栗 佳
(遼寧省清河水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司,遼寧 鐵嶺 112003)
葠窩水庫(kù)位于遼寧省遼陽(yáng)市以東約40km處的太子河干流上,是一座以防洪為主,兼顧灌溉、工業(yè)用水,并結(jié)合供水進(jìn)行發(fā)電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫(kù)1974年竣工。
葠窩水庫(kù)大壩為混凝土重力壩,由擋水壩段、溢流壩段、電站壩段三部分組成,大壩全長(zhǎng)532m,共31個(gè)壩段,壩頂高程103.50m,最大壩高50.30m。
溢流壩段位于主河床,堰頂高程84.80m,設(shè)14個(gè)溢流孔,由14扇12m×12m弧形鋼閘門控制。閘墩間隔布置6個(gè)泄流底孔,采用3.5m×8.0m平板鋼閘門控制,水庫(kù)最大泄量23150m3/s。
初設(shè)批復(fù)是在水庫(kù)放空的前提下進(jìn)行除險(xiǎn)加固,施工導(dǎo)流采用圍堰擋水、利用永久底孔過(guò)水的分期導(dǎo)流方式,圍堰填筑在放空水庫(kù)后進(jìn)行。
在水庫(kù)泄空過(guò)程中,庫(kù)底淤積進(jìn)入下游河道,水庫(kù)壩下落淤嚴(yán)重,因此需重新調(diào)整施工方案。
水下混凝土澆筑方案由于工程質(zhì)量,尤其是新老混凝土結(jié)合不能保證,水下施工效率低,工期不易控制,投資增加多,不建議采用。
變更主體結(jié)構(gòu)不能保證徹底解決所有的水庫(kù)病險(xiǎn)問(wèn)題,風(fēng)險(xiǎn)大,懸掛面板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫不易控制,采用瀝青混凝土結(jié)構(gòu)存在耐久性問(wèn)題,都不是最優(yōu)方案。
經(jīng)綜合比較,變更方案大壩主體工程結(jié)構(gòu)型式仍維持原初設(shè)批復(fù),通過(guò)變更臨時(shí)工程解決水庫(kù)不能放空的問(wèn)題,因此壩前單排鋼管樁圍堰方案為推薦方案。
3.1.1 地層巖性
本次勘察通過(guò)鉆探揭露的地層自上而下敘述如下:
①層淤泥(Q4l):灰黑色-黑色,飽和,流塑,含有機(jī)質(zhì)及上游排放的礦粉。層厚1.6-4.3m。軸線均有分布。
①-1塊石:灰黑色碎石、塊石,弱風(fēng)化,多呈棱角狀,塊徑可達(dá)100mm以上,粒徑100mm以上塊石含量可達(dá)50%。該層分布在左岸坡腳及老圍堰處,鉆孔BK4、BK6處揭露。
②層砂卵礫石:雜色,飽和,密實(shí),分選性差,級(jí)配較好,磨圓度較好,層厚0.9-6m,鉆探揭露卵石最大粒徑可達(dá)100 mm,含量占約40%以上。卵石間充填淤積的粗砂、礫砂以及礦粉顆粒等,呈灰黃色、灰黑色。該層局部夾有塊石,推測(cè)為大壩壩基開挖渣體,塊石成分為灰黑色變粒巖,與壩基巖性一致,塊石粒徑鉆孔揭露最大可達(dá)100mm。軸線均有分布。
③變粒巖:灰黑色,弱風(fēng)化,變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖芯多成短柱狀,局部呈碎塊狀,巖石堅(jiān)硬。
圍堰沿線地層分布情況及特征見圖1。
圖1 擬建圍堰軸線工程地質(zhì)剖面圖
3.1.2 樁基施工建議
根據(jù)勘察揭露的地質(zhì)條件,結(jié)合搜集的資料,設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意以下3點(diǎn):
1)兩側(cè)岸坡較陡,表層覆蓋1-3m碎石土,局部巖體裸露,且較破碎。
