水下混凝土在天桥水电站大坝除险加固工程中的应用.pdf

第 1 1期 2 0 1 1年 l 1 月 广东水利水电 G UANGD 0NG WAT E R RE S 0U RCE S AND HYDRO P OW E R No 1 1 NO V 2 0 1 1 水下混凝土在天桥水电站大坝除险加固工程中的应用 孙磊 ( 葛洲坝集团第二工程有限公司， 四川 成都6 1 0 0 7 3 ) 摘要 ： 山西天桥 水电站位 于黄河中游北干流上 ， 是黄 河上最后 一座 险坝 ， 工程 紧邻老 泄水建筑 物 ， 地 形地质 条件 极为 复 杂， 为确保除险加固项目在干地施工， 需修建围堰 ， 形成施工基坑。围堰设计时既要考虑不占压基坑施工区域， 又不占压原 泄水通道， 通过各种类型围堰的分析对比确定为重力式混凝土围堰。而混凝土围堰水下基础处理是施工的难点， 采用水下 混凝 土施 工工艺进行 混凝 土围堰施 工， 可以避 开库区 内水下基 础开挖 的施工难题 。该文介 绍 了狭 小区域 内水 下混凝 土的 施 工工艺， 将水下混凝土施 工工艺推 广应用至施 工导 流工程 。 关键词 ： 水下混凝土 ； 施工 工艺； 天桥 水电站 中图分 类号 ： T V 5 4 4 9 2 5 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 5 6 0 3 1工 程概 况 山西天桥水电站大坝除险加 固工程位于黄河中游 北干流上 ， 施工基坑紧邻原建筑物的泄水 闸， 上游围堰 布置时充分利用原建筑物 的导墙进行分段设计 。为保 证围堰不 占压泄水通道 ， 又不 占压加 固工程 的施工 基 坑 ， 在临近导墙段设计混凝土 围堰 ， 远离导墙部位设计 为土石围堰。根据原建筑物导墙前端 的地形条件 ， 围堰 形式拟采用重力式水下混凝土结构 ； 围堰底部 高程 为 8 2 2 08 3 0 0 m， 底部最大宽度为 8 m。设计 围堰按 l 0 年一遇洪水标准进行 ， 考虑交通需要 ， 确定围堰顶部高 程为 8 3 6 0 m， 最大堰高为 1 4 m； 迎水面采用直墙式 ， 背 水面采用 台阶式设计 ， 堰顶宽根据后期交通需要确定为 6 0 m； 混凝土围堰与原建筑物导墙平顺连接 ， 围堰设计 轴线长为 4 6 m， 水下混凝土浇筑工程量约为 3 0 0 0 m。 。 本工程水下混凝土施工特点： 所有施工项目基本 都处于水下施工 ， 全凭潜水员施工经验摸索进行 ， 对施 工人员的技能水平要求较高； 对混凝土稳定性要求 高， 水下混凝土是在与环境水隔离的条件下施工 ， 为减 少水的不利影响， 保证浇筑过程不中断， 昆 凝土要达到 有足够的流动性 、 抵抗泌水性和抗分离等稳定性 ； 导 管法入仓技术要求高， 要根据混凝土的性能确定导管型 号、 导管平面布置、 受料斗距离水面最低高度、 首次下料 方量以及导管提升速度等参数； 混凝土质量难以全面 控制， 混凝 土质量 只能从 原材料和 昆 凝 土拌制过程控 制 ， 浇筑过程无法直观地 了解浇筑质量 ， 特别是对抗渗 要求较高的结构。 2施工工艺及要点 2 1 施工工艺流程 施工准备一淤泥开挖一水上操作平 台搭设一组合 大模板制作安装一基岩面清理一水下锚杆 、 插筋施工一 导管配置一混凝土浇筑。 2 2 施工准备 2 2 1 施工控制点 根据设计施工图以及现场地形的实际情况 ， 布设施 工控制点。水上控制点位采用浮标做标记 ， 并将相应的 点或线延伸引至陆路。