葠窩水庫深水鋼管樁圍堰施工技術

栗 佳

(遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112003)

1 工程現狀

葠窩水庫位于遼寧省遼陽市以東約40km處的太子河干流上，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、工業用水，并結合供水進行發電等綜合利用的大(2)型水利樞紐工程。水庫1974年竣工。

葠窩水庫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532m，共31個壩段，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14個溢流孔，由14扇12m×12m弧形鋼閘門控制。閘墩間隔布置6個泄流底孔，采用3.5m×8.0m平板鋼閘門控制，水庫最大泄量23150m3/s。

2 目前存在的主要問題及變更方案選定

初設批復是在水庫放空的前提下進行除險加固，施工導流采用圍堰擋水、利用永久底孔過水的分期導流方式，圍堰填筑在放空水庫后進行。

在水庫泄空過程中，庫底淤積進入下游河道，水庫壩下落淤嚴重，因此需重新調整施工方案。

水下混凝土澆筑方案由于工程質量，尤其是新老混凝土結合不能保證，水下施工效率低，工期不易控制，投資增加多，不建議采用。

變更主體結構不能保證徹底解決所有的水庫病險問題，風險大，懸掛面板采用鋼筋混凝土結構裂縫不易控制，采用瀝青混凝土結構存在耐久性問題，都不是最優方案。

經綜合比較，變更方案大壩主體工程結構型式仍維持原初設批復，通過變更臨時工程解決水庫不能放空的問題，因此壩前單排鋼管樁圍堰方案為推薦方案。

3 鋼管樁圍堰設計

3.1 圍堰地質條件

3.1.1 地層巖性

本次勘察通過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，含有機質及上游排放的礦粉。層厚1.6-4.3m。軸線均有分布。

①-1塊石：灰黑色碎石、塊石，弱風化，多呈棱角狀，塊徑可達100mm以上，粒徑100mm以上塊石含量可達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，分選性差，級配較好，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100mm。軸線均有分布。

③變粒巖：灰黑色，弱風化，變晶結構，塊狀構造，巖芯多成短柱狀，局部呈碎塊狀，巖石堅硬。

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剖面圖

3.1.2 樁基施工建議

根據勘察揭露的地質條件，結合搜集的資料，設計與施工中應注意以下3點：

1)兩側岸坡較陡，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100mm以上，含量可達50%，未發現整體混凝土結構。

3)壩基弱風化變粒巖巖石強度較高，據原勘察資料，巖石單軸飽和抗壓強度可達60MPa以上，不利于管樁入巖施工。由于表層巖體局部裂隙發育，巖體破碎至較破碎，透水性強。因此，基抗開挖施工會出現較大出水量。

3.2 圍堰頂高程確定

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL303-2017)a)3.2.1條要求，導流建筑物應根據其保護對象、失事后果、使用年限和圍堰工程規模劃分為3-5級，具體按規范表3.2.1確定。

本工程永久性主要建筑物級別為2級，按照表格要求，導流建筑物級別為4級。不過水圍堰堰頂高程應不低于設計洪水的靜水位與波浪高度及堰頂安全加高值之和。

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL303-2017)6.3.3條要求，不過水圍堰堰頂高程和堰頂加高安全值應符合下列規定：堰頂高程不低于設計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范表3.4.10值。

本工程為鋼管樁圍堰，上游堰頂高程計算時計算波浪高度0.83m，圍堰級別為4級，安全加高值為0.3m。

波浪爬高采用莆田公式計算。

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。

經計算，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。

3.3 圍堰安全等級確定

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《鋼圍堰工程技術標準》(GB/T 51295-2018)3.0.5要求，圍堰高度>10m，圍堰水深>8m，因此圍堰安全等級屬于一級[1]。

3.4 圍堰布置原則

為滿足工程主體結構要求，圍堰布置應符合下列原則：

1)圍堰與主體結構的凈空間和地下水控制應滿足主體結構及其防水的施工要求。

2)采用內支撐，其設置應便于主體結構及防水施工，上下道支撐設置剪刀撐。

3.5 鋼管樁圍堰布置

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。

鋼管樁圍堰內基礎清理至基巖面，澆筑3.0-4.0m厚水下混凝土封閉。縱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充填止水材料。

