水下帷幕灌漿水面作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

胡小梅 程國(guó)棟 陳崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荊門(mén) 448156)

1 概 述

西北口水庫(kù)位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)境內(nèi)，系長(zhǎng)江北岸一級(jí)支流黃柏河流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)的骨干工程。水庫(kù)總庫(kù)容1.96億m3，其中興利庫(kù)容1.55億m3，西北口水庫(kù)是以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、城鎮(zhèn)供水、攔沙等綜合效益的大(2)型水利工程。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，趾板K1～K4段帷幕灌漿開(kāi)孔高程在240.60～301.50m之間，低于施工期庫(kù)水位(水位控制在305.00m)以下3.5～64.4m(含覆蓋層)。因此,滿足水下鉆孔灌漿施工要求，在趾板K1～K4段應(yīng)搭設(shè)水面作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行水下帷幕灌漿施工。水面作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)162m，寬5m，平臺(tái)上將承受靜荷載及施工動(dòng)荷載，并在上面進(jìn)行超百米孔深的鉆孔灌漿作業(yè)，所以必須保證水面作業(yè)平臺(tái)的可行性、安全性和穩(wěn)定性。

2 水下帷幕灌漿水面作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

2.1 水面作業(yè)平臺(tái)的基本要求

荷載要求：荷載主要是浮橋自重、鉆孔灌漿設(shè)備及鉆孔作業(yè)產(chǎn)生的沖擊力和施工人員荷載，此外還應(yīng)考慮風(fēng)浪影響因素等。根據(jù)設(shè)計(jì)，鉆孔設(shè)備平均按10m間距分布，每臺(tái)鉆機(jī)及其配套材料重量按3.5t計(jì)算。

結(jié)構(gòu)要求：平臺(tái)應(yīng)架設(shè)簡(jiǎn)單、速度快，結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定。

定位要求：定位準(zhǔn)確，并具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪及在一定范圍內(nèi)適應(yīng)水位變化能力。

水位要求：施工期要求水庫(kù)水位降到305m以下，但不得低于304m。且在施工過(guò)程中庫(kù)水位每天漲落不得超過(guò)±0.5m。根據(jù)水位要求，施工期擬定在當(dāng)年11月—次年4月之間[1]。

水平位移調(diào)節(jié)要求：為了保證開(kāi)孔孔位偏差滿足設(shè)計(jì)要求，平臺(tái)水平位移可靈活調(diào)節(jié)，當(dāng)水平位移超過(guò)±10cm時(shí)，通過(guò)松(緊)限位鋼纜進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)水平位移不超過(guò)±10cm時(shí)，通過(guò)調(diào)整鉆機(jī)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

2.2 水面平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式

水面平臺(tái)單個(gè)浮船的主尺寸：長(zhǎng)4.0m，寬3.0m，高1.25m。

浮船采用6mm厚鋼板焊接而成，作為浮體。浮船每2個(gè)組成1對(duì)，并垂直于帷幕灌漿軸線對(duì)稱布置，中間預(yù)留1.0m間隙作為鉆孔時(shí)鉆具上下及孔口管安裝空間。每對(duì)浮船沿作業(yè)平臺(tái)軸線方向間距9m，共19對(duì)浮船，總長(zhǎng)度162m。

兩對(duì)浮船的甲板上，左右設(shè)桁架兼做欄桿，每個(gè)片體由3件標(biāo)準(zhǔn)321型貝雷片組成(長(zhǎng)度為3m/節(jié)，高度1.5m)。在甲板上設(shè)桁架的固定裝置及斜支撐。左右桁架間用22a工字鋼作為橫梁，工字鋼與桁架間用橫梁夾具連接，必要時(shí)焊接加固。在工字鋼橫梁上設(shè)縱向骨架(8號(hào)槽鋼)，縱向骨架與橫梁間用螺栓連接?？v向骨架上鋪設(shè)50mm的木板(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

