倒垂保護管預埋技術在蘇布雷水電站中的應用

段 積 文

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

科特迪瓦蘇布雷水電站工程樞紐建筑物主要包括大壩、溢洪道、進水口、電站廠房和尾水渠。其中大壩由主壩和副壩組成，主壩軸線長度約4.5 km，副壩軸線長度約602 m。主壩壩頂高程154.5 m，壩頂寬8 m。壩型主要有三種，分別包括均質土壩、土石混合壩和心墻堆石壩，包括兩個擋水建筑物取水口和溢洪道，均為混凝土結構物。

隨著國內外水電工程建設的發展，大壩安全監測技術也有了一定程度的發展和創新，但倒垂(正垂)作為常規監測技術多年來都是以傳統的鉆機造孔、輔以測斜糾偏為主要工藝。科特迪瓦蘇布雷水電站由于工期緊、任務重、安全監測工期要求緊張，項目部提出了倒垂保護管預埋技術并最終成功應用，超前完成了施工任務并形成了一套相對完整的倒垂保護管預埋技術。筆者介紹了工程中采用的倒垂保護管預埋技術。整個大壩的安全監測共設計了7套倒垂系統，均布置在混凝土結構物上，其中電站取水口排水廊道布置1套，取水口上部布置2套，溢洪道廊道布置2套，溢洪道上部布置2套，倒垂孔累計設計深度近220 m。

2 施工工藝流程及操作要點

倒垂保護管預埋技術主要包括：測量放線定位，保護管安裝，絲扣防水處理，垂直度調校，加固處理，加固后垂直度復測微調，混凝土澆筑，垂直度過程復測糾偏。

2.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

2.2 操作要點

(1)測量放線。首先,根據圖紙要求對倒垂孔的孔位進行精確放樣，確定現場位置。

(2)保護管安裝。定位準確后，在孔位上根據混凝土的分倉高度選擇安裝保護管的長度，一般來說，保護管的分段長度要比混凝土分倉高度高出1 m左右為宜[2]。

以第一節保護管安裝為例，當保護管放置在定位點后，在其下方打3～4顆膨脹螺栓或鋼筋樁，用電焊將保護管與膨脹螺栓或鋼筋樁進行焊接，使其固定在地面上。側面用4根Φ20或Φ25的鋼筋將每根鋼筋的一端接一個松緊螺旋扣，另一端與地面錨桿進行焊接(此步驟中的焊接只需要輕微點焊即可。因為在調整過程中有的位置不合適需要調整，輕微點焊方便脫焊后調整)固定，每一根鋼筋與保護管和地面形成三角形，在保護管頂部焊接四根鋼筋用于連接地面錨桿，兩兩之間形成90°夾角以提高其穩定性。焊接固定鋼筋時，先用水平尺調整垂直度后再施焊，后續保護管安裝方法同上。

圖1 倒垂保護管預埋施工工藝流程圖

(3)絲扣之間的防水處理。一般的倒垂保護管均為2 m一根，頭尾車絲扣旋緊連接。在這種情況下，為了保證今后管內不滲水，需對絲扣部分做防水處理。處理方法：用生膠帶+玻璃膠涂抹進行防水處理，效果較好，待玻璃膠干燥成型之后即可[1]。

(4)垂直度調校。

粗調：用兩個水平尺分別放置在保護管側面，兩水平尺呈90°夾角。調整松緊螺旋扣使兩個水平尺氣泡居中。由于水平尺的精度較低，不能滿足垂直度測量要求，因此要用鉛錘吊線進行精調。

精調：在倒垂保護管最頂端焊接兩個呈90°夾角的鋼筋，在其上面置鉛錘至地面，在倒垂保護管的頂部用鋼板尺測量垂線與鋼管的距離d1，在下方同樣進行測量d2，兩者偏差越小則垂直度越高。一般情況下，d1和d2之間的偏差不宜大于1 mm[2]。

上述方向完成后，換到與該方向垂直90°的另一個方向上，采用同樣的方法進行精調，互相垂直的兩個方向調平之后，倒垂保護管即處于垂直狀態。

單一方向上的垂直度會對另一方向上的垂直度有細微影響，因此，這樣的過程需要反復幾次，直至最終符合垂直度偏差要求，確保保護管已安裝部分處于垂直狀態。

(5)加固處理。上述步驟完成后，需要對之前輕微點焊的部位做焊接加固，以免混凝土澆筑時力量過大而破壞保護管的垂直狀態。

另外，根據拉筋的粗細和穩固程度，可以適當地補充加固一部分拉筋，使其更加穩固，以避免混凝土澆筑時對系統產生推力而導致垂直度發生變化。

(6)加固后的垂直度復測微調。由于焊接會導致鋼筋局部變形收縮，因此，在焊接加固后，需要對垂直度進行復測微調，但一般情況下偏差會很小，只需稍微調整即可。

(7)混凝土澆筑期間的保護。上述步驟完成后，使用土工布和塑料薄膜對保護管管口進行封閉處理，以防止雜物堵塞保護管?，F場澆筑混凝土時，在該部位放料時應注意四周均勻放料，盡量避免碰觸保護管，振搗棒作業時注意避免接觸保護管。

