組合圍堰在唐家渡電航樞紐中的應用

吳仍芳

(中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

電航工程縱向圍堰通常采用混凝土圍堰，混凝土圍堰具有強度高、抗沖刷、穩(wěn)定性好和汛期不易發(fā)生破壞等優(yōu)點。唐家渡電航樞紐工程(以下簡稱“唐家渡電航工程”)位于四川省遂寧市境內(nèi)的涪江干流上，采用河床閘壩式開發(fā)，總庫容9 430萬m3，電站裝機容量3×14 MW，船閘和航道按四級標準建設。唐家渡電航工程全年縱向圍堰長397 m，高12.6 m，混凝土澆筑方量大，施工任務繁重，若1個枯水期(以下簡稱“一枯”)前未完成全年縱向圍堰施工，則將影響工程安全度汛，難以保證整個工程順利完工。

本文總結(jié)混凝土擋墻與臺后回填的組合圍堰結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[1]。該施工技術(shù)成功應用于唐家渡電航工程縱向圍堰工程，充分利用了土石圍堰及混凝土圍堰的優(yōu)點，減少了圍堰修筑及拆除工程量，降低了圍堰拆除難度，節(jié)約施工成本的同時加快了施工進度。

1 工程導流概況

唐家渡電航工程施工導流采用束窄河床分期導流方式，導流工程分兩期施工：一期左岸枯期圍堰加廠房全年擋水圍堰圍左岸非溢流壩段、魚道、船閘、廠房、5孔沖沙閘和9孔泄水閘；二期右岸枯期圍堰，圍右岸17孔泄洪閘、儲門槽壩段和右岸非溢流壩段。

唐家渡電航工程廠房全年擋水圍堰設計洪水標準按全年10 a一遇洪水，相應導流設計流量為15 900 m3/s，對應壩址處水位為283.6 m。廠房全年擋水圍堰設計堰頂高程為284.6 m，上、下游橫向圍堰為土石結(jié)構(gòu)，廠房上、下游橫向土石圍堰、廠房縱向組合圍堰及5#、6#導墻呈半包圍形式布置，保護廠房、船閘進行旱地施工。

唐家渡電航工程廠房縱向組合圍堰全長397 m，其中廠房上游縱向組合圍堰長約178 m，上游以刺墻形式伸入廠房上游橫向土石圍堰，下游接6#導墻；廠房下游縱向組合圍堰長約219 m，上游接5#導墻，下游以刺墻形式伸入廠房下游橫向土石圍堰。唐家渡電航工程導流圍堰布置如圖1所示。

圖1 唐家渡電航工程導流圍堰布置圖

2 圍堰方案比選

由于唐家渡電航工程土石方開挖工程量大，且周邊棄土場較少，為消納多余土石方，上、下游橫向圍堰均采用土石圍堰結(jié)構(gòu)。考慮全年廠房縱向圍堰工程量大，且需在1個汛期前施工完成，經(jīng)過多次研究論證和縱向圍堰方案比選，結(jié)合工期、成本、安全、質(zhì)量等因素，最終選擇采用混凝土擋墻與臺后回填組合縱向圍堰的施工方案。

縱向圍堰方案比較情況見表1所列。

表1 縱向圍堰方案比較情況

3 組合圍堰設計及受力計算

根據(jù)受力驗算情況確定混凝土擋墻基礎(chǔ)開挖深度及結(jié)構(gòu)斷面尺寸。根據(jù)地質(zhì)條件和模板材料設備情況進行分層分塊設計，間隔一定距離設置沉降縫，沉降縫處從底至頂設置止水帶。回填料采用基坑開挖料，回填過渡料選用級配良好的砂卵石，臺后回填頂部高程低于混凝土擋墻頂部高程，根據(jù)受力驗算情況確定臺后回填寬度、坡度及頂部高程。

