圓形漏斗式沉砂池施工技術(shù)研究與應(yīng)用

【摘要】漏斗式沉砂池為一種新型沉砂池，具有分砂效果好，節(jié)約用水，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)，尼泊爾上馬相迪A水電站設(shè)計(jì)使用的沉砂池為直徑50m、深10m的漏斗式結(jié)構(gòu)，是一項(xiàng)首次在尼泊爾使用的新技術(shù)應(yīng)用，我單位首次施工該類型沉砂池，項(xiàng)目成功實(shí)施意義重大。本文結(jié)合該沉砂池開挖技術(shù)、混凝土施工技術(shù)研究和實(shí)施情況進(jìn)行總結(jié)，豐富和填充我公司這這方面的空白，并為后續(xù)類似工程參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】圓形；漏斗式；沉砂池；施工技術(shù)

1、基本概況

1.1 工程概況

上馬相迪A水電站位于尼泊爾西部GANDAKI地區(qū)馬相迪河的上游河段上，是一座以發(fā)電為主的徑流引水式樞紐工程。工程主要由泄水閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和開關(guān)站等建筑物組成。

引水系統(tǒng)沉砂池位于引水渠末端右側(cè)，是一個(gè)坐落在砂卵石基礎(chǔ)上的無(wú)蓋自重式圓形漏斗式沉砂池，泥沙在渦流作用下依靠自重流入排沙廊道。沉砂池與明渠連接端設(shè)計(jì)有一個(gè)凈孔寬度×高度=8m×4m的控制閘，與引水渠控制閘并列布置，閘前段底板高程為1m；沉砂池末端設(shè)計(jì)一個(gè)寬度和高度均為2m的排沙閘。沉砂池靠近明渠側(cè)設(shè)計(jì)有半圓區(qū)域的懸板結(jié)構(gòu)，寬度8m，厚度25cm，懸板共4塊組成，16根立柱對(duì)懸挑端進(jìn)行支撐，銅片縫中安裝止水銅片；斗室內(nèi)徑50m，室底為錐形，底坡1∶6，漏斗底部中央設(shè)直徑為1m的排砂底孔，排砂廊道位于漏斗底部右側(cè)，為2.6m×1.5m的矩形結(jié)構(gòu)，與排砂底孔相接。

沉砂池漏斗區(qū)域原始地面高程為EL902～904，底板開挖高程為EL888.95。漏斗結(jié)構(gòu)邊墻高程EL904，漏斗底板及邊墻頂寬厚度80cm；懸板在沉砂池左側(cè)半圓區(qū)域高程EL900，暗涵閘側(cè)溢流堰高程EL 902。

1.2 研究背景

過去解決灌溉和引水發(fā)電等的沙害問題，主要采用由原蘇聯(lián)引入的曲線型沉沙池和廂型沉沙池等排沙設(shè)施，可這些設(shè)施只能排除引水中的小部分來(lái)沙，但排沙耗水量卻要占到引水量的30%左右，長(zhǎng)期使用設(shè)施維修工作量大。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電設(shè)計(jì)研究院的周著教授等人發(fā)明的專利圓形漏斗式排沙技術(shù)利用排水漏斗技術(shù)的三維漏斗渦流特性所獨(dú)有的水沙分離作用，水沙分離作用顯著。

圓形漏斗式沉砂池為一種新型沉砂池，具有分砂效果好，節(jié)約用水，經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn)，在我國(guó)新疆、陜西已有應(yīng)用，有較廣闊的應(yīng)用前景。

上馬相迪A水電站工程引水渠沉砂池在鑒于馬相迪河道年輸沙量912萬(wàn)t，推移質(zhì)含量211萬(wàn)t的泥沙工況下進(jìn)行設(shè)計(jì)使用，沉砂池直徑50m、深10m的漏斗式結(jié)構(gòu)沉砂池，位于引水渠末端右側(cè)，屬于無(wú)蓋自重式圓形漏斗式沉砂池，泥沙在渦流作用下依靠自重流入排沙廊道，為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用。

沉砂池結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)小型水電站和農(nóng)田灌漿中中也有使用，圓形漏斗式結(jié)構(gòu)首次使用，且在尼泊爾國(guó)家首屬。