圖2 平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)實(shí)際情況

水面作業(yè)平臺(tái)分為3段，其中，K1～K2段長(zhǎng)54.95m，由6個(gè)浮船組和19節(jié)貝雷橋組成；K2～K3段長(zhǎng)35.58m，由4個(gè)浮船組和12節(jié)貝雷橋組成；K3～K4段長(zhǎng)73.69m，由9個(gè)浮船組和23節(jié)貝雷橋組成(見(jiàn)圖3)。

2.3 水面作業(yè)平臺(tái)重量及吃水計(jì)算

計(jì)算水面作業(yè)平臺(tái)重量及吃水深度見(jiàn)表1，如因特殊情況，出現(xiàn)局部荷載集中，可能存在浮箱組提供的浮力無(wú)法滿足局部承載要求的情況。考慮在兩個(gè)浮箱組之間預(yù)留鋼套環(huán)，鋼套環(huán)采用φ130鋼管，鋼套環(huán)長(zhǎng)50cm，浮力不足時(shí)將橡膠氣囊直接置入鋼套筒內(nèi)，并對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，以增加浮體整體承載力。單個(gè)氣囊可提供的最大浮力為10.5t。

表1 水上作業(yè)平臺(tái)重量及吃水深度計(jì)算

2.4 水面平臺(tái)安裝方法

水面平臺(tái)安裝在靠岸邊的水面上進(jìn)行。第一步：用25t吊車將浮體逐個(gè)吊到水面，并用繩索臨時(shí)拴在岸邊設(shè)置的固定物上。第二步：移動(dòng)浮體，利用掛鉤、鋼繩等將兩個(gè)浮體按尺寸要求連接在一起。第三步：將貝雷片、橫梁等構(gòu)件吊到浮體上，逐節(jié)進(jìn)行組裝。沿帷幕灌漿軸線垂直布置的兩個(gè)對(duì)稱鋼浮體之間預(yù)留1m間隙(施工過(guò)程中該預(yù)留縫寬度可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)。調(diào)整浮體對(duì)位后用螺栓與貝雷片固定牢固，最后鋪設(shè)縱梁和橋面板。

直線段定位后，再進(jìn)行平臺(tái)轉(zhuǎn)角處的連接，具體方法是：根據(jù)需要轉(zhuǎn)角的長(zhǎng)度和角度，用貝雷片改裝成折彎形式，再通過(guò)銷孔與相鄰直線段連接，對(duì)平臺(tái)軸線校正確認(rèn)無(wú)誤后利用10號(hào)工字鋼焊接加固。

2.5 平臺(tái)固定方法

在溢洪道導(dǎo)墻區(qū)域用架子管等材料組成限位支撐架，限制平臺(tái)向下游端移動(dòng)。同時(shí)限位架與平臺(tái)之間采用柔性連接，保證水上作業(yè)平臺(tái)在庫(kù)水位上漲或下降時(shí)具備在設(shè)定范圍內(nèi)進(jìn)行升降的條件[3]。安裝方法：首先采用20a槽鋼將φ110鋼管與限位架焊接在一起，鋼管長(zhǎng)度30～50cm；內(nèi)部活動(dòng)鋼管為一根長(zhǎng)1.6～1.8m的φ89鋼管，采用φ200mm高強(qiáng)度法蘭盤(pán)焊接于鋼管兩端，鋼管外露15cm；采用20A槽鋼將φ89鋼管兩端與水上平臺(tái)進(jìn)行連接(見(jiàn)圖4)。

圖4 限位架與水上作業(yè)平臺(tái)柔性連接示意圖

為避免孔口管及水上平臺(tái)受到水位升降、水流沖擊的影響發(fā)生偏移，當(dāng)拔出套管后，在孔口管外部套入一根長(zhǎng)1.5～2m的φ110鋼管作為導(dǎo)向管，并用φ28鋼筋將導(dǎo)向管與水上平臺(tái)固定在一起(見(jiàn)圖5)。