混凝土澆筑過程需要監測人員旁站，間隔一段時間對垂直度進行復核，發現意外情況時需利用頂部的松緊螺旋扣重新調整垂直度。

四個松緊螺旋扣一定要連接在倒垂保護管的頂部，避免混凝土澆筑時覆蓋掩埋，待澆筑完成后，用切割機切掉四個松緊螺旋扣以備下次重復使用。要求現場工作人員對分倉情況比較熟悉，每次焊接拉筋時，預留高度一定要大于現有倉位混凝土澆筑的高度，以保證松緊螺旋扣每次都在混凝土澆筑高程之上。

(8)垂直度的過程復測糾偏及技術指標。一般混凝土的澆筑高度4～6 m為一個單元，最多不超過10 m，需要用倒垂浮筒配合自由擴張式彈性置中器[3](圖2)對已埋保護管進行垂直度測量(管底至管口)。在糾偏過程中，必須保證滿足設計圖紙中的技術指標，有效管徑應大于設計值。

圖2 自由擴張式彈性置中器

彈性置中器見圖2和圖3[3]，它可以通過調節中間螺桿上的螺絲使彈簧片出現擴張，多個彈簧片擴張后形成一個圓球體，用以調節、擴張直徑恰好等于倒垂保護管的直徑，使其正好可以放進倒垂保護管中。而它的下方是一個吊錘，中間連接螺桿上的細線，細線上端連接浮筒(圖4)。

基本原理：自有擴張式彈性置中器無論放置在倒垂保護管中的任何深度，其本身永遠將連桿置于倒垂保護管的中心，通過細線延伸到最上方、連接到浮筒中的浮子上，浮筒中裝滿液壓油，由于重力浮力原理，浮子垂線和置中器構成的結構始終處于垂直狀態，從而可以測量孔口垂線和孔口幾何中心的偏差位移，由此可判斷此時置中器所處深度的中心和孔口幾何中心的偏差[5]。

使用方法：手握圖2中的調節圈，松開調節螺母，順時針扭動吊環，使彈簧片張開所需要的口徑，其口徑大小應與所埋設安裝的保護管內壁緊貼為宜。管內測斜采用浮桶、浮子、鋼絲線、自由擴張式彈性置中器組成的一套工具，浮子通過連接桿和自由擴張式彈性置中器用φ1.2的不銹銦瓦絲連接并浮在浮桶的變壓器油上，自由擴張式彈性置中器通過銦瓦絲將管內各個測斜位置的圓心坐標反映到孔口坐標上(為保證準確度，從管底至已埋設安裝管口每0.5 m測量一次)，通過管口的銦瓦絲位置讀出管內圓心點的坐標。根據測出的各個位置的圓心坐標，按理論公式計算出有效管徑和管斜率，或按照數學幾何作圖法[4]，將X軸和Y軸方向上偏移量最大和最小數值的圓(即控制圓)采用CAD制圖按1∶1的比例作出所有控制圓的公共圓(即有效圓)，公共圓的直徑即為有效管徑，采用CAD自動捕捉圓心法找出公共圓的圓心，其即為有效圓的圓心(圖5)。然后根據計算出的孔斜率推算成孔的有效管徑，若孔斜過大，成孔的有效口徑達不到設計要求時，必須采取有效的糾偏措施糾正孔斜。為了保證保護管安裝完成后垂直度滿足設計要求，在安裝過程中應盡量避免有效管徑接近上限值并及時調整。

圖3 置中器擴張狀態

圖4 倒垂浮桶

圖5 管內各高程位置偏心值圖

3 技術特點

(1)提高了施工成功率。倒垂保護管預埋技術因在其垂直安裝過程中，每隔幾米就會進行檢驗并實施糾偏措施，其每個環節都是人為可控的，故能夠保證一次性成功；而傳統的鉆機造孔，當其深度達到一定程度后，鉆桿的撓度將導致鉆孔垂直度不可控，很容易造成廢孔。倒垂保護管預埋從根本上改變了以往采用鉆機鉆孔作業不能保證垂直度而造成鉆孔半途而廢、施工失敗的情況。

(2)縮短了施工工期。傳統的鉆機造孔再下管回填灌漿的方法只能在混凝土結構物施工完成后進行，需要耗費大量時間。通常，一個項目的倒垂孔累計深度達到200 m以上，使用傳統的鉆孔法安裝，施工周期通常會超過半年以上[5]，而倒垂保護管預埋技術可以在混凝土澆筑過程中進行，隨混凝土澆筑進度預埋，混凝土澆筑結束時倒垂保護管預埋隨即結束，即與混凝土施工同期完成，從而大大節約了工期。

(3)節約了施工成本。倒垂保護管預埋技術只需要簡單的人工和糾偏工具即可進行作業，從而省去了大量的鉆機鉆孔作業，節省了油料和機械消耗，使成本大大降低。

4 結 語

蘇布雷項目安全監測工作于2014年10月底啟動，倒垂保護管預埋和混凝土澆筑同期開始，至2016年10月底混凝土澆筑封頂時倒垂保護管預埋同期結束，經過測斜，均滿足設計要求，獲得監理和業主的一致好評。如果采用傳統的鉆孔法，2016年10月混凝土澆筑封頂時才開始進行鉆孔施工，既使鉆孔在一切順利、不出現廢孔的情況下預計至少需要4～5個月時間才能完成倒垂管的鉆孔和安裝。相比之下，采用筆者介紹的方法，工期可大大縮減。