2)原縱向圍堰位置鉆探揭露塊石粒徑較大,可達(dá)100mm以上,含量可達(dá)50%,未發(fā)現(xiàn)整體混凝土結(jié)構(gòu)。
3)壩基弱風(fēng)化變粒巖巖石強(qiáng)度較高,據(jù)原勘察資料,巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度可達(dá)60MPa以上,不利于管樁入巖施工。由于表層巖體局部裂隙發(fā)育,巖體破碎至較破碎,透水性強(qiáng)。因此,基抗開挖施工會(huì)出現(xiàn)較大出水量。
根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2017)a)3.2.1條要求,導(dǎo)流建筑物應(yīng)根據(jù)其保護(hù)對(duì)象、失事后果、使用年限和圍堰工程規(guī)模劃分為3-5級(jí),具體按規(guī)范表3.2.1確定。
本工程永久性主要建筑物級(jí)別為2級(jí),按照表格要求,導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。不過(guò)水圍堰堰頂高程應(yīng)不低于設(shè)計(jì)洪水的靜水位與波浪高度及堰頂安全加高值之和。
根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL303-2017)6.3.3條要求,不過(guò)水圍堰堰頂高程和堰頂加高安全值應(yīng)符合下列規(guī)定:堰頂高程不低于設(shè)計(jì)洪水的靜水位與波浪高度及安全加高值之和,其堰頂安全加高不低于規(guī)范表3.4.10值。
本工程為鋼管樁圍堰,上游堰頂高程計(jì)算時(shí)計(jì)算波浪高度0.83m,圍堰級(jí)別為4級(jí),安全加高值為0.3m。
波浪爬高采用莆田公式計(jì)算。
Δh=hm+hc
(1)
式中:Δh為圍堰頂至堰前水位的高差,m;hm為波浪高度,m;hc為安全超高,按0.3m采用。
經(jīng)計(jì)算,Δh = 0.83 + 0.3 = 1.13,堰前水位為77m,圍堰頂高程需高于77m水面高程1.2m,因此圍堰頂高程為78.20m。
本工程圍堰頂高程為78.20m,最低底高程56.00m,堰前擋水水位77.00m,因此圍堰高度22.20m,圍堰水深21.00m,根據(jù)《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51295-2018)3.0.5要求,圍堰高度>10m,圍堰水深>8m,因此圍堰安全等級(jí)屬于一級(jí)[1]。
為滿足工程主體結(jié)構(gòu)要求,圍堰布置應(yīng)符合下列原則:
1)圍堰與主體結(jié)構(gòu)的凈空間和地下水控制應(yīng)滿足主體結(jié)構(gòu)及其防水的施工要求。
2)采用內(nèi)支撐,其設(shè)置應(yīng)便于主體結(jié)構(gòu)及防水施工,上下道支撐設(shè)置剪刀撐。
在壩前上游修建單排鋼管樁圍堰,管樁軸線距壩體上游面7m,鋼管樁采用管徑1020mm,壁厚18mm的管樁。
采用水上打鋼管樁,鋼管樁圍堰利用橫撐與壩體上游面相連,橫撐采用HW400*400*13*21工字鋼支撐,水平間距為4.4m,垂直間距為2.7-5.0m,從上到下逐步加密。橫撐與壩體接觸部位采用φ28錨桿與600*640*10mm的鋼板固定于壩面上作為支撐焊接件。鋼管樁支撐橫梁采用500*250*12*25mm(梁高*翼緣寬*腹板厚*翼緣厚)的焊接工字型鋼梁。
鋼管樁圍堰內(nèi)基礎(chǔ)清理至基巖面,澆筑3.0-4.0m厚水下混凝土封閉??v向鋼管樁與壩體接觸處采用橡膠止水帶止水,圍堰形成后在鎖口內(nèi)充填止水材料。