1.3 結(jié)構(gòu)使用原理

（1）根據(jù)沉砂池的設(shè)計(jì)原理，在枯水期根據(jù)河道泥沙情況關(guān)閉沉砂池控制閘，利用引水渠控制閘過水，根據(jù)正常發(fā)電水位進(jìn)行蓄水發(fā)電。

（2）在洪水期或河道泥沙明顯增多時(shí)，關(guān)閉引水渠控制閘，開啟沉砂池控制閘，在進(jìn)行水流夾帶的泥沙排放同時(shí)進(jìn)行蓄水，當(dāng)沉砂池中水位超過EL900高程時(shí)水流入引水渠，根據(jù)正常發(fā)電水位進(jìn)行發(fā)電。

（3）適量開度的開啟沉砂池排沙閘，進(jìn)行正常發(fā)電水位的控制；當(dāng)尼泊爾電網(wǎng)系統(tǒng)突然故障等異常現(xiàn)象出現(xiàn)，或引水渠水位超過溢流堰EL902高程時(shí)，多余水量通過溢流堰自然排放。

1.4 研究目的

（1）、本沉砂池鑒于馬相迪河道年輸沙量912萬(wàn)t，推移質(zhì)含量211萬(wàn)t的情況下使用，通過本工程的成功實(shí)施，為尼泊爾區(qū)域后續(xù)項(xiàng)目和類似河道排沙設(shè)計(jì)提供借鑒。

（2）、有效完成沉砂池土石方開挖，減少基礎(chǔ)面的擾動(dòng)；提高混凝土成型質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)漏斗結(jié)構(gòu)表面外觀平整光滑，墻體平順、結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫和滲漏水現(xiàn)象。

（3）、解決技術(shù)問題同時(shí)豐富和填充公司施工技術(shù)空白。

2、沉砂池開挖施工

2.1 開挖分層

本沉砂池開挖深度15.5m，主要以砂卵石結(jié)構(gòu)為主，且含有不少孤石。按照漏斗結(jié)構(gòu)從上到下分三層，第一層為漏斗893.737m高程以上部分，第二層為EL893.737m～EL890.3m高程之間的漏斗錐體形斗室，第三部分為EL890.3以下的排沙廊道部分。

2.2 主要開挖方法

（1）、第一層采用PC220反鏟、20t自卸汽車“自上而下、分層分段”進(jìn)行開挖。

（2）、第二層即錐形體斗室部分的土石方開挖，利用PC220和PC330反鏟自漏斗室中心向四周進(jìn)行開挖。底板開挖時(shí)預(yù)留厚度為10～20cm左右的保護(hù)層，結(jié)構(gòu)混凝土施工前由人工進(jìn)行修整開挖，確保原狀基礎(chǔ)不受擾動(dòng)。

（3）、排砂廊道層開挖時(shí)利用PC330反鏟從排沙閘側(cè)逐步開挖至漏斗底端，然后由內(nèi)到外進(jìn)行修坡成型。排砂廊道基礎(chǔ)開挖時(shí)溝槽兩側(cè)結(jié)構(gòu)線外擴(kuò)挖50cm，按1∶1～1∶1.5進(jìn)行邊坡開挖，以確保穩(wěn)定和便于施工。

2.3 孤石處理

（1）、現(xiàn)場(chǎng)條件：因沉砂池結(jié)構(gòu)距離村民居住區(qū)不足30m，先用PC300反鏟配合推土機(jī)將開挖區(qū)的大塊石移至遠(yuǎn)離居住區(qū)的開挖面外，然后利用手風(fēng)鉆鉆孔爆破處理。

（2）、孤石爆破工藝流程：?jiǎn)慰變?nèi)裝一個(gè)藥卷 → 孤石周邊用鉛絲籠網(wǎng)包裹 → 沙袋覆蓋 → 鉛絲網(wǎng)底部錨固固定 → 安全警戒、鳴笛警報(bào)、爆破 → 安全檢查及解除警報(bào)。

