壩下泄洪頂沖區大型圍堰施工關鍵技術

涂偉成，楊明波

(中交二航局第一工程有限公司， 武漢 430012)

壩下泄洪頂沖區大型圍堰施工關鍵技術

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建改造工程，研究總結了該工程水上圍堰的設計優化、防沖穩定、防滲、防護、監測及維護管理等技術要點。

運行樞紐; 圍堰; 防沖穩定; 防滲; 監測

1 工程概況

富春江船閘擴建改造工程位于錢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級標準船閘(兼顧1 000 t級船舶的過閘要求)。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m3。作為全國首座在運行樞紐工況條件下的擴建改造船閘，其圍堰布置在大壩泄洪區，距大壩下游僅約35 m，圍堰的抗沖穩定性能否滿足要求，是整個項目順利實施的成敗關鍵。

1.1 總體布置

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

1.2 工程特點、難點

1)富春江水電站為日調節河床式水電站，當上游來水流速超過3 000 m3/s時，水庫必須泄洪。大壩設有17個泄洪孔，每孔設計泄洪流量1 100 m3/s。自1969年至2008年統計，枯水年泄洪天數為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16 m，經數學模型模擬分析，最大泄洪流速達12 m/s，流態復雜具有很強的沖砸效應，泄洪期主要在4～7月。除泄洪期外，電站每日開機發電，發電流量400～3 000 m3/s，壩下尾水位的變幅達6 m；

2)圍堰的抗沖穩定性能否滿足要求，是整個項目順利實施的成敗關鍵；

3)施工期間，電站每日開機發電，壩下尾水位的變幅達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施工造成極大困難；

4)頂沖段河床基巖起伏較大，給防沖結構施工造成較大困難。

2 圍堰設計

根據工程特點，圍堰設計分上、下兩層，在施工期間，圍堰擋水標準采用非汛期(10月～次年4月)10年一遇洪水標準，流量為7 110 m3/s；下層主體圍堰為過流圍堰，設計過水標準為全年10年一遇洪水標準，流量為15 300 m3/s[1]。

下層主體圍堰即為混合結構的過水圍堰。對于壩下至0+185樁號處于樞紐泄洪消能區段，在10年一遇洪水以下，泄洪消能水墊不足，其縱向圍堰過流保護結構頂高程及防滲墻頂高程設置在6.5 m，并對與老船閘相銜接130 m范圍迎水面采用相互連接的鋼筋混凝土預制沉箱加拋石防護的加強結構作為防沖結構物；對于0+197～0+788段，按照電站滿發流量Q=3 070 m3/s，相應水位為9.2 m，確定堰體防滲墻施工平臺高程為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，5.0 m以上高程采用鋼筋石籠+混凝土面板防護，背水面的護面結構采用鋼筋石籠+混凝土面板防護一直延伸至船閘外側灌砌石防沖護坦的齒墻。

上層設置子圍堰，頂寬6 m，頂高程為12.5 m，兩側坡比為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60 cm厚理砌塊石護面，在汛期大洪水時臨時拆除過水。圖1、圖2為圍堰斷面結構圖。

2.1 防沖結構優化

鑒于圍堰布置在大壩泄洪區，為抵抗大壩泄流的破壞力，原設計頂沖段迎水側布置30個預制沉箱作為防沖結構，但根據抗沖穩定性、河道通航條件、設備資源、進度、經濟性等各方面綜合分析，另提出了整個下放鋼套箱現澆沉箱方案，并進行了方案比選，見表1。

表1 沉箱施工方案比選表

1)沉箱預制方案：沉箱選擇在唐家洲上分節預制，建造臨時出運碼頭，并對碼頭前沿的出運水域通道進行疏浚，通過駁船運輸至安裝位置，采用浮吊安裝。

2)沉箱現澆方案：首先進行縱向堰體砂卵石料的填筑，從唐家洲向大壩方向填筑，同時進行沉箱鋼套箱模板分節制作，陸運至沉箱布置區域進行拼裝，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：根據沉箱預制、現澆兩種施工方案優缺點，綜合整個圍堰施工中設備需求、抗沖性能、安全性、進度及經濟性進行對比，沉箱現澆方案可滿足進度、抗沖性好、安全可靠，且施工可行性高，成本與預制方案相當，故選用沉箱現澆方案。

