动水条件下混凝土围堰施工方法

动水条件下混凝土围堰施工方法钟彦祥蔡振锋围堰施工成功是水工建筑物主体施工正式开始的标志。围堰形式各有不同，随边界条件的变化而改变，当受边界条件限制，常用围堰形式无法实施时，混凝土围堰不失为理想的形式之一。然而，当河水在流动状态时，特别是水流方向和流量为变化条件下，混凝土围堰实施更为困难。我局承建的安徽陈村电站扩机改建工程施工围堰就是在这种条件下成功实施的。一、工程概况安徽陈村电站扩机工程厂房布置在原安装间下游侧1#机尾水区与底孔出口段之间，宽度为（左15.0m，长度（上下游方向）为24.9m。由于受现场条件的限制，设计单位对目前已知的所有围堰形式进行比较，最终确定采用重力式整体现浇混凝土围堰。围堰挡水标准按三台机组满发时的下游水位EL61.2m进行设计，堰顶高程为EL62m；在老厂不发电时，下游尾水位为EL59.5m；围堰施工时尾水平均水深为8.0m，最大水深为12.8m；即使三台机组不发电，尾水区仍有7m水深和一定流速。围堰由纵向围堰和横向围堰组成“∟”形平面，上游紧贴电站尾水平台，下游与尾水左岸岸边连接；其中纵向围堰长度为55.0m；横向围堰长度为42.0m。总量约3700m3，混凝土标号为C15。围堰基础表层有厚约1.0m左右的砾石覆盖层，下部为石英砂岩夹砂质页岩或泥质砂岩；岩性较坚硬；经实测，围堰所处基岩的起伏差较大，高程在EL48.4～EL53.0m之间，局部高差约10m；纵向围堰基础局部为老混凝土面，高程为EL56.0m。按照招标文件要求，围堰施工期间不得影响老厂发电，因此，必须突破在动水条件下实施混凝土围堰施工的技术难题。二、围堰施工方法的设计思路重力式整体现浇混凝土围堰在动水条件下实施史无先例，存在以下难以克服的困难：1)模板固定十分复杂：动水条件下作用于模板上力的方向、大小不断改变，模板必须三向固定；2)对操作人员要求高：整体现浇混凝土模板施工是一项专业施工，然而在水下更需要作业人员同时具备潜水工与模板工双重能力，当在动水条件下则更难。3)在动水条件下，水下地形及沉积物情况难以确定，模板设计与施工将十分困难，即便是由潜水人员在水下进行以实操作，其功效也将受到极大的限制。4)安全问题突出：电站尾水的流态复杂，潜水人员本身的稳定将非常困难，特别是在突然发电或关机时，水下作业人员的人身安全将受到极大的威胁。为了避难就简解决上述困难，就必须从施工方法上解决问题：首先要尽可能减少水下作业；然后要尽可能减小模板面积，从而减小单位面积模板上水的推力；其次，要采用可靠的模板结构形式且保证混凝土围堰的防渗性能。三、围堰施工方案的设计1)围堰体形设计：将“重力式整体现浇混凝土围堰”划分为若干段、块，如同混凝土重力坝一样。根据本工程实际条件，每段块平面尺寸为2.44m×2.44m，确保单块混凝土成型后能够独立稳定的同时确保围堰整体稳定。2)围堰施工方法：采用“沉模跳仓进占随即跟进加密”的施工方法，即：采用干地拼装整体模板，吊车垂直将模板沉于水中，采用“垂直导管法”灌注混凝土，整体模板不再拆除；然后，在干地拼装单面模板，吊车垂直将模板沉于水中，潜水人员将单面模板固定于已浇筑完的整体模板上；最后采用“垂直导管法”灌注微膨胀混凝土。也就是现浇块为常规混凝土，后浇块为膨胀混凝土。3)围堰整体性与防渗措施：利用“整体大型钢框竹胶模板”浇筑后不拆除，块、段分缝处犹如加设了钢键槽；利用竹胶模板遇水微膨胀性能和后浇块微膨胀混凝土的收缩补偿性能，从而提高块、缝间的防渗性能；4)围堰基础稳定与防渗处理：根据基岩实际情况，采用斜锚杆稳定基础；采用预埋套管进行固结和帷幕灌浆解决基础防渗问题。5)围堰拆除方案：在平水状态下，对需拆除段的分界处进行预裂爆破后，再采用密孔分次立爆方法，每次爆破至需要拆除的高程。控制每次装药总量，确保爆破震波不影响周围建筑和设施。四、主要施工方法1.