M =147 878 N; 振动波往返一次所需时间: S_E =4.89 s; 承载索的实际安全系数: N₁ =2.83;承载索耐久性: C =19.72;承载索的锚碇验算, 满足要求。

无荷挠度  f₀[1] =1.390; f₀[2] =2.634; f₀[3] =3.732; f₀[4] =4.683; f₀[5] =5.488; f₀[6] =6.146; f₀[7] =6.659; f₀[8] =7.025; f₀[9] =7.246; f₀[10] =7.320; f₀[11] =7.248; f₀[12] =7.030; f₀[13] =6.665;f₀[14] =6.154; f₀[15] =5.496; f₀[16] =4.691; f₀[17] =3.739; f₀[18] =2.640; f₀[19] =1.394; f₀[20] =0。

有荷挠度  f_y[1] =4.798; f_y[2] =7.227; f_y[3] = 9.035; f_y[4] =10.453; f_y[5] =11.575; f_y[6] =12.452;f_y[7] =13.113; f_y[8] =13.575; f_y[9] =13.851; f_y[10] =13.945; f_y[11] =13.859; f_y[12] =13.592; f_y[13]=13.137; f_y[14] =12.484; f_y[15] =11.614; f_y[16] =10.496; f_y[17] = 9.082; f_y[18] = 7.276; f_y[19] =4. 843; f_y[20] =0。

跨中坐标(122, -7.6)处的地面疑点与有荷悬索线形垂直距离H_Y为: H_Y =10.150 m。

跨中的有荷中央挠度F_Y =13.945 m, 则有荷中挠系数为0.057 15。

3.3 绘制索道纵断面图

按20等分绘制索道无荷线形和有荷线形, 以索道下支点的地面点为坐标原点, 地面变坡点坐标(中部按渡槽墩顶)依次为: (0, 0)、(20, 0)、(27, -7.6)、(122, -7.6)、(185, -7.6)、(191, 0)、(225, 0)、(229, 5.9)、(244, 9)。绘制索道纵断面图, 见图 1。

3.4 索道设计结论

在跨中全悬吊装装配式渡槽(即肋条拱)时, 肋条拱高5 m, 跑车和吊具2 m, 二者之和7 m, 则实际后备高度(吊物最低点至渡槽墩顶净空高) C为

本索道可采用全悬空吊装装配式渡槽。

4 主要结构与工作原理 4.1 主要结构

吊装索道沿渡槽设计中线进行架设。为此, 沿着渡槽中线进行索道的高程测量, 绘制索道纵断面图(图 1)。根据渡槽安装的高度, 索道有负荷时最大挠度和需要的净空高, 计算确定索道两端钢支架的最小高度为12 m; 确定钢支架、承载索两端固定的土坑桩柱的位置、规格, 绞盘机位置等。

两端的钢支架是两柱一梁, 成“冂”型, 高12 m, 宽2.3 m, 见图 2。材料为角钢∠40 ×40 ×4、∠60 ×60 ×6、∠80 ×80 ×8, 两立柱和顶梁均为桁架式, 其规格40 cm ×40 cm、40 cm ×60 cm。两立柱间水平和斜拉杆加固, 底部加15 mm的钢板2, 固定在地面平铺的16 cm ×24 cm松方料1上。支架顶部平放一根ф 36 mm的对开松木6, 加强支架的稳定性。每个支架固定4条ф18 mm钢索的支架护索4, 通过相应的张紧螺丝3固定在地垄支座上。

承载索两端的固定桩柱(图 2)。根据地形、土壤条件与索道的要求, 在每条承载索的延长线上, 距离钢支架30~50 m, 设群桩支柱卧式土坑支座10, 为承载索的固定桩柱。每个主桩前后错开距离3~5 m。地坑规格深2~2.5 m、宽0.8 m、长3 m, 主桩立木ф40~50 cm的松木长5 m, 挡木8是ф10 cm以上, 长3 m的小径木。主桩立木9与地面成75°, 斜立坑中的前壁横摆挡木埋土夯实, 上端固定2条ф18 mm的钢索, 并成水平夹角30°, 后拉索11分别固定在地垄支座12上。承载索固定处用小径材围1圈保护。

跑车和吊具。承重每条肋条拱净重7.2 t, 考虑跑车与吊具等重力, 按9 t设计, 要使3条承载索均匀受力, 通过跑车的结构, 使3条索道连成一个整体是关键; 其次, 通过跑车的结构来实现2台绞盘机能同步协调作业; 第三, 肋条拱较长, 应有2个吊点, 且设在它的长度的1/3和2/3处。