鋼管樁上游全斷面鋪設(shè)土工膜,庫(kù)底上游水平鋪設(shè)長(zhǎng)度10m,上壓1m袋裝土作為保證圍堰防滲能力。
鋼管樁施工完成后,為增強(qiáng)樁體與基巖接觸部位的防滲效果和加強(qiáng)鋼管樁的穩(wěn)定性,在鋼管樁底部進(jìn)行鉆孔灌注樁施工,灌注樁入巖2.0m。
鋼管樁采用Ⅰ-C型鎖口,鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)由鎖口鋼管樁、圍檁、內(nèi)支撐及封底混凝土組成。
鋼管徑厚比應(yīng)滿足下式要求:
(2)
式中:D0為鋼管外徑,mm,取1020mm;ts為鋼管壁厚,mm,取18mm;fy為鋼材的屈服強(qiáng)度,MPa,鋼管材質(zhì)采用Q345B,取345MPa。
經(jīng)計(jì)算,D0/ts=56.67,小于100*235/fy=68.12,因此選用管徑1020mm,壁厚18mm的管樁滿足徑厚比要求。
鋼管樁使用時(shí)間為當(dāng)年9月至次年5月,環(huán)境腐蝕類型為水及大氣腐蝕。由于工期較短,介質(zhì)腐蝕程度較輕,無(wú)需對(duì)鋼管樁進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。
本工程沉樁施工為鋼管樁,樁徑為0.8m,其中一期圍堰161根,二期圍堰267根,最大樁長(zhǎng)約為21m。
鋼管樁施工流程如下:
施工準(zhǔn)備→鎖口鋼管樁制作→打樁船定位→鋼管樁測(cè)量放線→鋼管樁定位→吊樁→錘擊沉樁→下一根樁。
本工程鋼管樁采用在綜合加工廠加工制作,吊車吊裝裝運(yùn)至運(yùn)輸船,打樁船進(jìn)行沉樁施工。先進(jìn)行定位樁施工,然后由打樁船配合安裝導(dǎo)向架后,再由打樁船插樁后以往返復(fù)打的形式進(jìn)行沉樁施工。先利用打樁船吊振動(dòng)錘施打定位樁,然后安裝導(dǎo)向架,樁船往復(fù)插打鋼管樁,每組導(dǎo)向架內(nèi)插打6-8根鋼管樁。打完一個(gè)導(dǎo)向架內(nèi)的樁后拆除導(dǎo)向架,進(jìn)行下一組鋼管樁的施工。
4.3.1 樁長(zhǎng)加工
樁長(zhǎng)考慮按設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)加工。沉樁過(guò)程中根據(jù)沉樁情況總結(jié)后,確定各最佳參數(shù),以盡量減少水上接樁和過(guò)長(zhǎng)截樁。加工時(shí)按寧長(zhǎng)勿短的原則,以盡量避免水上接樁。
4.3.2 鋼管樁生產(chǎn)工序
鋼材檢驗(yàn)→開卷→校平→切頭→開坡口→對(duì)焊→銑邊→進(jìn)料→螺旋成型→內(nèi)焊→焊縫清根→外圓周長(zhǎng)測(cè)量→外焊→在線UT→等離子切割(飛切)→外觀及尺寸檢測(cè)→臨時(shí)標(biāo)記→手工UT→UT→RT→修補(bǔ)→修補(bǔ)處VT、UT/RT→樁靴制作→樁靴檢驗(yàn)→最終檢驗(yàn)→最終標(biāo)識(shí)→交貨。
4.3.3 焊接工藝
采用常溫螺旋成型,雙面自動(dòng)埋弧法焊接。對(duì)焊前鋼板開V形坡口,內(nèi)、外坡口均為60°,整樁制作鋼管樁。按焊接工藝規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證并對(duì)焊工考評(píng),保證焊接接頭抗拉強(qiáng)度不得小于母材規(guī)定的最低抗拉強(qiáng)度。