（3）、具體措施：孤石爆破以“小藥量、松動(dòng)爆破”為原則，采用單孔內(nèi)裝一個(gè)藥卷、孤石周邊用鉛絲籠網(wǎng)包裹、沙袋覆蓋、鉛絲網(wǎng)底部用鋼筋錨固固定的措施，最大限度控制爆破飛石。鉆爆孔徑40mm，孔間排距0.5～1.0m，單耗q=0.10～0.15kg/m3，孔深、孔數(shù)、孔向均根據(jù)孤石形狀進(jìn)行調(diào)整。

3、結(jié)構(gòu)混凝土施工

3.1澆筑順序

根據(jù)分縫分塊要求從下向上分分三部分施工，即“排沙廊道層、漏斗錐體室層、漏斗上部墻體層”，底板施工前先完成墊層澆筑。

根據(jù)沉砂池環(huán)向和徑向施工縫設(shè)計(jì)，從下到上依次按“排沙廊道 → 漏斗底孔 和廊道頂部漏斗錐坡底座 → 漏斗底室第一環(huán)向伸縮縫內(nèi)段整體澆筑 → 以徑向和環(huán)向分縫進(jìn)行漏斗底室第二區(qū)域底板澆筑 → 漏斗上部墻體底部基礎(chǔ) → 漏斗上部墻體、同步完成懸板支撐立柱 → 懸板” 順序進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工。

3.2分層分塊

（1）、排沙廊道結(jié)構(gòu)共4段，每段按分“底板、兩側(cè)墻體及頂板”兩層，在沉砂池漏斗式影響段內(nèi)布置3段。

（2）、漏斗室底板共按三個(gè)區(qū)13塊，第一區(qū)為墻體基礎(chǔ)區(qū)域底板，第二區(qū)為邊墻基礎(chǔ)與漏斗式底板之間區(qū)域底板，第三區(qū)為漏斗式底部底板。

（3）、漏斗墻體結(jié)合底板共分8段，每段墻體根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分三層。

（4）、懸板分4塊，在邊墻澆筑完成后從下游側(cè)開始澆筑，最后與沉砂池進(jìn)水箱涵頂板一同澆筑，該區(qū)域?yàn)檎w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3.3工藝流程

沉砂池混凝土施工主要按照“測(cè)量放樣---基礎(chǔ)面清理及處理---墊層澆筑----插筋布置/鋼筋制安----止水安裝----模板安裝加固---混凝土澆筑----混凝土養(yǎng)護(hù)”工藝流程施工，其中分層澆筑時(shí)進(jìn)行縫面的鑿毛和清理，底板縫面之間在模板加固完成后進(jìn)行縫面加強(qiáng)連接鋼筋安裝。

3.4混凝土施工

3.4.1墊層混凝土

每一段底板設(shè)計(jì)10cm厚C15墊層，墊層混凝土在每一段底板具備施工條件時(shí)開挖修整預(yù)留保護(hù)層，澆筑時(shí)利用罐車直接進(jìn)倉(cāng)卸料，人工進(jìn)行平整，振動(dòng)梁振搗，木抹子收面成毛面，通過布置高程標(biāo)樁和控制拉線來(lái)嚴(yán)格控制澆筑高程和表面平整度。

3.4.2結(jié)構(gòu)混凝土

沉砂池結(jié)構(gòu)主要有排沙廊道、漏斗底板及錐坡、漏斗墻體、控制閘和排沙閘結(jié)構(gòu)組成。

3.4.2.1模板

沉砂池結(jié)構(gòu)基本以曲面為主，從加工安裝、拆除便利、有效控制成本等方面考慮，所有永久外露面采用1.22m×2.44m×15mm竹膠板，所有縫面采用1.00m×2.00m×9mm竹膠板；針對(duì)懸板支撐立柱，制作2套半圓組合的柱體鋼模板。

墻體部分以50m直徑的圓體，內(nèi)外墻體模板均存在圓弧度問題，為便于調(diào)整和提高觀感質(zhì)量，利用Φ25mm鋼筋做為模板弧帶。

所有模板加固全部采用直徑14mm的拉桿，間排距以70cm進(jìn)行定位開孔。

3.4.2.2鋼筋

沉砂池底板鋼筋主要以Φ25mm為主，邊墻以Φ25mm和Φ16mm為主；所有鋼筋的加工制作嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖及規(guī)范要求進(jìn)行，鋼筋保護(hù)層3cm～5cm。

