天橋水電站地下連續墻混凝土圍堰設計與施工

魏義民

(葛洲壩集團第二工程有限公司,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,壩址水文和地質條件均較復雜,原工程存在的主要問題是洪水標準偏低。除險加固工程的主要任務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,達到規范允許的防洪設計標準。

新建下游圍堰緊臨原電站泄洪建筑物,以原右導墻為界,左側為原電站的泄洪建筑物,右側為新建建筑物的基坑,并將原右導墻加寬并向下游延伸形成新建中導墻。圍堰所需施工區域基本沒有空間位置,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過多次研究論證,分別對土石圍堰、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰進行對比:土石圍堰斷面大,占壓泄洪道及基坑開挖區;混凝土圍堰施工需要進行水下基礎處理,施工難度大;鋼板樁圍堰造價高,且鋼板樁入巖困難。最后選用重力式混凝土圍堰,以新建中導墻寬為堰寬,順接原右導墻采用地下連續墻的施工技術解決下游施工導流難題。并提出“地連墻式半永久半臨時型混凝土圍堰”施工的新工藝,把臨時工程與永久工程有機結合,將基礎處理的施工技術充分地運用在水利工程施工導流上,進一步創新復雜施工區域內的施工導流技術。

2 結構型式和設計參數

地下連續墻是通過專用的挖槽設備,沿著地下建筑物或構筑物的周邊,按預定的位置開挖出或沖鉆出具有一定寬度與深度的溝槽,用泥漿護壁,并在槽內設置具有一定剛度的鋼筋籠,然后用導管澆筑水下混凝土,分段施工,用特殊方法接頭,使之連成地下連續的鋼筋混凝土墻體。本項目設計的地下連續墻結構型式為框格式,外圍采用雙排1m厚的鋼筋混凝土墻,中間每6m設一道1m厚橫向地下連續墻,對形成的框格內采用高壓旋噴進行固結。地下連續墻崁入基巖2m,平面位置崁入老導墻混凝土內,最大墻體高度為16m,框格最小寬度為12m,擋水高度為15m。地下連續墻的結構詳圖如圖1所示:

圖1 框格地下連續墻結構

地下連續墻混凝土標號為C25,澆筑工程量4800m3,鋼筋制安 75t,框格內高壓旋噴灌漿6000m,28d的強度不低于2.5MPa。

3 圍堰設計

最終成型的混凝土圍堰必須是迎水面順接老導墻的迎水面,背水面和中導墻的右側樁號一致,最小寬度為12m。非永久段接下游土石圍堰,部分被土體包裹,結構寬度逐漸減小到最終寬度為5m。通過簡化計算,采用混凝土圍堰要滿足抗滑和抗傾穩定的最小寬度為11.5m。上述條件滿足設計混凝土圍堰。圍堰設計包括設計施工平臺、地下連續墻導墻設計、地下連續墻結構設計、框格內土體置換設計等。

3.1 施工平臺設計

地下連續墻的最小寬度為12m,考慮設備作業占用,施工平臺填筑寬度為20m。枯水期河床最高水位為815.33m,施工平臺的填筑設計高程為816.00m。

3.2 地下連續墻的導墻設計

為了提高導墻的穩定性,避免發生導墻沉降及向兩側傾倒變形,選用梯型斷面導墻,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。導墻可分段澆筑,一次澆筑長度宜不低于20.0m,各段之間采用斜面搭接的方式連接,并將兩側導墻的連接位置錯開。在兩導墻之間每隔一定距離設置橫撐,防止導墻變形,導墻后回填粘土并夯實,防止泥漿沖刷掏空。導墻采用C15的混凝土澆筑。導墻設計見圖2所示。

圖2 地下連續墻導墻設計

3.3 地下連續墻設計

考慮地下連續墻是通過一個個槽段連接而成墻體,在本項目中主要以承重作用為主,單墻厚度設計為1.0m,迎水面和背水面為主要承重部位,設計為雙排墻體,并將槽段的接頭錯開,形成相對完整的承重墻體。永久段外圍墻體設計雙層鋼筋網,非永久段設計為單層鋼筋網便于后期拆除。鋼筋網主筋設計為φ20mm,分布筋為φ16mm,間距均為0.2m。為將兩側墻體連成整體,橫向每間隔5.7m設計一道厚度為1.0m的墻體,崁入外圍墻體內。

3.4 框格內土體置換設計

為保證框格式地下連續墻的整體性,對框格內土體進行補強設計,采用高壓旋噴方法對土體進行固結。高壓旋噴孔間排距設計為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,固結后的強度大于2.5MPa。

4 圍堰施工

2009年5月開始實施地下連續墻作業平臺填筑,6月10日開始地下連續墻作業,共布置8臺YKC沖擊鉆進行地下連續墻施工。

4.1 成槽方法

根據圍堰填筑料均來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,副孔劈打。槽段長度按6m左右施工,分為3個主孔和2個副孔,槽段兩端各一個主孔,中心一個主孔,主孔之間為副孔。先用鉆機鉆主孔,鉆至終孔深度并達到要求后,采用鉆劈法進行Ⅱ序孔施工。

4.2 槽體劃分

槽體的劃分關系到混凝土澆筑接頭的多少及其穩定性,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。為確保地下連續墻結構的連續性,在一期槽兩端設置套接孔,并且在一期槽孔內混凝土初凝前終孔。

圖3 槽孔劃分與施工順序

4.3 泥漿護壁

造孔之前在導墻之間的槽段內充填粘土,主孔造孔過程中一邊添加粘土并注水,利用鉆頭在孔內運動形成泥漿固壁。護壁泥漿選用當地粘土配置,通過對當地建筑材料的考察,選用東山村出產的紅粘土,經過檢測,粘土的液限為34,塑限為22.5,PH值略大于7,基本滿足護壁泥漿要求。各時段泥漿的性能指標見表1。

