摘要：两河口电站大坝设计为砾石土心墙堆石坝，由于地处高海拔、高寒地区，冬季昼夜温差较大，为使砾石土心墙填筑质量达到设计要求，当夜间气温低于0°时，应对其采取覆盖土工布进行保温，为此，每天早、晚需对土工布进行覆盖和揭开并搬离作业，人工作业费工、费时，国内尚无有效施工设备，根据这一状况本人所研发的土工布卷放机在该工程进行了实际应用，并取得良好效果。
关键词：高寒地区；砾石土心墙坝；土工布卷放机；研发与应用
1、概况
两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河汇合口下游约2km河段。大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高295.00m。心墙防渗体顶宽为6m，顶高程2874.00m，心墙上、下游坡比均为1：0.2，心墙两岸岸坡基岩表面设1m厚的混凝土盖板，盖板与心墙连接处铺设水平厚度4m的接触性黏土，大坝心墙砾石土设计填筑量441.14万m³，接触黏土17.96万m³。
2、工程区冬季气候特点
结合对近4年11月（部分时间）、12月（全月）、次年1月（全月）、次年2月（部分时间）气象资料进行分析。近4年冬季平均出现负温时段主要为1：00～11：00。平均出现负温频率为32%，根据《碾压式土石坝施工规范》（DL/T5129-2013）规定，当气温低于0℃时应停止土料施工并采取覆盖保温措施，保温后仓面已填筑土料不出现冻土。对此，负温时段将直接影响大坝心墙填筑工期。
3、土工布卷放机研发目的和意义
两河口水电站主坝的填筑主要是取决于砾石土心墙的填筑速度，根据上述工区气候特点，需要在填筑面上覆盖保温材料进行保温。按照设计要求采用土工布进行覆盖保温。土工布型号为：600g＋200g＋200g/m²二膜一布复合土工布，规格为：6m×100m＝600 m²/块。
两河口水电站大坝砾石土心墙的表面积是随着填筑的高度变化的，自2017年至2022年列年冬季保温面积为5200 m²～19600 m²不等，为不影响冬季施工，每天傍晚要覆盖土工布，次日上午又要将土工布揭开并搬离作业区域。根据2016年冬季摊铺、收卷情况：在7800 m²面积时，傍晚需25名劳务工人及二台工程机械配合工作4.5小时进行摊铺，次日上午需45名劳务工人及二台工程机械配合工作1.5小时进行收卷并搬离，每日总用工为70人，总工时为6小时，配合机械4台工作6小时，由此这样的作业方式费工、费时、费成本。
因此，研发高效、快速的土工布卷放机替代人工进行摊铺、收卷、搬运作业显得尤为迫切和意义重大。
4、土工布卷放机的研发
所研发的土工布卷放机应该满足结构简洁、机动灵活、操作性强、快速高效、省时省力，比原来的人工加机械配合施工具有生产效率高、成本低的优势。应凸显其经济效益、性价比高的优点。总体设计思路为：采用装载机作为底盘并提供液压系统的动力来源，研发一套可张合的双臂，并能通过卷筒进行收卷土工布的工作装置，张合臂可夹持搬运卷筒。设计范围包括以下内容：
4.1 卷放机卷筒设计
设计多个卷筒的方式收卷土工布是因为填筑总面积较大，应根据土工布每块600 m²的面积分块摊铺。卷筒总长为6.9m，采用外径159mm，壁厚6.5mm的无缝钢管，另考虑地面不平会导致卷放机在卷收土工布时出现卷偏现象，在卷筒的二头0.3m处各设置了一只挡盘，挡盘直径0.8m，略大于土工布满卷时的0.7m。
为了机械的方式快速搬运卷筒及土工布，将卷筒两端设计成锥尖形，其中靠液压马达驱动端的卷筒与锥尖交界面处焊有驱动凸块，以传递旋转动力。
4.2传动部件设计
为降低驱动形式的复杂程度，未采用皮带、链条或减速机传动方式，而是采用行星液压马达直接驱动卷筒的方式，所选液压马达的型号为：NAM6-800B/D31，该型号液压马达转速4-300转/分，扭矩2073N.M，最大功率52千瓦，并且满足装载机17Mpa的液压系统工作压力条件。
4.3张合臂的设计
