魏義民

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,成都,610091)

1 工程概況

山西省天橋水電站是黃河中游干流上第一座低水頭大流量河床徑流式電站,上距萬(wàn)家寨水利樞紐95km,下距山西保德、陜西府谷兩縣8km。水電站地處黃河多泥沙河段,壩址水文和地質(zhì)條件均較復(fù)雜,原工程存在的主要問(wèn)題是洪水標(biāo)準(zhǔn)偏低。除險(xiǎn)加固工程的主要任務(wù)就是將緊鄰泄洪閘右岸的土壩拆除一半,新增兩孔泄洪閘和四孔沖沙閘,達(dá)到規(guī)范允許的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

新建下游圍堰緊臨原電站泄洪建筑物,以原右導(dǎo)墻為界,左側(cè)為原電站的泄洪建筑物,右側(cè)為新建建筑物的基坑,并將原右導(dǎo)墻加寬并向下游延伸形成新建中導(dǎo)墻。圍堰所需施工區(qū)域基本沒(méi)有空間位置,且下游河道水位較深,泥沙淤積層厚。受諸多不利因素影響經(jīng)過(guò)多次研究論證,分別對(duì)土石圍堰、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰進(jìn)行對(duì)比:土石圍堰斷面大,占?jí)盒购榈兰盎娱_(kāi)挖區(qū);混凝土圍堰施工需要進(jìn)行水下基礎(chǔ)處理,施工難度大;鋼板樁圍堰造價(jià)高,且鋼板樁入巖困難。最后選用重力式混凝土圍堰,以新建中導(dǎo)墻寬為堰寬,順接原右導(dǎo)墻采用地下連續(xù)墻的施工技術(shù)解決下游施工導(dǎo)流難題。并提出“地連墻式半永久半臨時(shí)型混凝土圍堰”施工的新工藝,把臨時(shí)工程與永久工程有機(jī)結(jié)合,將基礎(chǔ)處理的施工技術(shù)充分地運(yùn)用在水利工程施工導(dǎo)流上,進(jìn)一步創(chuàng)新復(fù)雜施工區(qū)域內(nèi)的施工導(dǎo)流技術(shù)。

2 結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)

地下連續(xù)墻是通過(guò)專(zhuān)用的挖槽設(shè)備,沿著地下建筑物或構(gòu)筑物的周邊,按預(yù)定的位置開(kāi)挖出或沖鉆出具有一定寬度與深度的溝槽,用泥漿護(hù)壁,并在槽內(nèi)設(shè)置具有一定剛度的鋼筋籠,然后用導(dǎo)管澆筑水下混凝土,分段施工,用特殊方法接頭,使之連成地下連續(xù)的鋼筋混凝土墻體。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)型式為框格式,外圍采用雙排1m厚的鋼筋混凝土墻,中間每6m設(shè)一道1m厚橫向地下連續(xù)墻,對(duì)形成的框格內(nèi)采用高壓旋噴進(jìn)行固結(jié)。地下連續(xù)墻崁入基巖2m,平面位置崁入老導(dǎo)墻混凝土內(nèi),最大墻體高度為16m,框格最小寬度為12m,擋水高度為15m。地下連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)詳圖如圖1所示:

圖1 框格地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)

地下連續(xù)墻混凝土標(biāo)號(hào)為C25,澆筑工程量4800m3,鋼筋制安 75t,框格內(nèi)高壓旋噴灌漿6000m,28d的強(qiáng)度不低于2.5MPa。

3 圍堰設(shè)計(jì)

最終成型的混凝土圍堰必須是迎水面順接老導(dǎo)墻的迎水面,背水面和中導(dǎo)墻的右側(cè)樁號(hào)一致,最小寬度為12m。非永久段接下游土石圍堰,部分被土體包裹,結(jié)構(gòu)寬度逐漸減小到最終寬度為5m。通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算,采用混凝土圍堰要滿足抗滑和抗傾穩(wěn)定的最小寬度為11.5m。上述條件滿足設(shè)計(jì)混凝土圍堰。圍堰設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)施工平臺(tái)、地下連續(xù)墻導(dǎo)墻設(shè)計(jì)、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、框格內(nèi)土體置換設(shè)計(jì)等。

3.1 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

地下連續(xù)墻的最小寬度為12m,考慮設(shè)備作業(yè)占用,施工平臺(tái)填筑寬度為20m?？菟诤哟沧罡咚粸?15.33m,施工平臺(tái)的填筑設(shè)計(jì)高程為816.00m。