盡量避免水上接樁,如偶爾發(fā)生樁長(zhǎng)不夠時(shí),可按規(guī)范規(guī)定采取水上接樁,上節(jié)樁開單邊V型坡口,坡口角度45°-55°,樁內(nèi)部設(shè)置內(nèi)襯套,內(nèi)襯套預(yù)焊在上節(jié)樁底,現(xiàn)場(chǎng)套裝于下節(jié)樁中,再用手工焊接。焊接前,按規(guī)范對(duì)焊接工藝進(jìn)行考評(píng),焊條按規(guī)范采用E4303焊條。手工焊接后,對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)。接樁所用合格管節(jié)長(zhǎng)度>2m,兩個(gè)對(duì)接管節(jié)螺旋焊縫錯(cuò)開1/8周長(zhǎng)以上,焊接部的錯(cuò)開控制在4mm以下。
4.3.4 噴涂標(biāo)識(shí)
1)每根樁均用黑底白漆噴涂標(biāo)記,噴標(biāo)文字為漢字加阿拉伯?dāng)?shù)字。
2)長(zhǎng)度標(biāo)識(shí):每根樁從鋼管頂端進(jìn)行刻度標(biāo)識(shí),其中樁頂兩側(cè)每隔100mm噴水尺線;10m范圍以外每隔500mm噴水尺線;并在整數(shù)米處噴涂數(shù)字。
3)每根管樁在管端內(nèi)外表面噴管標(biāo),管標(biāo)內(nèi)容:樁管編號(hào)、樁管直徑、樁管總長(zhǎng)、鋼材材質(zhì)、制管標(biāo)準(zhǔn)、制造日期、制造廠名。
4.3.5 鋼管樁驗(yàn)收
供應(yīng)商負(fù)責(zé)鋼管樁自檢驗(yàn)收并提交檢驗(yàn)證書及產(chǎn)品合格證書,會(huì)同項(xiàng)目部復(fù)檢后及時(shí)報(bào)送監(jiān)理進(jìn)行最終驗(yàn)收,經(jīng)最終驗(yàn)收合格后的鋼管樁才可裝船出運(yùn)。
4.3.6 管樁運(yùn)輸
鋼管樁由專業(yè)廠家生產(chǎn),管樁經(jīng)驗(yàn)收合格后,運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)后采用25t吊車吊裝上打樁船。
4.3.7 沉樁施工
本工程最大樁長(zhǎng)約21m,根據(jù)沉樁計(jì)劃,擬采用1艘打樁船進(jìn)行施工,考慮當(dāng)?shù)貧庀蟆⑺牡茸匀粭l件,以及打樁船的尺寸、樁架高度、吊重要求等,確定打樁船的型號(hào)。打樁船性能參數(shù)如表1所示。
表1 打樁船性能參數(shù)表
根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃鋼管樁沉樁計(jì)劃安排1艘打樁船進(jìn)行沉樁施工。
鋼管樁施工前,先對(duì)樁船的抱樁器和背板進(jìn)行改造。先進(jìn)行定位樁施工,然后由打樁船配合安裝導(dǎo)向架后,再由打樁船插樁后以往返復(fù)打的形式進(jìn)行沉樁施工。先利用打樁船吊振動(dòng)錘施打定位樁,然后安裝導(dǎo)向架,樁船往復(fù)插打鋼管樁,每組導(dǎo)向架內(nèi)插打6-8根鋼管樁。打完一個(gè)導(dǎo)向架內(nèi)的樁后拆除導(dǎo)向架,進(jìn)行下一組鋼管樁的施工。鋼管樁施工流程圖,如圖2所示。
圖2 鋼管樁施工流程圖
導(dǎo)向架采用工字鋼作為鋼導(dǎo)梁和用斜撐加工而成。導(dǎo)向架的加工一般要滿足鋼管樁放入導(dǎo)向架后兩邊各有50mm的富余量,導(dǎo)向架加工完成后,通過(guò)驗(yàn)收以保證限位偏差在允許范圍方能安裝使用。
鋼管沉樁由120kw振動(dòng)錘插入后,然后拆除導(dǎo)向架,再用樁船沉樁,鋼管樁不能一次沉入到位,往復(fù)來(lái)回沉樁。導(dǎo)向架示意圖,如圖3所示;插打鋼管樁示意圖,如圖4所示。
4.3.8 沉樁順序
本工程鋼管樁施工順序的主要原則:
1)由岸坡向水庫(kù)中央方向推進(jìn)。
2)沉樁前應(yīng)結(jié)合沉樁允許偏差,校核各樁。
