壩下泄洪頂沖區(qū)大型圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

涂偉成，楊明波

(中交二航局第一工程有限公司， 武漢 430012)

壩下泄洪頂沖區(qū)大型圍堰施工關(guān)鍵技術(shù)

涂偉成，楊明波

(中交二航局第一工程有限公司， 武漢 430012)

論文依托富春江船閘擴(kuò)建改造工程，研究總結(jié)了該工程水上圍堰的設(shè)計(jì)優(yōu)化、防沖穩(wěn)定、防滲、防護(hù)、監(jiān)測(cè)及維護(hù)管理等技術(shù)要點(diǎn)。

運(yùn)行樞紐; 圍堰; 防沖穩(wěn)定; 防滲; 監(jiān)測(cè)

1 工程概況

富春江船閘擴(kuò)建改造工程位于錢(qián)塘江中下游桐廬縣富春江水電站樞紐右岸，工程擬在原有船閘下游新建一座Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)船閘(兼顧1 000 t級(jí)船舶的過(guò)閘要求)。原有船閘加固后作為上游引航道，新建船閘包括上游引航道、上閘首、閘室、下閘首和下游引航道，混凝土澆筑總方量約42萬(wàn)m3。作為全國(guó)首座在運(yùn)行樞紐工況條件下的擴(kuò)建改造船閘，其圍堰布置在大壩泄洪區(qū)，距大壩下游僅約35 m，圍堰的抗沖穩(wěn)定性能否滿足要求，是整個(gè)項(xiàng)目順利實(shí)施的成敗關(guān)鍵。

1.1 總體布置

施工圍堰布置在原大壩右岸老船閘下游側(cè)，是富春江船閘改造工程安全施工的保障性建筑物，起點(diǎn)從老船閘的閘室左邊墻開(kāi)始，至下游江心洲河灘止，平行于擴(kuò)建船閘的左邊墻軸線布置，圍堰總長(zhǎng)達(dá)1 613 m。

1.2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

1)富春江水電站為日調(diào)節(jié)河床式水電站，當(dāng)上游來(lái)水流速超過(guò)3 000 m3/s時(shí)，水庫(kù)必須泄洪。大壩設(shè)有17個(gè)泄洪孔，每孔設(shè)計(jì)泄洪流量1 100 m3/s。自1969年至2008年統(tǒng)計(jì)，枯水年泄洪天數(shù)為4天，平水年為14天，豐水年為17天，年平均泄洪2.6次，泄洪期水位落差達(dá)16 m，經(jīng)數(shù)學(xué)模型模擬分析，最大泄洪流速達(dá)12 m/s，流態(tài)復(fù)雜具有很強(qiáng)的沖砸效應(yīng)，泄洪期主要在4～7月。除泄洪期外，電站每日開(kāi)機(jī)發(fā)電，發(fā)電流量400～3 000 m3/s，壩下尾水位的變幅達(dá)6 m；

2)圍堰的抗沖穩(wěn)定性能否滿足要求，是整個(gè)項(xiàng)目順利實(shí)施的成敗關(guān)鍵；

3)施工期間，電站每日開(kāi)機(jī)發(fā)電，壩下尾水位的變幅達(dá)6 m，且土石圍堰為砂卵石回填料，厚度較大，給混凝土防滲墻成槽及防護(hù)施工造成極大困難；

4)頂沖段河床基巖起伏較大，給防沖結(jié)構(gòu)施工造成較大困難。

2 圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)工程特點(diǎn)，圍堰設(shè)計(jì)分上、下兩層，在施工期間，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用非汛期(10月～次年4月)10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，流量為7 110 m3/s；下層主體圍堰為過(guò)流圍堰，設(shè)計(jì)過(guò)水標(biāo)準(zhǔn)為全年10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，流量為15 300 m3/s[1]。