3.4.2.3縫面處理

沉砂池排沙廊道、所有底板及每一段墻體之間均按結(jié)構(gòu)縫設(shè)計(jì)，單段墻體根據(jù)澆筑層高按照施工縫處理。

結(jié)構(gòu)縫設(shè)置在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)20cm處，縫內(nèi)設(shè)置1.2mm厚銅止水；為確保縫面止水安裝質(zhì)量及不均勻沉降引起的明顯止水拉裂，在伸縮縫處增設(shè)1.6m長(zhǎng)Φ16@50cm拉結(jié)筋，兩端各插入80cm；結(jié)構(gòu)縫縫寬2cm，縫內(nèi)填塞柔性板。

施工縫主要在底板與墻體及墻體分層面上，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5Mpa時(shí)（一般在澆筑結(jié)束5～6小時(shí)）進(jìn)行縫面沖毛處理；為提高縫內(nèi)強(qiáng)敵，在上層澆筑之前鋪設(shè)高一個(gè)標(biāo)號(hào)的流動(dòng)性好的砂漿層，以提高粘結(jié)強(qiáng)度。

3.4.2.4混凝土澆筑

沉砂池漏斗內(nèi)的底板和所有邊墻的厚度基本在80cm～120cm之間，其中頂部懸板厚度25cm，懸板支撐立柱直徑為40cm。16根支撐立柱的澆筑結(jié)合結(jié)構(gòu)邊墻的澆筑順帶進(jìn)行，每次澆筑2根，在墻體澆筑完成前完成立柱施工。

為提高沉砂池混凝土澆筑的連續(xù)性，并便于下料澆筑和料頭壓料控制，從排沙廊道至墻體澆筑結(jié)束，全部采用泵送混凝土，本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際全部采用汽車泵進(jìn)行泵送澆筑。結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)C25，二級(jí)配，塌落度12cm～14cm。

漏斗底板澆筑均從底部漏斗中心開始從內(nèi)向外的擴(kuò)散澆筑，錐坡底板和頂部懸板均從短邊開始，墻體從一側(cè)向另一側(cè)按40～50cm為一層進(jìn)行下料。

排沙廊道混凝土施工完成，且具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行廊道上部的底座施工，底座基礎(chǔ)回填至EL893.5高程時(shí)開始廊道側(cè)漏斗底板混凝土施工。

3.4.3混凝土養(yǎng)護(hù)及防裂

所有底板及墻體結(jié)構(gòu)主要采用流水養(yǎng)護(hù)措施；懸板支撐立柱在模板拆除后，經(jīng)過一遍灑水后采用塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)；懸板結(jié)構(gòu)因厚度只有25cm，且兩端懸板設(shè)計(jì)有直徑4cm的懸板通氣孔，為防止?jié)仓蟊砻娉霈F(xiàn)龜裂等現(xiàn)象，混凝土收面完成后覆蓋塑料薄膜，然后在表層小量流水養(yǎng)護(hù)。

4、結(jié)構(gòu)壓重回填

本沉砂池結(jié)構(gòu)坐落在砂卵石基礎(chǔ)上，且沉砂池底部在地面以下，施工期間分階段對(duì)結(jié)構(gòu)EL900高程以下進(jìn)行了壓重回填。

4.1 排沙廊道及底板基礎(chǔ)

排沙廊道澆筑完成后廊道兩側(cè)空間狹小，只能用小型碾壓設(shè)備進(jìn)行回填壓實(shí)，為確保排沙廊道兩側(cè)的回填強(qiáng)度，保證排沙廊道的穩(wěn)定性；從便于質(zhì)量控制，進(jìn)度可控等方面考慮排沙廊道1-3段兩側(cè)（即沉砂池結(jié)構(gòu)下部）全部利用C15混凝土回填；Ⅱ-3段底板底部采用C15拋石混凝土整體澆筑，取代原有設(shè)計(jì)廊道頂部與底板之間設(shè)計(jì)的M7.5漿砌石基礎(chǔ)。

4.2 沉砂池周邊回填

沉砂池結(jié)構(gòu)施工完成后，在引水渠充水前30天完成沉砂池周邊EL 900以下的砂卵石回填，回填時(shí)在自然沉降的同時(shí)按50cm一層進(jìn)行攤鋪壓實(shí)。