施工准备 阶段控制点主要用于 控制开挖范围 ， 组合模板安装 时应重新测放 ， 采用边定 位边校核的方法。 2 3 淤泥开挖 2 3 1 开挖 过程 淤泥开挖分水上部分开挖 和水下部分开挖 。水上 部分开挖直接采用反铲配合 自卸汽车 ， 并完成水面以下 3 0 m部分的开挖。水下部分开挖采用 1 艘 l m。 的抓扬 式挖泥船 、 2艘 3 0 m 开底驳 ， 并 配备交通艇 i艘 ， 按从 中间向两边开挖顺序施工。开挖后 的淤泥 用 6 0 m 的 开底船运到指定弃渣地点。 2 3 2 淤泥开挖施工要点 黄河河水含沙率大、 流速快 ， 在库 区内形成 回流逐 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 4 ： 修 回日期 ： 2 0 1 1 1 01 9 作者简介： 孙磊( 1 9 8 2一) ， 女 ， 本科， 助理工程师， 从事水利工程施工及管理工作。 5 6 2 0 1 1年 l 1月 第 1 l 期 孙磊 ： 水 下混凝 土在 天桥水电站大坝除 险加 固工程 中的应用 N o 1 1 N o v 2 0 1 1 渐沉淀形成较厚的淤积层。水下部分为淤泥 ， 并具有一 定 的粘性 ， 且随着淤积深度的增大 ， 含水量逐渐减小 ， 粘 性逐渐增大。水上部分为沙壤土 ， 土质颗粒均匀 ， 具有 一 定的强度 ， 但遇水即软化。水下部分淤泥开挖范围距 离结构线应不小于 2 0 m， 以防止结构部位开挖完成 ， 周 边淤泥重新淤积 。水上部分开挖形成稳定边坡 ， 防止施 工过程发生垮塌现象。水下部分淤泥开挖可依据采砂 船沙链斗的出沙情况 ， 判断是否开挖至基岩面 ， 当链斗 内出渣为泥浆， 则未开挖至基岩面； 当链斗内出渣为浑 水时 ， 则说明开挖至基岩面。 2 4 水上操作平台搭设 2 4 1 平 台设计 采用 6只浮箱 ( 6 m X 3 m X 1 5 m) 拼装成长为 1 2 m、 宽为 1 0 m( 内净 4 m) 的 浇筑 船 ， 浇 筑 船上 布置 1只 1 5 m 。 的集料斗和 6根钢导管， 导管的作用半径是 3 5 m， 因此 ， 重力式墩横 向断 面( 宽为 8 m) 布置 2根导 管 ， 纵向断面( 长为 1 2 m) 布置 3根 ， 间距为 4 m， 平 台的 搭设通过计算确定材料 ， 保证有足够 的强度和刚度 。2 条浇筑平台在施工时可以交叉使用。 2 4 2 水上操作平台施工要点 1 )水上操作平 台主要用于吊装组合模板 、 浇筑混 凝土 ， 其连接必须牢靠 ， 四周必须设安全防护栏 。 2 )水上施工人员劳保着装整齐 ， 必须穿戴救生衣 ， 并在现场配备一定数量的救生圈 ， 做好防冻 、 防滑工作 。 3 )操作平 台上 的材料 、 机具必须有可靠 的防护 ， 预 防材料 、 设备因防护不充分而在操作平台承载或卸载过 程上下浮动造成损失 。同时机具设备起 吊必须专人指 挥 ， 并通知平台上的操作人员站稳扶好 。 2 5 组合大模板吊装 2 5 1 模板 吊装施工 根据仓 面尺寸 ， 在加工场采用钢板和型钢加工可拆 卸 的组合式模板 。模板运至现场后 ， 在陆地上用螺栓连 接 。模板间设置穿拉条 ， 采用 1 6圆钢按 7 0 e m X 7 0 c m 的间排距 ， 呈梅花形布 置 ， 加强模板 的整体稳定性。模 板拼装完成用 2 5 t 汽车 吊将组合大模板转到水上操作 平 台， 并在模板 四周设置定位缆绳 ， 再 由浮吊安装就位。 