3.1 組合圍堰設計

組合圍堰中混凝土擋墻采用頂寬0.8 m，底寬4 m，直角梯形結(jié)構(gòu)，迎水面坡比1∶0.25；回填土頂寬5 m，底寬14.6 m，直角梯形結(jié)構(gòu)，背水面坡比1∶1.2；混凝土擋墻與臺后回填之間設置50 cm寬的回填過渡料。

為避免地基不均勻沉降造成堰體開裂，整個堰體順水流方向每隔20 m設置一道伸縮縫，縫寬2 cm，內(nèi)部填充瀝青杉木板。伸縮縫處設置橡膠止水帶，止水帶距混凝土擋墻迎水面40 cm。

圖2 混凝土擋墻及臺后回填的組合式圍堰斷面圖

3.2 圍堰受力計算

組合縱向圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定受力模型如圖3所示。

圖3 組合縱向圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定受力模型

根據(jù)堰體自重計算公式、主動土壓力計算公式、抗傾覆計算公式、抗滑移驗算公式和基底承載力驗算公式[2]，計算得到無水條件下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為4.05，抗滑移安全系數(shù)為2.27，基底承載力驗算結(jié)果為173.9 kPa。根據(jù)水壓力計算公式、被動土壓力計算公式、抗傾覆計算公式、抗滑移驗算公式和基底承載力驗算公式[2]，計算得到水流作用條件下抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為2.45，基底承載力驗算結(jié)果為222 kPa。可見，受力計算結(jié)果均遠大于規(guī)范要求[2]，驗算基底承載力遠小于弱風化粉砂質(zhì)泥巖的實際承載力600 kPa。

4 施工工藝流程和方法

組合圍堰施工工藝流程為：施工準備→堰基開挖→堰基驗收及封閉→混凝土擋墻施工→縫面處理→填縫料及止水帶安裝→臺后回填施工→圍堰拆除。

4.1 堰基開挖及封閉

砂卵石覆蓋層采用液壓反鏟分層均衡開挖，一次開挖深度控制在2～3 m，開挖土料用20 t自卸汽車運至填筑作業(yè)面或棄渣場。堰基采用高效液壓破碎錘開挖，分層開挖厚度為1.0～1.2 m，由反鏟配合自卸汽車對破碎后的松散石方進行挖運，開挖料臨時堆存，用于混凝土擋墻臺后回填作業(yè)。

建基面開挖至設計高程272 m后，由人工清除巖基面上的松動巖石和雜物，然后用壓力水將巖基面沖洗干凈，沖洗積水用潛水泵排到集水井，也可采用高壓風吹凈巖面。建基面處理完成后進行承載力試驗，試驗合格后及時進行驗收，并澆筑5 cm厚C15混凝土或M5砂漿墊層對基巖進行封閉。

4.2 混凝土擋墻施工

4.2.1 分層分塊

為保證圍堰不均勻沉降，同時與5#、6#導墻及土石圍堰順接，需對縱向圍堰的混凝土堰體進行分層分塊設計，根據(jù)受力計算及現(xiàn)場澆筑設備、澆筑能力分析，分塊長度確定為18～20 m不等。廠房上游縱向混凝土圍堰全長178 m，共分9個結(jié)構(gòu)段；廠房下游縱向混凝土圍堰全長219 m，共分11個結(jié)構(gòu)段。每個結(jié)構(gòu)段按1.6～3.0 m分層進行澆筑。縱向組合圍堰分層分塊布置如圖4所示。

圖4 縱向組合圍堰分層分塊布置圖

4.2.2 模板制作和安裝

采用平面大型鋼模板，模板骨架為槽鋼，每塊大模板都裝有帶安裝網(wǎng)的操作平臺，用鋼管平撐，鋼筋拉條內(nèi)撐內(nèi)拉固定、調(diào)節(jié)模板。通過研發(fā)并采用一種用于固定模板底口及操作平臺的裝置，包括若干相互配套的預埋部分和緊固部分：①預埋部分包括預埋在混凝土中的預埋螺桿和臺型螺母；②緊固部分將模板的底口和操作平臺與預埋部分連接，包括與臺型螺母配合的緊固螺桿，緊固螺桿上設有與其配合的緊固螺母。由16 t吊車與人工配合按照設計和測量控制點進行模板安裝、校正、固定，該裝置可以大幅度加快模板安裝及拆除速度[3]。