下層主體圍堰即為混合結(jié)構(gòu)的過(guò)水圍堰。對(duì)于壩下至0+185樁號(hào)處于樞紐泄洪消能區(qū)段，在10年一遇洪水以下，泄洪消能水墊不足，其縱向圍堰過(guò)流保護(hù)結(jié)構(gòu)頂高程及防滲墻頂高程設(shè)置在6.5 m，并對(duì)與老船閘相銜接130 m范圍迎水面采用相互連接的鋼筋混凝土預(yù)制沉箱加拋石防護(hù)的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)作為防沖結(jié)構(gòu)物；對(duì)于0+197～0+788段，按照電站滿發(fā)流量Q=3 070 m3/s，相應(yīng)水位為9.2 m，確定堰體防滲墻施工平臺(tái)高程為9.5 m。防滲墻施工完成以后，堰面5.0 m高程以下采用模袋混凝土+格賓石籠防護(hù)，5.0 m以上高程采用鋼筋石籠+混凝土面板防護(hù)，背水面的護(hù)面結(jié)構(gòu)采用鋼筋石籠+混凝土面板防護(hù)一直延伸至船閘外側(cè)灌砌石防沖護(hù)坦的齒墻。

上層設(shè)置子圍堰，頂寬6 m，頂高程為12.5 m，兩側(cè)坡比為1∶1.5，采用土工膜心墻防滲，堰體采用河灘砂礫料填筑，迎水面設(shè)60 cm厚理砌塊石護(hù)面，在汛期大洪水時(shí)臨時(shí)拆除過(guò)水。圖1、圖2為圍堰斷面結(jié)構(gòu)圖。

2.1 防沖結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鑒于圍堰布置在大壩泄洪區(qū)，為抵抗大壩泄流的破壞力，原設(shè)計(jì)頂沖段迎水側(cè)布置30個(gè)預(yù)制沉箱作為防沖結(jié)構(gòu)，但根據(jù)抗沖穩(wěn)定性、河道通航條件、設(shè)備資源、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性等各方面綜合分析，另提出了整個(gè)下放鋼套箱現(xiàn)澆沉箱方案，并進(jìn)行了方案比選，見(jiàn)表1。

表1 沉箱施工方案比選表

1)沉箱預(yù)制方案：沉箱選擇在唐家洲上分節(jié)預(yù)制，建造臨時(shí)出運(yùn)碼頭，并對(duì)碼頭前沿的出運(yùn)水域通道進(jìn)行疏浚，通過(guò)駁船運(yùn)輸至安裝位置，采用浮吊安裝。

2)沉箱現(xiàn)澆方案：首先進(jìn)行縱向堰體砂卵石料的填筑，從唐家洲向大壩方向填筑，同時(shí)進(jìn)行沉箱鋼套箱模板分節(jié)制作，陸運(yùn)至沉箱布置區(qū)域進(jìn)行拼裝，浮吊直接起吊安裝鋼套箱，陸上天泵澆筑水下混凝土。

3)方案比選：根據(jù)沉箱預(yù)制、現(xiàn)澆兩種施工方案優(yōu)缺點(diǎn)，綜合整個(gè)圍堰施工中設(shè)備需求、抗沖性能、安全性、進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，沉箱現(xiàn)澆方案可滿足進(jìn)度、抗沖性好、安全可靠，且施工可行性高，成本與預(yù)制方案相當(dāng)，故選用沉箱現(xiàn)澆方案。

2.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圍堰樁號(hào)0-070～0+185頂沖段，原設(shè)計(jì)鋼筋混凝土護(hù)面板頂標(biāo)高為6.5 m，電廠每日開(kāi)機(jī)發(fā)電，外側(cè)水位大部分時(shí)段高于6.5 m，致使護(hù)面板有效施工時(shí)段短，因此調(diào)整頂沖段防護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)高至9.0 m，護(hù)面板厚度由原來(lái)0.6 m加厚至0.8 m，并與沉箱有效連接，確?？箾_穩(wěn)定。