2.2 防護結構優化

圍堰樁號0-070～0+185頂沖段，原設計鋼筋混凝土護面板頂標高為6.5 m，電廠每日開機發電，外側水位大部分時段高于6.5 m，致使護面板有效施工時段短，因此調整頂沖段防護結構標高至9.0 m，護面板厚度由原來0.6 m加厚至0.8 m，并與沉箱有效連接，確保抗沖穩定。

3 圍堰施工

3.1 圍堰填筑

圍堰填筑前，須先對河床圍堰防滲墻軸線3 m范圍內大于20 cm以上的大塊石進行清理。縱向圍堰以陸上推進回填方式施工為主，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，防滲墻軸線區域的盡量選用級配較好的細骨料或者粘土含量較多的細料回填，并控制回填料寬度不小于3 m。優先完成橫向圍堰填筑，通過橫向圍堰斷流減少江水對縱向圍堰土石方填筑時的沖刷。

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，通過掃海測量及潛水員下水觸摸，確定沉箱基床巖面標高及起伏情況；

2)根據實測巖面標高確定整平后的標高，通過拋放袋裝砼將沉箱四周基床整平至安放標準，然后安放混凝土墊塊及整平導軌檢驗。

3)鋼套箱模板加工制作，汽車運至現場拼裝。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，后場分節拼裝，拼裝高度2～3 m；前場整體拼裝，將分節拼裝好的鋼套箱模板安裝成一個整體。模板吊裝前在其外邊距離模板50 cm處設置DN 150×3 mm鋼管，通過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，前場拼裝平臺搭設在已填裝完成的圍堰上，以方便起重船吊裝。2根7.5 m長的槽25型鋼作為鋼套箱模板吊架，在頂節鋼套箱模板4個加強角處穿入8個M 20精扎螺紋鋼，螺紋鋼底部用螺帽固定，上部與吊架連接；鋼套箱模板沉放過程中，在沉箱兩對角綁定兩個 GPS以定位沉箱角點坐標來確定沉箱位置，以確保鋼套箱模板安放在袋裝混凝土上，并調整鋼套箱垂直度。

5)混凝土澆筑時采用雙導管水下澆筑砼，導管底口距沉箱底部30 cm。

6)相鄰沉箱混凝土澆筑后，根據空隙實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個之后，開始沉箱后方回填，并保持與沉箱一定步距，防止回填料進占沉箱基床而影響沉箱安放。

8)沉箱錨桿鉆孔采用地質鉆機鉆孔，主要鉆進預埋管內混凝土及3.5 m厚巖層，每個沉箱鉆孔完成后立即將錨桿植入孔內，采用灌漿機由底往上灌漿，直至孔頂返回濃漿為止。

9)沉箱頂層混凝土澆筑時，在混凝土初凝前梅花形式植入鋼筋φ20@500，待護面混凝土施工時，預留鋼筋與護面混凝土鋼筋焊接成一個整體，保證沉箱與護面混凝土連成一個整體，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施的關鍵[2]。圍堰0-070～0+543區段采用60 cm厚砼防滲墻，軸線0+543以下部分采用是高噴防滲墻。砼防滲墻施工區段主要是新填筑的砂礫料，厚度較大，且水下回填部分無法分層碾壓，對防滲墻施工帶來很大的難度，易產生孔斜、塌孔等問題；且電站每日開機發電，壩下尾水位的變幅達6 m，圍堰填筑后，過水斷面減小，造成一定的水位雍高，白天正常發電水位達9.5 m左右，與圍堰填筑頂標高相當，造成砼防滲墻成槽施工難度較大。針對以上施工難點，本工程主要采取以下措施：

1)導向槽施工。基地整平后以防滲薄墻軸線為中線進行開挖，用鋼筋砼澆筑一個寬度60 cm，高度100 cm的導向槽。導墻頂面標高設置為10.0 m，內側間距70 cm，保證槽內泥漿液面高出外側水位。導向槽橫斷面如圖8所示。