4.2.3 混凝土澆筑

堰體混凝土由左岸180 m3/h拌和樓供應，20 t自卸車、8 m3混凝土攪拌車負責混凝土水平運輸。垂直運輸采用長臂反鏟、履帶吊，自卸汽車、混凝土攪拌車將混凝土由拌和樓運至現(xiàn)場制作的卸料斗、3 m3臥罐，高程278 m以下混凝土澆筑由長臂反鏟通過卸料斗直接取料入倉，高程278 m以上混凝土澆筑由履帶吊吊運3 m3臥罐入倉。

混凝土到倉內(nèi)后采用平鋪法下料，鋪料厚度為30～50 cm。入倉后的混凝土采用φ100插入式電動振搗器和φ50軟軸電動振搗器按照先平倉、后振搗工藝將混凝土振搗密實。砼澆筑到設計高程時，由人工用電動抹面機抹面。

4.3 縫面施工及處理

混凝土澆筑層水平施工縫，采用高壓沖毛機沖毛，在混凝土澆筑完后，待混凝土終凝24 h和下一倉模板安裝后，用高壓沖毛機將縫面上的灰漿、砂子、石頭一次性沖洗干凈。

混凝土澆筑層垂直施工縫處理位置為一期混凝土施工部位。具體施工方法是在混凝土澆筑模板拆除后，由人工用手錘、電錘和鋼釬將混凝土光面鑿成毛面，然后用壓力水沖洗干凈。

4.4 填縫料及止水帶安裝

堰體伸縮縫設計2 cm厚瀝青杉木板作為填縫料。合倉澆筑時：在縫面處采用鋼支架固定架立瀝青杉木板的方法成縫，澆筑時，兩側(cè)均勻下料，保證瀝青杉木板線形平順。分倉澆筑時采用在后澆塊澆筑前人工預埋，擬用射釘槍將瀝青杉板固定在先澆塊縫面上。安裝好填縫料的接縫均密封好，并緊貼縫面，防止新澆混凝土中的漿液充填入縫。

止水安裝時采用模板將止水帶固定，止水帶要埋正對中，止水帶中間可伸縮部分不得埋入混凝土中，以保證其可自由變形。止水帶連接固定時不得釘釘、錯茬連接和任意穿孔。橡膠止水帶接頭采用硫化連接，接頭內(nèi)不得有氣泡、夾渣，接頭處的抗拉強度不低于母材強度的60%。

4.5 臺后回填施工

混凝土擋墻澆筑完成，混凝土強度達到80%后方可進行臺后回填作業(yè)。臺后回填采用20 t自卸汽車從挖方區(qū)運輸基坑開挖料至填筑部位，后退法卸料，推土機平料，鋪料厚度≤40 cm，采用13 t振動壓路機進行碾壓。需要注意的是，填土接近混凝土擋墻時，為減少振動碾壓對新澆筑擋墻的不利影響，采用蛙式打夯機進行過渡段回填料夯擊。

4.6 圍堰拆除

為避免爆破拆除對鄰近建筑物產(chǎn)生不利影響，縱向組合圍堰中混凝土擋墻拆除采用液壓破碎錘進行，反鏟配合自卸汽車進行挖裝運輸。

利用臺后回填作為施工道路，拆除堰體水面以上部分，水下部分采用長臂液壓反鏟進行配合拆除。組合圍堰拆除時先行拆除混凝土擋墻，最后采用倒退法進行臺后回填拆除。

4.7 堰體與土石圍堰接頭處質(zhì)量控制

為保證廠房縱向混凝土圍堰與廠房上、下游土石圍堰接頭處的防滲效果，混凝土圍堰需以刺墻形式伸入土石圍堰，與土石圍堰內(nèi)部高噴防滲墻搭接。由于高噴防滲墻處于土石圍堰堰體中部，需將接頭處部分堰體挖除。接頭處開挖采用液壓反鏟，以1∶1坡比放坡開挖，底部至堰體設計輪廓線應預留不少于50 cm的立模邊距。