5、關(guān)鍵施工技術(shù)

5.1薄壁混凝土施工質(zhì)量控制

（1）加大砂石骨料質(zhì)量檢測(cè)，校核混凝土拌和系統(tǒng)稱量系統(tǒng)，嚴(yán)格按配合比拌制混凝土。

（2）按照樣板工程進(jìn)行鋼筋制安，確保保護(hù)層等質(zhì)量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，

（3）采用泵送混凝土保證混凝土澆筑的連續(xù)性，塌落度控制在12cm～14cm。

（4）底板澆筑均從圍繞漏斗中心從內(nèi)向外的擴(kuò)散澆筑；錐坡底板和頂部懸板均從短邊開始；墻體從一側(cè)向另一側(cè)按40～50cm為一層進(jìn)行下料。

（5）所有底板及墻體結(jié)構(gòu)主要采用流水養(yǎng)護(hù)措施；懸板支撐立柱采用塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù)，為防止?jié)仓蟊砻娉霈F(xiàn)龜裂等現(xiàn)象，混凝土收面完成后覆蓋塑料薄膜，然后在表層小量流水養(yǎng)護(hù)。

（6）澆筑時(shí)段避開夏季中午時(shí)段。

5.2防磨蝕改進(jìn)

結(jié)合河道泥沙含量高（沉砂池內(nèi)約2kg/m3）、維修工作只能在泄水不發(fā)電期間進(jìn)行的實(shí)際特點(diǎn)，研究對(duì)沉砂池底部排沙廊道、漏斗底孔、16根懸板立柱的原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)表面（原混凝土強(qiáng)度C25）采用NE型彈性環(huán)氧砂漿進(jìn)行防沖耐磨加強(qiáng)，加固厚度12mm。

經(jīng)過兩個(gè)汛期的運(yùn)行和考驗(yàn)，所有立柱及底孔廊道均無(wú)明顯沖蝕破壞，確保了正常發(fā)電。

6、應(yīng)用情況

（1）、2014年底完成沉砂池底板預(yù)留保護(hù)層外的開挖，基礎(chǔ)保護(hù)層未受擾動(dòng)，原狀基礎(chǔ)地基承載力390KN/m2，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)280～320Kpa，未做其他處理。

（2）、2015年1月份開始排沙廊道等結(jié)構(gòu)混凝土施工，2015年6月14日完成13塊底板，受“尼泊爾4.25地震 + 5.12地震”影響，2015年9月5日完成4塊懸板澆筑，2015年11月4日完成沉砂池結(jié)構(gòu)混凝土施工。

（3）、2016年8月對(duì)沉砂池和引水系統(tǒng)進(jìn)行充排水試驗(yàn)，沉砂池蓄水至EL901.25m時(shí)穩(wěn)壓觀測(cè)24h，然后連通引水系統(tǒng)穩(wěn)壓觀測(cè)48h，最后通過沉砂池排沙閘進(jìn)行放空。通過對(duì)沉砂池墻體每隔4h進(jìn)行位移、沉降觀測(cè)和蓄水穩(wěn)壓期間的滲漏情況巡視，以及放空檢查，沉砂池墻體及底板無(wú)滲漏現(xiàn)象；沉砂池周邊回填區(qū)域無(wú)沉降變形現(xiàn)象。

（4）、2016年9月沉砂池沉砂池投入工程使用，根據(jù)對(duì)施工期間埋設(shè)的10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行半年多的觀測(cè)分析，測(cè)點(diǎn)水平位移變形速率最大+0.009mm，最小-0.0001mm，累計(jì)0.64mm；垂直位移變形速率最大+0.010mm，最小-0.003mm，累計(jì)0.5mm；從位移曲線圖分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值和垂直位移值呈一條上下波動(dòng)的曲線，沒有明顯朝一個(gè)方向位移趨勢(shì)，可以判定沉砂池結(jié)構(gòu)無(wú)不均勻沉降和位移變形。

（5）、整個(gè)沉砂池?zé)o位移、沉降、滲漏水等現(xiàn)象，成為工程觀賞點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：陳雪湘：1982年01月，土族，青海民和人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，一級(jí)建造師；主要從事水電相關(guān)工程工程。