经测量验收校核 ， 模板满足设计要求后 ， 在组合模板底 部打定位桩， 焊接牢固。模板底部的间隙采用木板及沙 袋等进行封堵。 2 5 2 组合模板施工要点 1 )加工组合模板 的钢板 、 型材 的质量必须满足相 关规范要求。 2 )严格按照模板设计图进 行加工制作 ， 构件之间 焊接饱满， 母材没有受损， 组合模板吊装必须由专人指 挥。 3 )组合模板安装就位后必须重新进行测量校正， 校正无误后方可进行加固连接 。 2 6 基岩面清理 2 6 1 附着泥层清理 大方量淤泥开挖完成后基岩表面仍然附着粘性较 强的泥层， 由潜水员配高压水枪， 入仓冲刷扰动局部采 砂船无法完全开挖完的淤泥， 用清淤管 ( 虹吸管 ) 吸渣 并送至仓外下游 。 2 6 2 基岩面清理施工要点 淤泥 自然结构变化十分敏感 ， 受到开挖扰动影响部 分淤泥被 重新 “ 溶解 ” ， 细颗粒悬 浮于水 中形 成泥浆。 当周围扰动停止后部分颗粒重新沉淀聚集 ， 形成“ 泥浆 层”， 刚形成的“ 泥浆层” 不具有粘性。 基岩面清理主要是针对“ 泥浆层” ， 根据 “ 泥浆层” 特性采用“ 固定区域内抽换法” 。即组合大模板按照设 计的仓位尺寸安装完成形成一定施工区域 ， 再 由潜水员 配高压水枪人仓 冲洗扰动“ 泥浆层”， 同时打开操作平 台上的泥浆泵 ， 将仓内的浑水抽至仓位下游。大模板阻 隔仓外 的淤泥涌入 ， 新 的补给水进一步“ 稀释” 仓 内泥 浆 ， 进而达到仓内基岩面清理。 2 7水下锚杆施工 2 7 1 水下锚杆施工 锚杆主要作用是增大混凝土与基础 的结合力 以及 用于焊接拉条加固模板。采用 H P R 2 0 2 9 4型的液压动 力钻钻孔 ， 钻孔直径为 4 5 m m， 成孔后采用高压水枪进 行清孔 ， 并检查孔深及孔 内清理是否满足施工要求 ， 然 后再施加锚固剂、 插杆的工艺施工 。 2 7 2 锚杆施工要点 1 )钻孔孔位偏差不大于 1 0 e m， 偏斜偏差小于 5 。 ， 孔径为 5 e m， 孔深应符合设计要求 ， 允许偏差应不大于 5c m 。 2 )锚固剂采用药卷式水下锚 固剂， 进场后进行抽 样检查 ， 检验合格后方能进行使用。 2 8 导管配置 2 8 1 导管选择 水下混凝土属于特种混凝土， 采用导管法将拌制合 格的混凝土送入水下预定部位成型硬化 。整个混凝土 浇筑过程无法振捣， 主要依靠下料导管内混凝土的自重 压力 自行密实。因此导管的密封性 良好与否、 导管长短 配置在其提升拆卸过程 的难易情况等， 都会影响混凝土 浇筑。导管选用 q b 2 5 0 m m钢管 ， 导管之间采用套接 ， 增 5 7 2 0 1 1年 1 1月第 1 1期 广东水利水 电 N o 1 1 N O V 2 0 1 1 强导管的密封性。导管长度选用 2 0 m和 0 5 m 2种规 格 ， 最低部选 用 2 0 m 的长导管 ， 再接 2节 0 5 m短 导 管 ， 然后长短间隔布置接出仓外 。导管底部距离基岩面 不大于 0 5 m。 根据仓面的大小不设导管套数 ， 导管的间距不大于 4 0 m， 且导管距离结构边线不小于 1 5 m。 2 8 2 导管配置施工要点 1 )导管管径与浇筑强度和骨料最大粒径有关 ， 导 管直径应不小于骨料最大粒径的4倍 。 2 )导管的平面布置与混凝土 的扩散半径有关 ， 一 套导管的控制面积不宜超过 3 0 m 。 ， 并且在浇筑块最低 部位不设专 门的下料管。 3 )导管安装前应进行压水检验 ， 水压力应大于满 管混凝土的最大压力 ， 且管身与接头不得漏水。 