3.2 地下連續(xù)墻的導(dǎo)墻設(shè)計(jì)

為了提高導(dǎo)墻的穩(wěn)定性,避免發(fā)生導(dǎo)墻沉降及向兩側(cè)傾倒變形,選用梯型斷面導(dǎo)墻,墻高1.50m并高出堰頂 0.1m,頂寬 0.6m,底寬0.8m,槽口寬度為1.1m。導(dǎo)墻可分段澆筑,一次澆筑長(zhǎng)度宜不低于20.0m,各段之間采用斜面搭接的方式連接,并將兩側(cè)導(dǎo)墻的連接位置錯(cuò)開(kāi)。在兩導(dǎo)墻之間每隔一定距離設(shè)置橫撐,防止導(dǎo)墻變形,導(dǎo)墻后回填粘土并夯實(shí),防止泥漿沖刷掏空。導(dǎo)墻采用C15的混凝土澆筑。導(dǎo)墻設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2所示。

圖2 地下連續(xù)墻導(dǎo)墻設(shè)計(jì)

3.3 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)

考慮地下連續(xù)墻是通過(guò)一個(gè)個(gè)槽段連接而成墻體,在本項(xiàng)目中主要以承重作用為主,單墻厚度設(shè)計(jì)為1.0m,迎水面和背水面為主要承重部位,設(shè)計(jì)為雙排墻體,并將槽段的接頭錯(cuò)開(kāi),形成相對(duì)完整的承重墻體。永久段外圍墻體設(shè)計(jì)雙層鋼筋網(wǎng),非永久段設(shè)計(jì)為單層鋼筋網(wǎng)便于后期拆除。鋼筋網(wǎng)主筋設(shè)計(jì)為φ20mm,分布筋為φ16mm,間距均為0.2m。為將兩側(cè)墻體連成整體,橫向每間隔5.7m設(shè)計(jì)一道厚度為1.0m的墻體,崁入外圍墻體內(nèi)。

3.4 框格內(nèi)土體置換設(shè)計(jì)

為保證框格式地下連續(xù)墻的整體性,對(duì)框格內(nèi)土體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),采用高壓旋噴方法對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)。高壓旋噴孔間排距設(shè)計(jì)為1.0m,入巖1.0m,選用PO42.5的硅酸鹽水泥,漿液濃度為1.6g/m3,提升速度小于10cm/min,固結(jié)后的強(qiáng)度大于2.5MPa。

4 圍堰施工

2009年5月開(kāi)始實(shí)施地下連續(xù)墻作業(yè)平臺(tái)填筑,6月10日開(kāi)始地下連續(xù)墻作業(yè),共布置8臺(tái)YKC沖擊鉆進(jìn)行地下連續(xù)墻施工。

4.1 成槽方法

根據(jù)圍堰填筑料均來(lái)自基坑的沙壤土混合料,采用成槽方法為鉆劈法,即主孔鉆進(jìn),副孔劈打。槽段長(zhǎng)度按6m左右施工,分為3個(gè)主孔和2個(gè)副孔,槽段兩端各一個(gè)主孔,中心一個(gè)主孔,主孔之間為副孔。先用鉆機(jī)鉆主孔,鉆至終孔深度并達(dá)到要求后,采用鉆劈法進(jìn)行Ⅱ序孔施工。

4.2 槽體劃分

槽體的劃分關(guān)系到混凝土澆筑接頭的多少及其穩(wěn)定性,為了盡量減少墻段接頭,以便快速、均衡、安全的施工,采用兩序間隔法劃分槽孔,Ⅰ序孔、Ⅱ序孔槽長(zhǎng)均L=6.0m。槽孔劃分與施工順序如圖3所示。為確保地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,在一期槽兩端設(shè)置套接孔,并且在一期槽孔內(nèi)混凝土初凝前終孔。

圖3 槽孔劃分與施工順序

4.3 泥漿護(hù)壁

造孔之前在導(dǎo)墻之間的槽段內(nèi)充填粘土,主孔造孔過(guò)程中一邊添加粘土并注水,利用鉆頭在孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)形成泥漿固壁。護(hù)壁泥漿選用當(dāng)?shù)卣惩僚渲?通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)亟ㄖ牧系目疾?選用東山村出產(chǎn)的紅粘土,經(jīng)過(guò)檢測(cè),粘土的液限為34,塑限為22.5,PH值略大于7,基本滿足護(hù)壁泥漿要求。各時(shí)段泥漿的性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 泥漿性能指標(biāo)控制