2)泥漿的制備。根據本工程外側水位頻繁漲落特點，采用三級膨潤土制漿，漿液性能應滿足規范要求。

3)成槽施工。①鉆抓法：采用“三鉆兩抓法”工藝進行施工，沖擊鉆機鉆取主孔，抓斗機高效抓取副孔，此方法主要針對臨時圍堰填筑料為砂卵石料，相對原始地層比較松散，在防滲墻施工中容易漏漿及大面積坍塌，難已成槽，并考慮沖擊鉆機在鉆主孔時多加粘土，達到對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造條件。如抓斗施工時發生嚴重漏漿現像，則應立即回填粘土和砂子堵漏，反復抓填，直到漿液面不下降為止，確保成槽質量。在入巖后，采用鉆鑿法施工以確保入巖深度(不小于50 cm)；②槽孔長度及其劃分：為保證沖擊鉆機和抓斗施工效率，一期槽孔擬定為6.4 m，共分為5個孔，3個主孔單個寬度為0.6 m，另2個副孔單個寬度為2.3 m。槽段連接采用“接頭管”連接方法，如圖4所示。

3.4 施工階段問題處理

1)在沉箱安裝和澆筑中，發現部分沉箱安放垂直度和頂面平面位置偏差較大，封底砼發生側漏情況，經研究分析：主要原因在于基床整平效果不佳。對于巖面起伏較大的區域，采取拋放較大噸袋混凝土將沉箱四周基床整平至粗平標準，安放混凝土墊塊及整平導軌，然后用較小袋裝混凝土將沉箱基床整平至細平標準，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，槽段內外水頭差較小，部分槽段出現了塌孔現象，經研究分析，采取了適當加高導向槽標高(高出水位線1 m)，將“三鉆兩抓”法改進成“二鉆一抓”，減小槽段施工時間，采用粘土將槽段頂部2～3 m進行換填，最終較好地解決了塌孔問題。

4 圍堰監測

為及時掌握圍堰的沉降、位移情況，根據水工建筑物觀測技術規范要求[3]，主體圍堰頂部每隔50 m布設2個沉降圍堰觀測點，分別布于斷面前后沿，并定期觀測，汛期加大觀測頻率。圍堰經數次泄洪后，經觀測最大水平位移為65 mm(預警值120 mm)，最大沉降位移為19 mm(預警值150 mm)，滿足要求，圍堰整體穩定安全。圍堰頂沖段布設測速儀及深層觀測點，對頂部流速、滲流、沉箱錨桿應力進行監測。滲流監測布設3個斷面(0～067、0～050、0～010)，沉箱錨桿應力監測采用布設鋼筋計，分別布設于6#、10#、14#沉箱錨桿上。2013年6月11日滿發電期間頂沖段滲流監測情況見圖5，斷面中間測點水壓與背水側測點結果較為接近，表明圍堰背水側水力梯度較小，圍堰體不存在發生突水突涌的風險。2013年6月23日泄洪期間頂沖段沉箱錨桿應力監測情況見圖6，由測點10受力變化曲線可知，錨桿拉力受泄洪、水位影響不大，錨桿對應的拉力較小，遠遠小于錨桿抗拉強度，表明10#沉箱較為穩定。

5 結 語

作為全國首座壩下改擴建船閘，在無施工先例的情況下，通過對圍堰設計優化，提出了整體下放鋼套箱、現澆沉箱，并增設抗浮錨桿，即一種已建水電樞紐壩下船閘擴建改造工程防沖過水圍堰結構，大大提高了抗沖穩定性；針對壩下水位漲落頻繁，采用水陸雙向回填加快圍堰填筑進度，“鉆+抓”結合工藝施工混凝土防滲墻有效防止了成槽塌孔。隨著運行樞紐壩下改擴建造船閘的興起，該關鍵施工技術經驗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計規范[S].

[2] DLT 5199—2004，水電水利工程混凝土防滲墻施工技術規范[S].

[3] JTJ 218—2005，水運工程水工建筑物原型觀測技術規范[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