4 )导管各节通过法 兰盘用螺栓连接 ， 螺栓连接要 可靠 ， 随着混凝土浇筑上升再逐节拆除导管。 2 9 混凝土浇筑 2 9 1 浇筑施工 混凝土采用 6 m 搅拌车配 I P F一8 5 B 2型混凝土泵 机送人收料斗， 由收料斗经下料导管人仓 。 根据水下混凝土的特性 ， 浇筑过程应尽量减少甚至 避免混凝土直接与水接触 ， 以免影响混凝土质量。因此 首批入仓的混凝土量必须确保导管底部具有一定 的埋 深， 保证后续人仓混凝土是通过挤压的方式连续不断地 抬升先浇筑混凝土面 ， 避免与水接触 ， 同时达到挤压密 实混凝土。导管的埋深根据导管 间距与混凝土扩散坡 率( 由砼试验确定) 的乘积来确定。再根据混凝土扩散 范围和埋深确定首批入仓的混凝土量。 水下混凝土是靠下料导管内外 的压力差来达到密 实效果，同时保证混凝土下料通畅，不出现堵管现象， 通过控 制下料 导管距水 面 的最小高度 来控制 。根据 公式 ： H a=P一 ( 尺 一R ) H 。 R 式 中P为导管底部的最小超压力 ， 取7 5 t m ； R 为水 下混凝土的容重 ， 取 2 4 t m ； 尺 为水的容重， 取 1 t m ； 为水面至己浇筑混凝土面的高度， 取最小值0 m 。 则下料导管距离水面的最小高度为 3 0 m。 水下混凝土立模浇筑如图 1 所示。 2 9 2 混凝土施工要点 1 )混凝土开始浇筑时， 为避免堵管， 先用水泥砂浆 润滑泵管。水泥砂浆用量根据输送泵管长度确定 。 2 )混凝土浇筑应连续， 若浇筑间隙时间过长或浇 筑过程导管脱空导致停仓， 均应按施工缝处理。 5 8 图 1 水下混凝土立模浇筑示意 3 )根据混凝土生产 系统 的供应能力进行仓 面划 分 ， 同时浇筑量控制在白班时段完成。单层仓位应跳仓 施工， 减少组合模板 的安装工程量 ， 相邻层仓位必须进 行错缝 ， 错缝长度不小于 1 5 m。在水平和垂直施工缝 上应设置过缝插筋 ， 过缝插筋设计参数 为 d P 2 0 1 5 0 0， 呈梅花形布置。过缝插筋施工时段应选择在先浇筑块 完成模板拆除并具备一定强度 ， 施工工艺参照水下锚杆 施工 ， 不宜采用预插的施工方式， 以避免组合模板 难以 拆除。 水下砼 围堰仓面布置见图2所示。 8 3 4 0 0 m 8 2 8 0 0 m 8 2 2 0 0 m 图 2水下砼围堰仓面布置示意 4 )施工过程派专人进行下料指挥 ， 在保证混凝 土 浇筑连续性的条件下， 根据实际浇筑方量和导管提升 、 拆卸长度控制导管埋深 ； 各个导管应轮流下料 ， 确保混 凝土面均匀上升 ， 防止出现覆盖产生堰体空洞。 5 )收仓阶段 由于随着混凝土浇筑面的上升， 导管 内外的压力也随之减少 ， 使下料难度增大 ， 为达到预定 的浇筑高程 ， 避免产生欠浇、 高差过大等缺陷 ， 采用加大 入仓混凝土的坍落度、 经常活动下料导管以及改用软管 下料等方式 。 6 )混凝土浇筑过程必须严格控制混凝土的质量 ， 受原材料、 配料、 搅拌及施工组织等各方面的原因， 混凝 土的和易性难免受到影响， 采用和易性较好 、 坍落度损 ( 下转第6 4页) 2 0 1 1年 l 1 月第 l 1 期 广东水利水电 桩径是合理的， 该地基设计方法是成功的 ， 满足地基承 载力以及沉降的要求。 3 结论 经上述计算分析 ， 得到以下结论 ： 在相同置换率条件下 ， 对桩径和桩间距对加固效果 的影响进行 了有限元分析 ， 结果表明当置换率一定 时， 桩径在 0 61 0 0 m范 围内， 随着桩径的减小 ， 地基承 载力随着桩径的减小而略有降低 。