3 圍堰施工

3.1 圍堰填筑

圍堰填筑前，須先對(duì)河床圍堰防滲墻軸線3 m范圍內(nèi)大于20 cm以上的大塊石進(jìn)行清理?？v向圍堰以陸上推進(jìn)回填方式施工為主，水上方駁回填為輔。為減小混凝土防滲墻、高噴防滲墻的施工難度，提高施工效果，圍堰填筑時(shí)，防滲墻軸線區(qū)域的盡量選用級(jí)配較好的細(xì)骨料或者粘土含量較多的細(xì)料回填，并控制回填料寬度不小于3 m。優(yōu)先完成橫向圍堰填筑，通過(guò)橫向圍堰斷流減少江水對(duì)縱向圍堰土石方填筑時(shí)的沖刷。

3.2 沉箱施工

圍堰在0-070 m～0+060 m頂沖段迎水面布置30個(gè)沉箱，沉箱平面尺寸5.0×5.0 m。圖3為沉箱施工工流程。具體施工步驟如下：

1)施工前，通過(guò)掃海測(cè)量及潛水員下水觸摸，確定沉箱基床巖面標(biāo)高及起伏情況；

2)根據(jù)實(shí)測(cè)巖面標(biāo)高確定整平后的標(biāo)高，通過(guò)拋放袋裝砼將沉箱四周基床整平至安放標(biāo)準(zhǔn)，然后安放混凝土墊塊及整平導(dǎo)軌檢驗(yàn)。

3)鋼套箱模板加工制作，汽車(chē)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。模板采用5 mm厚鋼板，∠50×6 mm角鋼作次肋，間距450 mm；主肋由2根槽10 cm雙拼。模板分兩次拼裝，后場(chǎng)分節(jié)拼裝，拼裝高度2～3 m；前場(chǎng)整體拼裝，將分節(jié)拼裝好的鋼套箱模板安裝成一個(gè)整體。模板吊裝前在其外邊距離模板50 cm處設(shè)置DN 150×3 mm鋼管，通過(guò)角鋼與鋼套箱模板焊接固定，鋼管兩端用膠布封堵，便于錨桿施工。

4)鋼套箱模板采用80 t起重船水上吊裝，前場(chǎng)拼裝平臺(tái)搭設(shè)在已填裝完成的圍堰上，以方便起重船吊裝。2根7.5 m長(zhǎng)的槽25型鋼作為鋼套箱模板吊架，在頂節(jié)鋼套箱模板4個(gè)加強(qiáng)角處穿入8個(gè)M 20精扎螺紋鋼，螺紋鋼底部用螺帽固定，上部與吊架連接；鋼套箱模板沉放過(guò)程中，在沉箱兩對(duì)角綁定兩個(gè) GPS以定位沉箱角點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)確定沉箱位置，以確保鋼套箱模板安放在袋裝混凝土上，并調(diào)整鋼套箱垂直度。

5)混凝土澆筑時(shí)采用雙導(dǎo)管水下澆筑砼，導(dǎo)管底口距沉箱底部30 cm。

6)相鄰沉箱混凝土澆筑后，根據(jù)空隙實(shí)際寬度插入組合模板作為水下混凝土模板，組合模板與鋼套箱模板焊接固定，采用導(dǎo)管法澆筑水下混凝土，使沉箱之間連成整體。

7)待相鄰沉箱混凝土澆筑完成約5個(gè)之后，開(kāi)始沉箱后方回填，并保持與沉箱一定步距，防止回填料進(jìn)占沉箱基床而影響沉箱安放。

8)沉箱錨桿鉆孔采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，主要鉆進(jìn)預(yù)埋管內(nèi)混凝土及3.5 m厚巖層，每個(gè)沉箱鉆孔完成后立即將錨桿植入孔內(nèi)，采用灌漿機(jī)由底往上灌漿，直至孔頂返回濃漿為止。