张合臂是整个土工布卷放机的旋转驱动及夹持卷筒的主要工作装置，为了将地面上的卷筒快速安装到卷放机上，卷放机设计成左右二只臂可同时张合，每只臂的张合距离为0.5m，其中一只张合臂为主动端，主动端外侧安装有行星液压马达，二个张合臂的内侧设计有锥套，锥套通过径向推力轴承固定在张合臂的前端，作业时通过张合臂的锥套对准卷筒的锥尖即可夹持卷筒。另在驱动端的锥套外侧焊有传动凸块，当张合臂夹紧卷筒的锥尖时，该凸块与卷筒上的凸块啮合达到传递旋转力的作用。在二个张合臂的尾部各安装有一只液压油缸，通过液压油缸活塞杆动作，致使张合臂张开或合拢，达到夹持卷筒的目的。
4.4主架的设计
主架是用来支撑和固定整个土工布卷放机的，同时它本身也采用销轴固定在装载机的前臂上。主架设计为桁架式结构，张合臂安装在它的二侧，由于主架长度较长（超过卷筒长度），为加强主架的稳固性，在主架与装载机动臂上部采用斜撑加固。
4.5液压系统的设计
液压操作系统油路是土工布卷放机能否实现动作的关键，原装载机操作油路只有铲斗提升、下放和铲斗翻转二个动作，现根据土工布卷放机的需要，卷放机的提升、下放动作要保留，另外还需张合臂油缸的张开与合拢及液压马达的驱动二条油路，因此需对装载机的油路进行改装，增加一路驱动马达油路及控制操纵装置。
经过改装，司机可通过操纵杆控制液压马达转速大小和旋转方向，从而达到卷放土工布的目的。
4.6卷放机总图
1—土工布 2—卷筒 3—张合臂 4—主架 5—装载机
图：土工布卷放机
5、应用效果
2017年11月至2018年2月，土工布卷放机研发完成后在两河口砾石土心墙坝上得到了实际应用。在实际使用中，一名熟练司机傍晚操作土工布卷放机从大坝土工布堆放场地夹持搬运至摊铺位置并摊铺完毕平均仅需4.5分钟/卷（600 m²/卷），1小时内即可完成7800 m²的摊铺面积。次日上午收卷作业耗时同上。
施工效果优良；它摊铺速度快、平整、线条直、搭接均匀，完全达到了土工布保温覆盖的设计要求。
6、经济与社会效益
6.1经济效益
按7800 m²摊铺面积成本对比。
6.1.1人工加机械
（1）每天傍晚覆盖4.5小时：25人人工费93750元/月，二台工程机械配合台班费48000元/月。
小计：141750元/月。
（2）每天早晨卷收1.5小时：45人人工费63281.25元/月，二台装载机配合台班费18000元/月。
小计：81281.25元/月。
合计：223031.25元/月。
6.1.2土工布卷放机
（1）每天傍晚覆盖1小时：一台台班费6000元/月，一名司机人工费937.5元/月。
小计：6937.5元/月
（2）每天早晨卷收1小时：一台台班费6000元/月，一名司机人工费937.5元/月。
小计：6937.5元/月
合计：13875元/月。
从上述对比可知：
采用人工方法施工将耗费223031.25元×4个月=892125元/年×6年=535.275万元。
采用土工布卷放机的施工成本为13875元/月×4个月=55500元/年×6年=33.3元。
由此直接节约成本：535.275万元-33.3万元=502万元。
2018年5月8日两河口大坝全断面填筑至高程2680m，比合同工期提前23天到达200年一遇度汛目标，其间接经济效益为480余万元（两河口大坝工程标23天的人工工资和管理费，未含2018年6月1日至2022年12月底大坝砾石土心墙填筑节省的工期）。
6.2社会效益
土工布卷放机研发与应用成功，为高寒地区砾石土料心墙冬季快速施工提供捷径，为国内外类似工程施工提供借鉴。
7结束语
土工布卷放机在两河口水电站的成果应用，相比人工作业，大大减少了人工，提高了工作效率，缩短了土工布的卷放搬运时间，为大坝心墙的正常填筑赢得了时间，为实现大坝主体工程的按期完工打下了坚实的基础，为国内外类似施工工程提供了良好的新型施工方案。
论文作者:姜国平
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/13
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