概述围堰为4级建筑物，其挡水标准按三台机组满发时的下游水位61.2m进行设计，堰顶高程62m，围堰基础除局部座落在原有混凝土建筑物上外，其余均座落在岩石基础上。断面尺寸有244cm、466cm和688cm。根据实际探测围堰高度在3m～13.5m之间。围堰外围有244cm×244cm的墩子32个（不包括断面为122cm×244cm及60cm×244cm的墩子5个），相邻先浇块之间的夹仓回填微膨胀混凝土，其中断面为200cm×244cm仓号30个，其它尺寸仓号6个。丙块夹仓21仓，先浇丙Ⅰ块，待丙Ⅰ块完成后，在甲、乙块之间布设钢支撑，钢支撑布设完毕后，抽干甲、乙块之间的集水，最后旱地浇筑丙Ⅱ块混凝土。前期利用竹排、油桶搭设水上作业平台，在平台上搭设筒易龙门起重架，将模板、钢架吊起，在水面上进行模板钢架拼装，分段安装、逐步沉放入水，尽量减少水下作业量；后期利用塔吊吊装模板入水，水上平台微调就位。2．钢架制作预先作好钢架。尺寸为90cm×244cm，高度为224cm（可根据现场情况调整，但作好后的钢架必须人能搬动，浮体能够载运），可用钢管、角钢、钢筋等焊接，必须保证钢架的坚固性和稳定性。3．水下清基围堰水下清基需清除围堰基础范围内的软弱、疏松部分，并清除散布在仓面底部的各种杂物，包括石渣、淤泥、松动岩块以及老混凝土上的淤泥、苔藓等。石渣及松动岩块，由专业潜水人员下水清至仓号之外，淤泥苔藓用钢丝刷刷。清基完成后及时进行水下立模、浇筑，防止造成新的杂物汇集。4.起重架及施工平台的搭设利用浮体搭筒易龙门架，完成模板拼装、混凝土浇筑，亦可采用三角支架的方式进行，以先浇的墩子作为起重架的基础,在基础上搭设三角形支架,其两个支点固定在此墩子上,垂直高度约为3.5米,另一根采用钢丝绳作为斜拉绳，拉在此墩子前一个先浇块上,调整钢丝绳的长度来控制起重架的倾斜度，从而控制起吊模板的前进方向和距离。施工平台：先在两个先浇块上各横两根钢管，并与预埋钢架连接，然后在此钢管两侧各横两根钢管挑向下一仓，在此钢管上铺马道板作为施工平台，为保持施工平台稳定，可在架子下增设支撑钢管，直到架子稳定为止。人行道两侧设扶手，并挂安全网。5立模利用浮体将模板、钢架、拉杆等物运到施工平台附近，部分物件搬至施工平台。利用手拉葫芦将钢架吊起，以钢架为内支撑立模，将模板与钢架连接，模板之间采用φ14拉杆对拉，间距80cm，将模板加固就位后，沉放入水，当钢架或模板顶离水面30cm时停止沉放，开始安装下一块钢架，并与上一块连接，然后进行模板安装，安装就绪后再沉放，直到水底，并且模板顶部必须达到设计高程。模板底部与岩面接触的缝隙可在模板外用麻袋混凝土（或袋装粘土）封堵。后浇块也采用类似方法：先浇块上挂手拉葫芦将模板吊起，在水面以上分块安装，模板两侧各靠先浇块20～40cm，模板之间采用直径14的对拉圆钢拉杆，间距80cm，将模板加固就位后，沉放入水，直到底部。6PVC管施工考虑到后期横向围堰的拆除和纵向围堰基岩的支护，需对施工围堰预埋PVC管，以减少后期钻孔工作量，具体要求如下：1)纵向围堰预埋φ100PVC管，主要目的是后期开挖时，如果地基岩石性质太差，可利用此孔对围堰基础补打预应力锚索或锚筋，进行岩石支护。埋管尽量布置在围堰中心，按图示尺寸布置，间距为300cm左右，垂直布置。2)横向围堰预埋φ50PVC管，主要目的是为在后期围堰拆除时作炮孔用。每个先浇块和后浇块各布置一个，间距为100cm左右，尽量布置在每个浇筑块的中间，垂直布置。3)在横向围堰靠近纵向围堰侧，埋管需加密布置，间、排距均为50cm，梅花型布置。如埋管与模板或拉杆相矛盾，则埋管位置可适当调整，此处埋管也作炮孔用，由于此处距纵向围堰（完工后，纵向围堰不用拆除）较近，必须使用加密孔爆破。7混凝土灌注混凝土由拌和站集中拌制，，混凝土输送泵输送，采用导管法浇筑，将拌和好的混凝土通过导管借助其自重压力使之扩散。