為保證混凝土圍堰與高噴防滲墻有效搭接，在已施工完成的高噴防滲墻上布設兩排20 mm錨桿，錨桿排距為1 m，間距為1.5 m，錨桿長1.8 m，深入高噴防滲墻0.8 m，埋入混凝土圍堰中1 m，錨桿垂直于防滲墻布置。澆筑混凝土前對接頭段防滲墻進行鑿毛處理。

5 實施進度、效果和效益

唐家渡電航工程組合縱向圍堰施工歷時106 d，投入使用33個月，拆除用時25 d，通過實施進度、效果及效益分析，確定組合圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、防滲效果良好、節(jié)能環(huán)保。

5.1 圍堰實施進度

唐家渡電航工程廠房縱向組合圍堰自2018年1月22日開始施工至2018年5月8日施工完成，用時106 d，較混凝土縱向圍堰計劃工期提前14 d。施工全過程處于安全、穩(wěn)定、快速、優(yōu)質(zhì)的可控狀態(tài)，在涪江汛期來臨前成功實施完成，為一期土石圍堰汛前拆除創(chuàng)造了有利條件，同時也為唐家渡電航工程廠房、船閘主體工程施工爭取了寶貴的時間。

唐家渡電航工程組合圍堰采用液壓破碎錘及反鏟進行拆除，拆除僅用時25 d，較混凝土縱向圍堰計劃工期提前14 d。拆除安全快速，未對廠房永久構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響，對周邊環(huán)境影響較小。

5.2 防滲效果

唐家渡電航工程組合圍堰于2018年5月20日投入使用，2021年2月15日拆除完成，使用時間33個月，組合圍堰投入使用過程中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、防滲效果良好，未發(fā)生滲漏、開裂及管涌等現(xiàn)象。

組合圍堰成功經(jīng)受住2018年“7·11”30 a一遇洪水和2020年“8·16”40 a一遇洪水考驗。“7·11”洪水最大洪峰流量21 400 m3/s，堰前最高洪水位為284.8 m；“8·16”洪水最大洪峰流量22 600 m3/s，堰前最高洪水位為285.2 m。組合圍堰均淹沒于兩場洪水中。洪水過后，組合圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未產(chǎn)生損毀及破壞。

5.3 效益分析

組合圍堰結(jié)構(gòu)施工技術(shù)減少了圍堰修筑及拆除工程量，由于充分利用現(xiàn)有材料而減少了非可再生資源消耗，降低了對環(huán)境的影響，具有環(huán)境效益。

相比混凝土圍堰方案，組合圍堰方案節(jié)約C15混凝土13 345 m3，每方混凝土節(jié)約材料及人工費用284元，共計節(jié)約費用379萬元。相比爆破拆除方案，組合圍堰方案采用液壓破碎錘拆除，每方混凝土節(jié)約費用15元，共計節(jié)約費用38萬元。兩者相加，合計節(jié)約費用417萬元。可見，組合圍堰方案具有較好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

唐家渡電航工程采用混凝土擋墻與臺后回填相結(jié)合的組合圍堰結(jié)構(gòu)進行臨時圍堰工程施工。該方案能夠確保施工質(zhì)量和施工安全，加快施工速度，降低施工成本，保證了唐家渡電航工程主體工程順利實施，具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。混凝土擋墻與臺后回填的組合圍堰結(jié)構(gòu)不僅適用于縱向圍堰，同時也適用于上游、下游橫向圍堰，主要適用于地形較開闊的水電及電航臨時圍堰工程，尤其適用于臨時圍堰工程量大、工期緊張、土石方開挖存在棄方的項目。