圖5 孔口管與水上作業(yè)平臺(tái)柔性連接示意圖

在平臺(tái)下游端距離岸邊較近處用φ50鋼管或10號(hào)工字鋼設(shè)置剛性支撐桿，將平臺(tái)與岸邊剛性連接，使其不能沿水平方向移動(dòng)[4]?？紤]到施工期間水位會(huì)有一定的波動(dòng)范圍，連接支撐桿應(yīng)能上下活動(dòng)(見(jiàn)圖6)。

圖6 剛性連接固定示意圖

平臺(tái)與岸邊距離較遠(yuǎn)的部位采用大致對(duì)稱布置的“八”字形鋼絲繩(d=10～11mm)抗風(fēng)纜與岸邊及另一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行固定?？癸L(fēng)纜的一端與鋼浮箱組或貝雷橋固定，另一端與岸上錨桿固定?？癸L(fēng)纜的長(zhǎng)度和松緊度可通過(guò)其上的絞盤(pán)或手拉葫蘆調(diào)整，以保證定位精度和適應(yīng)水位漲落變化。為防止施工過(guò)程中發(fā)生位移，應(yīng)經(jīng)常性用儀器進(jìn)行檢查，并隨時(shí)糾正。

2.6 抗風(fēng)纜強(qiáng)度驗(yàn)算

水上平臺(tái)運(yùn)行中主要受到風(fēng)浪的影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載對(duì)平臺(tái)的影響要比波浪大。至于波浪對(duì)平臺(tái)的影響大小計(jì)算比較困難，一般可通過(guò)適當(dāng)加大安全系數(shù)來(lái)解決[5]。

橫向風(fēng)力計(jì)算公式為

Pw=WA

(1)

式中Pw——橋梁結(jié)構(gòu)所承受的橫向風(fēng)力,N；

W——橫向風(fēng)壓,Pa；

A——橋梁結(jié)構(gòu)的有效迎風(fēng)面積,m2。

橫向風(fēng)壓計(jì)算公式為

W=K1K2K3K4W0

(2)

式中W0——基本風(fēng)壓，Pa；

K1——設(shè)計(jì)風(fēng)速頻率換算系數(shù)；

K2——風(fēng)載體型系數(shù)；

K3——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

K4——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)。

W0按6級(jí)風(fēng)考慮，其值為76～124，此處取中間值為100；K1對(duì)于大、中橋梁采用1.0，其他橋梁采用0.85，此處取0.85；K2查表得0.9；K3查表得0.62；K4取1。

按式(1)、式(2)計(jì)算：按每30m左右長(zhǎng)橋段設(shè)置兩對(duì)抗風(fēng)纜考慮，則浮體與上部結(jié)構(gòu)部分的有效迎風(fēng)面積A=22.5m2，故橫向風(fēng)力Pw為1067N。

查表φ10鋼絲繩破斷力為52200N，因而即使考慮波浪因素，其強(qiáng)度完全可以滿足要求。

3 水下帷幕灌漿水面作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用研究

3.1 應(yīng)用水面平臺(tái)作業(yè)的主要內(nèi)容

水底趾板范圍清淤、鉆孔定位、水下輔助鉆灌(開(kāi)孔、灌漿塞安裝等)、水下孔口管安裝輔助、水下孔口管固定、水下抬動(dòng)裝置安裝、水下孔口管割除、水下清理等。

3.2 編制水面作業(yè)平臺(tái)應(yīng)用各專項(xiàng)施工方案

編制水下帷幕灌漿安全專項(xiàng)施工方案，內(nèi)容包括施工平面布置、施工要求及技術(shù)保證條件、施工計(jì)劃(包括邊界條件、施工與設(shè)備及材料計(jì)劃等)、施工工藝技術(shù)(包括鉆孔與灌漿技術(shù)參數(shù)、施工工藝流程、施工方法、質(zhì)量檢查與驗(yàn)收等)、施工安全保證措施(包括組織機(jī)構(gòu)、人員職責(zé)、安全保證體系、安全生產(chǎn)檢查制度、水下作業(yè)安全保障措施等)、水質(zhì)安全保護(hù)措施、技術(shù)保證措施(包括鉆桿的斷折防止處理措施、遇溶蝕滲漏處理措施、趾板抬動(dòng)控制措施等)[6]。