1)灌注程序将导管置于灌注部位，下端管口距基础面小于10cm，准备一木球或袋装混凝土，木球挂尼龙绳，将木球放入导管，尼龙绳引出导管，然后开始下料（首次下料塌落度要小一些），料与尼龙绳推带着木球往下走，慢慢放绳使球到达导管的底部，顶住岩石面，固定好绳索，然后开始储料，导管以及导管上的漏斗、溜槽上的储料斗、自卸汽车都要储满，确保一次灌注导管埋入混凝土的长度不小于50～80cm）。料储够后，继续下料，可将绳索剪断并同时将导管慢慢提起，剪绳索时，现场操作人员一定要分工明确，各负其责，并有力配合好，剪断绳绳索后漏斗绝不可断料，要连续下料，直到所储的料一次下完，并将导管内的水全部压出导管。如管中无水应继续下料不间断的灌注，边灌注混凝土、边提升导管，并逐节拆卸导管，最后直到混凝土浇至设计高程。2)注意事项在灌注过程中，导管不得左右移动；导管埋入已浇混凝土内的深度始终保持不小于50～80cm；一经开始灌注，就要将混凝土连续灌注完毕。灌注要控制混凝土面的上升速度，以减少混凝土对模板的侧压力。3)导管设计导管由漏斗、中间管和脚管组成。中间管两端有丝扣，中间管长度一般每节1～2.5m，脚管为2m，其一端有丝扣。导管直径选用φ258mm，采用普通钢管，壁厚2.5mm。导管混凝土通过能力约20m3/h。4)导管布置导管的布置与混凝土的扩散半径（亦称导管“作用半径”）有关。水下混凝土的扩散半径与水的深度、漏斗距水面高度以及管下口埋置深度有关。每个浇筑块设一根导管。5)原材料选择及配合比骨料：最大粒径小于管径的1/4，选用二级配。砂：宜选用中粗砂，砂率一般比普通混凝土提高6%～8%。水灰比：根据对混凝土强度和施工和易性要求，通过试验确定，一般用0.55～0.66。坍落度：根据导管直径及作用半径，坍落度可选用不同数值，一般控制在16～22cm。开始浇筑时用较小的坍落度，以后可用较大的坍落度。外加剂：外加剂的掺量通过试验确定。8丙块浇筑及钢支撑布设在乙块和丙Ⅰ块未施工完时外围围堰不得完全封闭，可在外围围堰预留一定宽度的缺口，使围堰内外侧水位始终保持一致。当围堰甲块和乙块施工完毕以后，开始对丙Ⅰ块进行施工，浇筑时按图示间距预埋PVC管，丙Ⅰ块施工完成后，在甲块、乙块之间打钢支撑（钢支撑采用φ75钢管制作，钢管头上用铁楔子揳紧），首先在略低于59.00m处打一排（不抽水的情况下），间距为1m。此支撑打完后，开始抽甲块、乙块之间的水，抽水时速度不宜太快，并要不断对围堰进行观测检查记录，观察渗水情况，水位下降1.5m后，再打支撑，间距为1.5m，这样重复以上过程，一直到水抽完。通过抽水检查可确定渗水情况，如围堰渗水过大则要考虑进行灌浆，如围堰渗水小，则可直接在丙Ⅰ块上分仓旱地浇筑混凝土，期间钢支撑不拆除，直接浇入混凝土中。五．基坑排水发电厂房基坑顺水流方向长约55m垂直水流方向宽约40m，所占总面积约2200m2。依据招标文件地质资料，扩机厂房基坑范围内，场地平整，仅表面有少量推移质覆盖，下部为石英细纱岩夹砂质页岩或泥质砂岩，岩石较坚密，渗透系数较小，平均水深按7m考虑，则基坑排水量为15400m3。计划配备3寸泵5台，可以满足厂房基坑排水条件。围堰施工完毕后，利用围堰顶，在62m高程搭设抽水平台，布置水泵集中抽水，引管路排至围堰以外下游河道内。为满足厂房干地施工需要，在基坑开挖过程中，围堰内侧设置排水沟，布置集水坑，集中抽排至围堰外。考虑到围堰稳定及安全，在基坑抽水过程中，一定要边抽水边观察，严格控制基坑内的降水速度，确保围安全。六．工期安排计划12月20日完成混凝土围堰施工。七．每班人员安排序号工种名称数量序号工种名称数量1技术人员27钢筋工82测量工38电工23模板工159电焊工84混凝土工1510管理人员15潜水工211起重工26试验工2合计60人八．机械设备名称型号单位数量混凝土拌和机HZ50座1塔吊F0/23C台1混凝土输送泵HTB60E台1交流焊机BX3_500台4直流焊机AX8_500_1台2木工平刨MB506B台13寸泵台5装