4.4 清孔和換漿

一期槽終孔后進(jìn)行清孔換漿處理,先用抽桶將槽內(nèi)稠狀物抽出,再采用泵吸法清孔。在二期槽清孔時(shí),其端孔需要用鋼絲刷子鉆頭進(jìn)行,以刷子不帶泥屑和孔內(nèi)沉淀物不再增加為止。

4.5 鋼筋制作與安裝

考慮運(yùn)輸困難,鋼筋籠在圍堰附近制作。鋼筋籠箍筋與主筋的連接,除四周的縱橫交點(diǎn)需全部焊接外,其他交點(diǎn)可交錯(cuò)焊接50%,其余50%用0.8mm的鐵絲綁扎。鋼筋籠的最大高度不超過(guò)20m,不考慮分節(jié),一次制作成形。驗(yàn)收合格后,直接用25t汽車(chē)吊大小勾配合吊裝。鋼筋籠吊前要進(jìn)行加固,吊點(diǎn)和承重點(diǎn)必須充分加強(qiáng),保證起吊時(shí)不發(fā)生變形和破壞。下設(shè)鋼筋籠前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,嚴(yán)格檢查槽孔孔形,并試下小型鋼筋籠。槽孔清孔換漿合格后立即下設(shè),中途不應(yīng)中斷,盡量縮短下設(shè)時(shí)間,減少孔底的淤積。

4.6 混凝土施工

槽孔混凝土澆筑是地連墻施工的關(guān)鍵工序,采用泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑,自下而上置換孔內(nèi)泥漿。槽孔清孔換漿完畢,在槽孔中心線上距兩端1.5m左右布置兩根對(duì)稱(chēng)下料導(dǎo)管,導(dǎo)管底口距孔底應(yīng)控制在25cm。導(dǎo)管選用φ300mm普通鋼管,單節(jié)長(zhǎng)度為1.5m和0.5m兩種,配置導(dǎo)管時(shí)在每套導(dǎo)管底部設(shè)置幾節(jié)短管,以便在接近澆筑完畢時(shí)能根據(jù)需要隨時(shí)拆卸、提升導(dǎo)管。導(dǎo)管提升采用沖擊鉆機(jī)為主,25t汽車(chē)吊配合進(jìn)行。

開(kāi)始澆筑階段為將混凝土和泥漿隔離,混凝土下料前必須對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行管塞處理;為確保開(kāi)澆后混凝土能將導(dǎo)管出口埋住并具備一定的埋深深度(不低于1.0m),應(yīng)備足一次連續(xù)入倉(cāng)的放量(包括導(dǎo)管內(nèi)放量);為防止混凝土骨料與管塞之間發(fā)生堵管,應(yīng)先向?qū)Ч軆?nèi)注入水灰比為0.6∶1的水泥砂漿。

澆筑中間階段,泥漿下直伸導(dǎo)管法澆筑混凝土主要是靠導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱壓力的作用,擠壓置換槽孔內(nèi)的固壁泥漿來(lái)完成下料,并靠下料管柱內(nèi)的壓力取代振搗施工。影響混凝土澆筑中間階段控制的因素包括:下料導(dǎo)管埋深長(zhǎng)度、混凝土面是否均勻上升和上升的速度以及混凝土的坍落度控制。導(dǎo)管埋深長(zhǎng)度過(guò)小容易導(dǎo)致混凝土和泥漿混合,埋深長(zhǎng)度過(guò)大容易產(chǎn)生堵管,借鑒其他工程施工經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)管埋深長(zhǎng)度按1.0m控制,判斷埋管的深度可參照實(shí)際混凝土澆筑量計(jì)算;混凝土面上升不均勻會(huì)導(dǎo)致一、二期槽連接處夾泥、混漿,澆筑時(shí)兩導(dǎo)管應(yīng)均勻、同時(shí)下料。混凝土的坍落度影響其流動(dòng)性,坍落度應(yīng)控制在18cm～20cm左右。

隨著混凝土面的上升和導(dǎo)管的提升,導(dǎo)管內(nèi)外的壓力隨之減小,加之孔內(nèi)泥漿稠度變濃,下料難度變大。為避免產(chǎn)生欠澆、連接處夾泥過(guò)厚等質(zhì)量缺陷,收倉(cāng)階段改用坍落度不小于20cm的混凝土改善混凝土流動(dòng)性,適當(dāng)減少導(dǎo)管的埋深度,稀釋孔內(nèi)泥漿。