9)沉箱頂層混凝土澆筑時(shí)，在混凝土初凝前梅花形式植入鋼筋φ20@500，待護(hù)面混凝土施工時(shí)，預(yù)留鋼筋與護(hù)面混凝土鋼筋焊接成一個(gè)整體，保證沉箱與護(hù)面混凝土連成一個(gè)整體，共同抵抗泄洪沖刷力。

3.3 防滲墻施工

圍堰做好防滲處理，形成干地施工是其工程能否順利實(shí)施的關(guān)鍵[2]。圍堰0-070～0+543區(qū)段采用60 cm厚砼防滲墻，軸線0+543以下部分采用是高噴防滲墻。砼防滲墻施工區(qū)段主要是新填筑的砂礫料，厚度較大，且水下回填部分無(wú)法分層碾壓，對(duì)防滲墻施工帶來(lái)很大的難度，易產(chǎn)生孔斜、塌孔等問(wèn)題；且電站每日開(kāi)機(jī)發(fā)電，壩下尾水位的變幅達(dá)6 m，圍堰填筑后，過(guò)水?dāng)嗝鏈p小，造成一定的水位雍高，白天正常發(fā)電水位達(dá)9.5 m左右，與圍堰填筑頂標(biāo)高相當(dāng)，造成砼防滲墻成槽施工難度較大。針對(duì)以上施工難點(diǎn)，本工程主要采取以下措施：

1)導(dǎo)向槽施工?；卣胶笠苑罎B薄墻軸線為中線進(jìn)行開(kāi)挖，用鋼筋砼澆筑一個(gè)寬度60 cm，高度100 cm的導(dǎo)向槽。導(dǎo)墻頂面標(biāo)高設(shè)置為10.0 m，內(nèi)側(cè)間距70 cm，保證槽內(nèi)泥漿液面高出外側(cè)水位。導(dǎo)向槽橫斷面如圖8所示。

2)泥漿的制備。根據(jù)本工程外側(cè)水位頻繁漲落特點(diǎn)，采用三級(jí)膨潤(rùn)土制漿，漿液性能應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3)成槽施工。①鉆抓法：采用“三鉆兩抓法”工藝進(jìn)行施工，沖擊鉆機(jī)鉆取主孔，抓斗機(jī)高效抓取副孔，此方法主要針對(duì)臨時(shí)圍堰填筑料為砂卵石料，相對(duì)原始地層比較松散，在防滲墻施工中容易漏漿及大面積坍塌，難已成槽，并考慮沖擊鉆機(jī)在鉆主孔時(shí)多加粘土，達(dá)到對(duì)松散地層的擠密作用，起到堵漏效果，為抓斗順利抓取副孔創(chuàng)造條件。如抓斗施工時(shí)發(fā)生嚴(yán)重漏漿現(xiàn)像，則應(yīng)立即回填粘土和砂子堵漏，反復(fù)抓填，直到漿液面不下降為止，確保成槽質(zhì)量。在入巖后，采用鉆鑿法施工以確保入巖深度(不小于50 cm)；②槽孔長(zhǎng)度及其劃分：為保證沖擊鉆機(jī)和抓斗施工效率，一期槽孔擬定為6.4 m，共分為5個(gè)孔，3個(gè)主孔單個(gè)寬度為0.6 m，另2個(gè)副孔單個(gè)寬度為2.3 m。槽段連接采用“接頭管”連接方法，如圖4所示。

3.4 施工階段問(wèn)題處理

1)在沉箱安裝和澆筑中，發(fā)現(xiàn)部分沉箱安放垂直度和頂面平面位置偏差較大，封底砼發(fā)生側(cè)漏情況，經(jīng)研究分析：主要原因在于基床整平效果不佳。對(duì)于巖面起伏較大的區(qū)域，采取拋放較大噸袋混凝土將沉箱四周基床整平至粗平標(biāo)準(zhǔn)，安放混凝土墊塊及整平導(dǎo)軌，然后用較小袋裝混凝土將沉箱基床整平至細(xì)平標(biāo)準(zhǔn)，安放沉箱，并用袋裝混凝土填堵模板底部縫隙。整平工藝改進(jìn)后，沉箱安放效果明顯改善，滿足施工要求。