圖3 導(dǎo)向架示意圖
圖4 插打鋼管樁示意圖
鋼管樁于壩體接觸部位安裝橡膠止水條,利用上游水壓力壓住止水條進(jìn)行止水封閉。管樁施工完畢后于上游面鋪設(shè)一層土工膜臨時(shí)防滲,土工膜采用水上鋪設(shè),于土工膜一端固定沙袋,定位后配合潛水員沉入水中。水上拋投袋裝土進(jìn)行壓腳,船體定位后人工拋投。
沉樁時(shí)要保證樁偏位不超過(guò)規(guī)定,偏位過(guò)大,給上部結(jié)構(gòu)預(yù)制件的安裝帶來(lái)困難,也會(huì)使結(jié)構(gòu)受到有害的偏心力。為了減少偏位,應(yīng)采取以下措施:
1)在安排工程進(jìn)度時(shí),避開在強(qiáng)風(fēng)盛行季節(jié)沉樁,當(dāng)風(fēng)、浪、水流超過(guò)規(guī)定時(shí)停止沉樁作業(yè)。
2)要防止因施工活動(dòng)造成定位基線走動(dòng),采用有足夠定位精度的定位方法,要及時(shí)開動(dòng)平衡裝置和松緊錨纜,以維持打樁架坡度、防止打樁船走動(dòng)。
3)掌握斜坡上打樁和打斜樁的規(guī)律,擬定合理的打樁順序,采取恰當(dāng)?shù)钠x樁位下沉,以保證沉樁完畢后的最終位置符合設(shè)計(jì)規(guī)定,并采取削坡和分區(qū)跳打樁的方法,防止岸坡滑動(dòng)。
鋼支撐結(jié)構(gòu)示意見圖5。
圖5 鋼支撐結(jié)構(gòu)示意圖
1)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工,鋼支撐連接必須滿足強(qiáng)度連接要求。
2)本工程鋼支撐主要分為圍檁、內(nèi)支撐和連接系。除圍檁外,其余單根內(nèi)支撐及連接系不得采用焊接連接和機(jī)械連接,應(yīng)采用單根長(zhǎng)度超過(guò)或等于需求長(zhǎng)度的整根型鋼。
3)錨板、接頭等需焊接施工部位的焊接工藝和焊縫質(zhì)量必須滿足國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》JGJ81的規(guī)定。
4)焊接拼裝工藝一次進(jìn)行,當(dāng)有隱蔽焊接時(shí),必須先施焊,經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可覆蓋。
5)加工好的型鋼支撐應(yīng)在加工場(chǎng)所驗(yàn)收,并編號(hào)擺放[2]。
1)圍檁安裝:圍檁安裝時(shí)通過(guò)25t吊車自大壩壩頂?shù)跹b至工作面,然后由人工采用C型掛鉤與鋼管樁頂連接,保持固定到相應(yīng)高度與水平位置。固定好后鋼管樁與圍檁連接面使用直徑30的鋼筋搭幫焊接,保證焊接強(qiáng)度與焊面大小,每根鋼管樁與圍檁相接部位均需焊接,不得缺焊、漏焊。
2)錨板由3cm厚600mm×700mm的Q345B的鋼板與6根直徑30mm錨筋焊接組合而成。錨筋對(duì)稱分布在鋼板兩側(cè),每側(cè)3根,單側(cè)錨筋間距117mm。
錨板安裝時(shí),自大壩壩頂放置吊籃,作業(yè)人員在吊籃中沿鋼支撐垂直線進(jìn)行作業(yè),不得水平移動(dòng)吊籃。同時(shí)以圍檁高度為基準(zhǔn),在大壩壩面混凝土上標(biāo)識(shí)出錨板錨筋插入點(diǎn),采用電錘鉆孔,鉆孔后使用風(fēng)槍清孔,保證孔內(nèi)無(wú)殘?jiān)⑺樾?,清孔完成后孔?nèi)注入植筋膠,安裝錨板,錨板安裝時(shí)注意測(cè)量安裝高度,保證錨板安裝定位準(zhǔn)確。