編制應(yīng)急預(yù)案，內(nèi)容包括危險(xiǎn)事件的處置措施，臨邊作業(yè)落水處置措施，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)傷人處置措施，施工用電觸電傷人處置措施，潛水作業(yè)放漂、供氣中斷、絞纏、溺水處置措施，灌漿施工中漏油造成的水污染處置措施等[7]。

編制危險(xiǎn)源辨識(shí)及控制措施。

3.3 檢查監(jiān)測(cè)與應(yīng)用情況

浮箱密閉性檢查：定人、定時(shí)檢查每個(gè)浮箱是否出現(xiàn)浸水或滲水現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)浸漏情況立即采取相應(yīng)措施處理。在整個(gè)施工期間，浮箱密閉性較好，無(wú)浸水、漏水現(xiàn)象[8]。

浮箱吃水深度觀測(cè)：水面作業(yè)平臺(tái)浮箱設(shè)計(jì)吃水深度一般為0.75m，最大吃水深度1.0m。檢查結(jié)果表明，浮箱吃水深度在0.51～0.73m之間，均小于設(shè)計(jì)吃水深度。

水平位移監(jiān)測(cè)：在大壩設(shè)置前視與后視點(diǎn)，在平臺(tái)設(shè)置5處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用GPS及全站儀三角網(wǎng)法定期監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中浮船的位移情況，結(jié)果表明，垂直和水平位移變化值在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

水位觀測(cè)：專人定時(shí)觀測(cè)，控制庫(kù)水位變化在304～305m之間。

附屬結(jié)構(gòu)(主要有支撐架、鋼絲繩、焊接點(diǎn)、欄桿等)檢查監(jiān)測(cè)：定時(shí)觀測(cè)，施工期間其附屬結(jié)構(gòu)完整無(wú)損、支撐牢固[9]，滿足了水下帷幕灌漿工程的施工需要。

設(shè)備檢查：對(duì)水面作業(yè)平臺(tái)的所有設(shè)備進(jìn)行經(jīng)常性檢查、維護(hù)，確保施工安全。

所有檢查觀測(cè)項(xiàng)目均安排專人，按規(guī)定時(shí)間、規(guī)定程序、規(guī)定項(xiàng)目進(jìn)行檢查觀測(cè)，并記錄在規(guī)定的檢查觀測(cè)表中。施工單位和監(jiān)理部有關(guān)人員簽字確認(rèn)[10]。

所有檢查監(jiān)測(cè)資料當(dāng)時(shí)檢查記錄，當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)時(shí)評(píng)價(jià)水面作業(yè)平臺(tái)運(yùn)行情況，其結(jié)果報(bào)送監(jiān)理等有關(guān)單位備查。

4 結(jié) 語(yǔ)

西北口水庫(kù)水下帷幕灌漿水面作業(yè)平臺(tái)從施工準(zhǔn)備到平臺(tái)加工、組裝、定位及平臺(tái)驗(yàn)收等歷時(shí)2個(gè)月，平臺(tái)應(yīng)用從試驗(yàn)研究到水下帷幕灌漿施工任務(wù)完成歷時(shí)5個(gè)月。實(shí)踐證明，水下帷幕灌漿水面作業(yè)平臺(tái)在承受施工設(shè)備、人員、材料及平臺(tái)自重的同時(shí)，承受了施工過(guò)程中各類動(dòng)荷載；水面作業(yè)平臺(tái)在豎直方向一定范圍內(nèi)隨水位上下浮動(dòng)，在水平面確保相對(duì)位置不變；在隨帷幕灌漿軸線布置存在拐點(diǎn)的情況下，不遮擋孔位，可一次進(jìn)行水下鉆孔施工，為順利完成西北口水庫(kù)水下帷幕灌漿的施工任務(wù)做出了貢獻(xiàn)。