2)在防滲墻成槽施工中，槽段內(nèi)外水頭差較小，部分槽段出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象，經(jīng)研究分析，采取了適當(dāng)加高導(dǎo)向槽標(biāo)高(高出水位線1 m)，將“三鉆兩抓”法改進(jìn)成“二鉆一抓”，減小槽段施工時(shí)間，采用粘土將槽段頂部2～3 m進(jìn)行換填，最終較好地解決了塌孔問(wèn)題。

4 圍堰監(jiān)測(cè)

為及時(shí)掌握圍堰的沉降、位移情況，根據(jù)水工建筑物觀測(cè)技術(shù)規(guī)范要求[3]，主體圍堰頂部每隔50 m布設(shè)2個(gè)沉降圍堰觀測(cè)點(diǎn)，分別布于斷面前后沿，并定期觀測(cè)，汛期加大觀測(cè)頻率。圍堰經(jīng)數(shù)次泄洪后，經(jīng)觀測(cè)最大水平位移為65 mm(預(yù)警值120 mm)，最大沉降位移為19 mm(預(yù)警值150 mm)，滿足要求，圍堰整體穩(wěn)定安全。圍堰頂沖段布設(shè)測(cè)速儀及深層觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)頂部流速、滲流、沉箱錨桿應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。滲流監(jiān)測(cè)布設(shè)3個(gè)斷面(0～067、0～050、0～010)，沉箱錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用布設(shè)鋼筋計(jì)，分別布設(shè)于6#、10#、14#沉箱錨桿上。2013年6月11日滿發(fā)電期間頂沖段滲流監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖5，斷面中間測(cè)點(diǎn)水壓與背水側(cè)測(cè)點(diǎn)結(jié)果較為接近，表明圍堰背水側(cè)水力梯度較小，圍堰體不存在發(fā)生突水突涌的風(fēng)險(xiǎn)。2013年6月23日泄洪期間頂沖段沉箱錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖6，由測(cè)點(diǎn)10受力變化曲線可知，錨桿拉力受泄洪、水位影響不大，錨桿對(duì)應(yīng)的拉力較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于錨桿抗拉強(qiáng)度，表明10#沉箱較為穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

作為全國(guó)首座壩下改擴(kuò)建船閘，在無(wú)施工先例的情況下，通過(guò)對(duì)圍堰設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出了整體下放鋼套箱、現(xiàn)澆沉箱，并增設(shè)抗浮錨桿，即一種已建水電樞紐壩下船閘擴(kuò)建改造工程防沖過(guò)水圍堰結(jié)構(gòu)，大大提高了抗沖穩(wěn)定性；針對(duì)壩下水位漲落頻繁，采用水陸雙向回填加快圍堰填筑進(jìn)度，“鉆+抓”結(jié)合工藝施工混凝土防滲墻有效防止了成槽塌孔。隨著運(yùn)行樞紐壩下改擴(kuò)建造船閘的興起，該關(guān)鍵施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可為壩下圍堰施工提供參考和借鑒。

[1] SL 645—2013，水利水電工程圍堰設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] DLT 5199—2004，水電水利工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] JTJ 218—2005，水運(yùn)工程水工建筑物原型觀測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

Key Construction Technology of Large Cofferdam in Flood Waters Rushing Area under Running Dam

TU Wei-cheng, YANG Ming-bo

(The First Construction Company of CCCC Second Harbor Engineering Co,Ltd, Wuhan 430012,China)

Based on the Fuchun River lock expansion and renovation project, the key technologies, including design optimization, stability of cofferdam, anti-impact, seepage prevention, protection, monitor and management of this cofferdam are studied and concluded.

running dam; cofferdam; anti-impact and stability; seepage prevention; monitor

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.011

2014-12-05.

涂偉成(1982-)，工程師.E-mail:1391498163@qq.com