表1 泥漿性能指標控制

4.4 清孔和換漿

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

4.5 鋼筋制作與安裝

考慮運輸困難,鋼筋籠在圍堰附近制作。鋼筋籠箍筋與主筋的連接,除四周的縱橫交點需全部焊接外,其他交點可交錯焊接50%,其余50%用0.8mm的鐵絲綁扎。鋼筋籠的最大高度不超過20m,不考慮分節,一次制作成形。驗收合格后,直接用25t汽車吊大小勾配合吊裝。鋼筋籠吊前要進行加固,吊點和承重點必須充分加強,保證起吊時不發生變形和破壞。下設鋼筋籠前做好各項準備工作,嚴格檢查槽孔孔形,并試下小型鋼筋籠。槽孔清孔換漿合格后立即下設,中途不應中斷,盡量縮短下設時間,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鍵工序,采用泥漿下直升導管法澆筑,自下而上置換孔內泥漿。槽孔清孔換漿完畢,在槽孔中心線上距兩端1.5m左右布置兩根對稱下料導管,導管底口距孔底應控制在25cm。導管選用φ300mm普通鋼管,單節長度為1.5m和0.5m兩種,配置導管時在每套導管底部設置幾節短管,以便在接近澆筑完畢時能根據需要隨時拆卸、提升導管。導管提升采用沖擊鉆機為主,25t汽車吊配合進行。

開始澆筑階段為將混凝土和泥漿隔離,混凝土下料前必須對導管進行管塞處理;為確保開澆后混凝土能將導管出口埋住并具備一定的埋深深度(不低于1.0m),應備足一次連續入倉的放量(包括導管內放量);為防止混凝土骨料與管塞之間發生堵管,應先向導管內注入水灰比為0.6∶1的水泥砂漿。

澆筑中間階段,泥漿下直伸導管法澆筑混凝土主要是靠導管內混凝土柱壓力的作用,擠壓置換槽孔內的固壁泥漿來完成下料,并靠下料管柱內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:下料導管埋深長度、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。導管埋深長度過小容易導致混凝土和泥漿混合,埋深長度過大容易產生堵管,借鑒其他工程施工經驗導管埋深長度按1.0m控制,判斷埋管的深度可參照實際混凝土澆筑量計算;混凝土面上升不均勻會導致一、二期槽連接處夾泥、混漿,澆筑時兩導管應均勻、同時下料。混凝土的坍落度影響其流動性,坍落度應控制在18cm～20cm左右。

隨著混凝土面的上升和導管的提升,導管內外的壓力隨之減小,加之孔內泥漿稠度變濃,下料難度變大。為避免產生欠澆、連接處夾泥過厚等質量缺陷,收倉階段改用坍落度不小于20cm的混凝土改善混凝土流動性,適當減少導管的埋深度,稀釋孔內泥漿。

由于地下連續墻的作業平臺均為水下填筑,無法分層碾壓,又沒有沉降期,地下連續墻施工塌孔十分嚴重。施工過程中采用調整槽段長度的方法,對永久結構段槽段長度由6m調整為3m,對非永久段采用排樁的方式,在汛期到來之前完成迎水面第一道地下連續墻。

為了減少后期施工塌孔現象,調整了施工方案,將框格區域內的高壓旋噴置換項目調整到地下連續墻之前實施。場地相對狹小,布置三臺鉆機和一臺高噴臺車,采用“三管法”施工,嚴格按照設計參數進行高噴置換,2個月時間完成9000m的高噴灌漿作業。在二期地下連續墻施工時,布置8臺YKC沖擊鉆,槽段長度均按6m實施,無塌孔現象發生,混凝土超澆量在規范允許之內。不考慮影響因素,地下連續墻正常月強度可以達到2500m3。

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

5 穩定驗算

該方案全部實施完畢后,特聘請三峽大學水利與環境學院專家對項目進行建模計算(計算簡圖見圖4)。計算結果為: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域,傾向背水側,最大總位移值為3.291mm。第1主應力拉應力的最大值為0.58MPa,位于815m高程現澆板跨中底部,第3主應力壓應力最大值為2.42MPa,位于800m高程處背水側連續墻與基巖接觸部位。此工況下的變形和應力不是很大,最大拉應力小于C20混凝土的允許抗拉強度,最大壓應力遠小于C20混凝土的允許的抗壓強度。接觸面處高壓灌漿區與基巖接觸良好。接觸面正應力最大值為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距離為0.358mm。接觸面處的摩擦力和滑動距離值較小,壓應力不大,小于C20混凝土的允許抗壓強度。根據《混凝土重力壩設計規范》(SL319-2005)關于壩基抗滑穩定計算的規定,對圍堰進行抗滑和抗傾穩定性計算,抗滑安全系數為1.35,抗傾安全系數為1.89,均滿足容許安全系數,說明圍堰運行期間是安全的。

圖4 連續墻混凝土圍堰驗定計算簡圖

6 結語

地下連續墻用途廣泛,既可防水、防滲,又可擋土、承重。在本項目實施過程中,充分了利用地下連續墻的擋土、承重作用,在狹小的場地內形成擋水圍堰,既不占壓原建筑物的泄洪通道,又不占壓新建建筑物的施工區域,相比混凝土圍堰投資小,相比土石圍堰占用場地范圍小,確保了天橋工程的順利實施。由于地下連續墻在圍堰工程的成功實施,黃河勘測設計有限公司已在本工程新建右岸墻設計過程中,運用框格式地下連續墻施工技術,使該技術得到迅速推廣運用。