圍檁和錨板施工完成后,對(duì)每根內(nèi)支撐進(jìn)行編號(hào),測(cè)量?jī)?nèi)支撐長(zhǎng)度,進(jìn)行內(nèi)支撐加工,內(nèi)支撐采用HW400×400×13×21工字鋼梁,材質(zhì)Q345B。內(nèi)支撐設(shè)置柱腳,柱腳為焊接同材質(zhì)的鋼板,同時(shí)連接板與工字鋼豎板之間設(shè)置加強(qiáng)板。內(nèi)支撐兩側(cè)柱腳如圖6所示。
內(nèi)支撐采用25t吊車自大壩壩頂?shù)踹\(yùn)至作業(yè)面,同時(shí)在鋼管樁圍堰頂部與大壩壩頂安設(shè)電動(dòng)葫蘆,內(nèi)支撐兩端吊運(yùn)就位后,采用電動(dòng)葫蘆及人工輔助,保持內(nèi)支撐位置就位。
內(nèi)支撐與圍檁的連接方式為螺栓連接,內(nèi)支撐端部設(shè)置柱腳。為適應(yīng)內(nèi)支撐與壩體之間的距離偏差,在圍檁翼緣與柱腳之間設(shè)置墊板。圍檁與內(nèi)支撐連接示意如圖7所示。
圖6 內(nèi)支撐兩側(cè)柱腳結(jié)構(gòu)圖
圖7 圍檁與內(nèi)支撐連接示意圖
內(nèi)支撐與錨固在壩體混凝土面上的錨板采用焊接方式固定。
內(nèi)支撐之間、上下圍檁之間設(shè)置連接系,桿件規(guī)格為工字鋼20a。
1)施工前應(yīng)熟悉支撐系統(tǒng)的圖紙及各種計(jì)算工況,掌握支撐順序及支撐設(shè)置的方式、預(yù)應(yīng)力及周圍環(huán)境保護(hù)的要求。
2)施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制開挖和支撐的程序和時(shí)間,對(duì)支撐的位置、每層水位深度、圍檁與支撐或支撐與大壩的密貼度應(yīng)做周密檢查。
3)型鋼支撐安裝時(shí)必須嚴(yán)格控制平面位置和高程,以確保支撐系統(tǒng)安裝符合設(shè)計(jì)要求。
4)應(yīng)嚴(yán)格控制支撐系統(tǒng)的焊接質(zhì)量,確保桿件連接強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。
5)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲水、流砂或開挖面一下冒水,應(yīng)及時(shí)采取止水堵漏措施,淤泥清除和降水應(yīng)均衡進(jìn)行,以確保支撐系統(tǒng)穩(wěn)定。
6)施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè),做好信息反饋,出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。全部支撐安裝結(jié)束后,需維持整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠,直至支撐全部拆除。
7)密切關(guān)注支撐的受力情況,并由監(jiān)測(cè)小組進(jìn)行軸位移和受力監(jiān)測(cè),若超出設(shè)計(jì)值時(shí),立即停止施工并通知設(shè)計(jì)及相關(guān)部門對(duì)異常情況進(jìn)行分析,制定解決方案,待方案確定后及時(shí)組織實(shí)施,確?;影踩?。
通過(guò)采用鋼管樁圍堰,可以很好的避免水庫(kù)淤積對(duì)下游河道的影響,且鋼管樁圍堰型式新穎,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足位移、內(nèi)力及穩(wěn)定性要求。施工中需加強(qiáng)觀測(cè),并防止?jié)B漏。
該技術(shù)為水利工程施工圍堰提供了一種新型施工工藝,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。