在 1 0 02 2 5 m范 围内， 地基承载力 随着 桩径 的增大而提 高； 在 2 2 5 3 7 5 m范围内， 地基承载力则 随着桩径 的增大而降低。 由上可知该工程采用 2 2 5 m的桩径处于较合适 的范 围 内， 并通过现场静载试验证明 ， 采用 2 2 5 m桩径进行处 理， 可以较好地满足变电站地基承载力和沉降的要求。 对地下水位高、 软土层厚度较薄而且位于地表的情 况， 采用强夯碎石混合料置换桩 的处理方 案， 具有施工 方便 、 造价低廉 、 工期短等优点 ， 可供 同类工程参考 。 参考文献 ： 1 靳振波 强夯置换法在公路工程中的应用 J 黑龙江交 通科技， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 1 41 5 2 王成华， 吴永红， 陆培毅， 等 基础工程学 M 天津： 天津 大学出版社 ， 2 0 0 2 ( 本文责任编辑王瑞兰) ( 上接第 5 8页) 失较小的配合比， 入仓的混凝土坍落度不小于 1 8 e m。 7 )混凝土凝 固后要凿除其与水接触部位不满足强 度要求的部分。 3结语 水下混凝土施工属于特种混凝土施工 ， 实质是将拌 制的高流态混凝土 ， 用各种工程的手段送人水下预定的 部位硬化成形的过程。水利水 电工程建筑方面主要 应 用于围堰修建或边坡防护 。水下施工对混凝土要求较 高 ， 应具有足够 的流动性 和抗泌水 、 抗分离 的稳定性 。 为了确保送入水下混凝土的稳定性 ， 抑制水下混凝土在 施工中骨料的分离 ， 保证混凝土施工质量 ， 主要从 2方 面进行调整 ： 一是混凝土浇筑过程混凝土尽可能不与水 的接触 ； 二是添加外加剂须保证混凝土在水 中具有不分 散 、 不离析的特性。 水下混凝土施工 浇筑 需要专业的施工 队伍 ， 其清 基、 立模 、 锚杆等工序和水上作业类似 ， 关键是水下混凝 土浇筑时的配合 比设计 、 下料导管埋深 、 混凝土上升速 度需要进行专门的研究 。 水下混凝土施工工艺在天桥大坝除险加 固工程 的 成功应用 ， 解决了施工导流工程在狭小 区域内设计和实 施等难题。本文结合现场实际情况， 从施工工艺上着手 研究， 进一步细化了施工工艺 ， 总结了施工要点 ， 为类似 工程提供一些借鉴经验。 ( 本文责任编辑王瑞兰) ( 上接第 6 O页) 以防御在河道内取砂采石造成的堤防结构破坏。因此 ， 建议有关部 门严格执行 国家 “ 防洪法” ， 加大执法力度 ， 严禁在河道内私 自乱采乱挖 ； 在河道内存在的砂坑和砂 堆 ， 在堤防建设中必须进行河道清理 ， 以保证堤防的稳 定及河道行洪安全。 参考文献： 1 王昌杰 河流动力学 M 北京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 1 6 4 2 孙秀玲 ， 于翠松桥涵水文学 M 北京： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 7 3 G B 5 0 2 8 6 9 8 堤防工程设计规范 S 4 C J J 5 0 9 2城市防洪工程设计规范 S 5 王海云兰州市黄家滩 、 营门滩河堤基础埋深探究 J 城市道桥与防洪， 2 0 0 6 ， ( 5 ) ： 1 3 6 1 4 4 ( 本文责任编辑王瑞兰)