跑车和吊具的材料。GS₃型跑车行走轮6组; 5 t双门滑车5个; 3 t单轮滑车4个; 2条横梁用8 kg的钢轨对焊, 长1.6 m; 纵梁用角钢制成桁架梁20 cm×30 cm ×700 cm; 吊梁用角钢制成桁架梁20 cm ×40 cm ×500 cm。

跑车及吊具的装配。当3条承载索5通过两端钢支架上5 t滑车7拉好后(图 2), 在未张紧前进行跑车装配。即图 3的每条承载索挂上2组行走轮, 左右索4、6分前组、后组用U型耳环和横梁3连接。前后横梁中点处及中索5的2组行走轮, 用绷绳按设计的距离与纵梁7连接, 然后在纵梁上固定5个5 t双门滑车9。同时在吊梁10上等距离固定4个3 t单轮滑车1和吊索11, 最后穿上起重索(图 3)。

起重索的布设。跑车和吊梁配置好后, 即进行起重索的布设。左机的起重索8, 通过转向滑车从索道的左端进入跑车纵梁上的第1个双门滑车的左轮。然后穿过吊梁上左端的滑车, 再进入纵梁上第2个双门滑车的左轮后又穿过吊梁的第2滑车。再穿过纵梁上第3、4、5的双门滑车的左轮, 最后固定在索道右端的地垄上。右机的起重索2, 按同样穿连的方法从索道的右端进入。穿过跑车的滑车, 固定在索道左端的地垄上。

3条承载索张紧。承载索是利用绞盘机的动力通过复式滑车张紧的, 其间距为0.7 m。先张紧中索到适度后, 左右索同时张紧。反复数次。用敲击法, 使3条承载索张紧到适度, 跑车6组行走轮均衡受力, 跑车平衡。最后将承载索分别固定在桩柱上。

4.2 工作原理

2台机手严格按绞盘机操作规程开机, 精力集中, 听从指挥, 密切配合。特别是吊件起吊, 跑车运行和降落对位, 应互相协调。同时要经常检查索道各部位的紧固情况, 做到安全生产。

绞盘机手开动摩擦卷筒, 使跑车运行到应吊装肋拱跨的上方。两机同时放起重索, 使吊梁落到应吊肋拱中间。

捆件(挂钩)工, 按指定的吊点将肋拱索挂好, 同时将两端的转向护索和肋拱就位后的3~4条的固定护索等捆好。

指挥员检查索道各部位安全, 吊件、吊索、护索以及各种护索临时固定的桩、柱准备和工作人员的岗位等。

两机手同时起动绞盘机, 拉紧转向索制动卷筒。肋拱起吊时, 由于离开木模板的静摩擦力大, 加上索道的弹力, 在肋拱离位竖起时会翻摆, 所以起吊时, 先慢速抽紧吊索, 快离位竖起时应高速起吊竖起后再中速平稳上升。同时应注意转向索使吊件不靠且不碰撞拱墩。当肋拱超过拱墩顶部高度后, 放松转向索或拉紧转向索或调整跑车位置, 慢慢降落对位装配。

肋拱对位装配后, 将左右护索固定好后解掉吊索, 落下吊梁准备吊装第2条拱。

2条肋拱就位后。即可吊装肋拱柱杆。最后焊接固定成整体。

5 使用效果

在整个渡槽吊装作业期间, 索道和跑车的性能是良好的。吊装作业安全顺利, 比预计还理想。从构件的起吊到对位装配, 整个过程中均由指挥员指挥和绞盘机手灵活控制。起吊运行平稳, 升降灵活, 对位装配方便准确; 工效高, 成本低。

工程队原计划采用渡槽土办法的吊装工艺。计划工时12 000工。时间1 a, 搭架用木材200 m³, 费用16万元; 如果是请外地的大型吊装机械包括道路开设费用预计20万元。而采用索道工程吊装, 包括装配技术工、杂工共15人, 历时103 d, 实际工时1250工。工人工资、材料费及设备租借费共开支6万元。与手工对比时间, 提前8.5个月, 工效提高9倍多, 直接费用节约10万元, 木材节省200 m³。

索道吊装具有投资少、投产快的特点, 不但能为水利、桥梁施工中建材、土石方或吊装预制构件和设备等的起重吊运、安装等服务, 更重要的是减轻劳动强度, 提高工效, 缩短工期, 保证工程质量, 索道作业既安全又可靠, 节约建筑材料和国家投资(张先麟, 1995)。通过渡槽吊装作业理论分析, 实践总结, 综合认为林业索道吊装装配式的渡槽、桥梁或露天矿区矿石和水坝施工中沙石料的吊运等, 技术上是可行的, 经济上是合理的, 值得推广与运用。