由于地下連續(xù)墻的作業(yè)平臺(tái)均為水下填筑,無(wú)法分層碾壓,又沒(méi)有沉降期,地下連續(xù)墻施工塌孔十分嚴(yán)重。施工過(guò)程中采用調(diào)整槽段長(zhǎng)度的方法,對(duì)永久結(jié)構(gòu)段槽段長(zhǎng)度由6m調(diào)整為3m,對(duì)非永久段采用排樁的方式,在汛期到來(lái)之前完成迎水面第一道地下連續(xù)墻。

為了減少后期施工塌孔現(xiàn)象,調(diào)整了施工方案,將框格區(qū)域內(nèi)的高壓旋噴置換項(xiàng)目調(diào)整到地下連續(xù)墻之前實(shí)施。場(chǎng)地相對(duì)狹小,布置三臺(tái)鉆機(jī)和一臺(tái)高噴臺(tái)車(chē),采用“三管法”施工,嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行高噴置換,2個(gè)月時(shí)間完成9000m的高噴灌漿作業(yè)。在二期地下連續(xù)墻施工時(shí),布置8臺(tái)YKC沖擊鉆,槽段長(zhǎng)度均按6m實(shí)施,無(wú)塌孔現(xiàn)象發(fā)生,混凝土超澆量在規(guī)范允許之內(nèi)。不考慮影響因素,地下連續(xù)墻正常月強(qiáng)度可以達(dá)到2500m3。

本項(xiàng)目永久保留段存在部分原右導(dǎo)墻,充分利用這一有利條件,將框格式混凝土墻體崁入老導(dǎo)墻內(nèi),可以增加框格式地下連續(xù)墻的整體穩(wěn)定性。

5 穩(wěn)定驗(yàn)算

該方案全部實(shí)施完畢后,特聘請(qǐng)三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院專(zhuān)家對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建模計(jì)算(計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4)。計(jì)算結(jié)果為:在最不利工況下,圍堰整體最大總位移位于圍堰回填砂礫料頂端中部區(qū)域,傾向背水側(cè),最大總位移值為3.291mm。第1主應(yīng)力拉應(yīng)力的最大值為0.58MPa,位于815m高程現(xiàn)澆板跨中底部,第3主應(yīng)力壓應(yīng)力最大值為2.42MPa,位于800m高程處背水側(cè)連續(xù)墻與基巖接觸部位。此工況下的變形和應(yīng)力不是很大,最大拉應(yīng)力小于C20混凝土的允許抗拉強(qiáng)度,最大壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于C20混凝土的允許的抗壓強(qiáng)度。接觸面處高壓灌漿區(qū)與基巖接觸良好。接觸面正應(yīng)力最大值為2.07MPa,接觸面處摩擦力最大值為1.24MPa,接觸面處圍堰底部的最大滑動(dòng)距離為0.358mm。接觸面處的摩擦力和滑動(dòng)距離值較小,壓應(yīng)力不大,小于C20混凝土的允許抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL319-2005)關(guān)于壩基抗滑穩(wěn)定計(jì)算的規(guī)定,對(duì)圍堰進(jìn)行抗滑和抗傾穩(wěn)定性計(jì)算,抗滑安全系數(shù)為1.35,抗傾安全系數(shù)為1.89,均滿足容許安全系數(shù),說(shuō)明圍堰運(yùn)行期間是安全的。

圖4 連續(xù)墻混凝土圍堰驗(yàn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

地下連續(xù)墻用途廣泛,既可防水、防滲,又可擋土、承重。在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,充分了利用地下連續(xù)墻的擋土、承重作用,在狹小的場(chǎng)地內(nèi)形成擋水圍堰,既不占?jí)涸ㄖ锏男购橥ǖ?又不占?jí)盒陆ńㄖ锏氖┕^(qū)域,相比混凝土圍堰投資小,相比土石圍堰占用場(chǎng)地范圍小,確保了天橋工程的順利實(shí)施。由于地下連續(xù)墻在圍堰工程的成功實(shí)施,黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司已在本工程新建右岸墻設(shè)計(jì)過(guò)程中,運(yùn)用框格式地下連續(xù)墻施工技術(shù),使該技術(shù)得到迅速推廣運(yùn)用。