鋼管樁上游全斷面鋪設土工膜，庫底上游水平鋪設長度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，為增強樁體與基巖接觸部位的防滲效果和加強鋼管樁的穩定性，在鋼管樁底部進行鉆孔灌注樁施工，灌注樁入巖2.0m。

3.6 鋼管樁設計

鋼管樁采用Ⅰ-C型鎖口，鋼管樁圍堰結構由鎖口鋼管樁、圍檁、內支撐及封底混凝土組成。

鋼管徑厚比應滿足下式要求：

(2)

式中：D0為鋼管外徑，mm，取1020mm；ts為鋼管壁厚，mm，取18mm；fy為鋼材的屈服強度，MPa，鋼管材質采用Q345B，取345MPa。

經計算，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。

鋼管樁使用時間為當年9月至次年5月，環境腐蝕類型為水及大氣腐蝕。由于工期較短，介質腐蝕程度較輕，無需對鋼管樁進行防腐設計。

4 鋼管樁施工

4.1 概述

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，最大樁長約為21m。

4.2 施工工藝流程

鋼管樁施工流程如下：

施工準備→鎖口鋼管樁制作→打樁船定位→鋼管樁測量放線→鋼管樁定位→吊樁→錘擊沉樁→下一根樁。

4.3 施工方法

本工程鋼管樁采用在綜合加工廠加工制作，吊車吊裝裝運至運輸船，打樁船進行沉樁施工。先進行定位樁施工，然后由打樁船配合安裝導向架后，再由打樁船插樁后以往返復打的形式進行沉樁施工。先利用打樁船吊振動錘施打定位樁，然后安裝導向架，樁船往復插打鋼管樁，每組導向架內插打6-8根鋼管樁。打完一個導向架內的樁后拆除導向架，進行下一組鋼管樁的施工。

4.3.1 樁長加工

樁長考慮按設計樁長加工。沉樁過程中根據沉樁情況總結后，確定各最佳參數，以盡量減少水上接樁和過長截樁。加工時按寧長勿短的原則，以盡量避免水上接樁。

4.3.2 鋼管樁生產工序

鋼材檢驗→開卷→校平→切頭→開坡口→對焊→銑邊→進料→螺旋成型→內焊→焊縫清根→外圓周長測量→外焊→在線UT→等離子切割(飛切)→外觀及尺寸檢測→臨時標記→手工UT→UT→RT→修補→修補處VT、UT/RT→樁靴制作→樁靴檢驗→最終檢驗→最終標識→交貨。

4.3.3 焊接工藝

采用常溫螺旋成型，雙面自動埋弧法焊接。對焊前鋼板開V形坡口，內、外坡口均為60°，整樁制作鋼管樁。按焊接工藝規程進行試驗驗證并對焊工考評，保證焊接接頭抗拉強度不得小于母材規定的最低抗拉強度。

盡量避免水上接樁，如偶爾發生樁長不夠時，可按規范規定采取水上接樁，上節樁開單邊V型坡口，坡口角度45°-55°，樁內部設置內襯套，內襯套預焊在上節樁底，現場套裝于下節樁中，再用手工焊接。焊接前，按規范對焊接工藝進行考評，焊條按規范采用E4303焊條。手工焊接后，對焊縫進行無損探傷檢測。接樁所用合格管節長度>2m，兩個對接管節螺旋焊縫錯開1/8周長以上，焊接部的錯開控制在4mm以下。

4.3.4 噴涂標識

1)每根樁均用黑底白漆噴涂標記，噴標文字為漢字加阿拉伯數字。

2)長度標識：每根樁從鋼管頂端進行刻度標識，其中樁頂兩側每隔100mm噴水尺線；10m范圍以外每隔500mm噴水尺線；并在整數米處噴涂數字。

3)每根管樁在管端內外表面噴管標，管標內容：樁管編號、樁管直徑、樁管總長、鋼材材質、制管標準、制造日期、制造廠名。

4.3.5 鋼管樁驗收

供應商負責鋼管樁自檢驗收并提交檢驗證書及產品合格證書，會同項目部復檢后及時報送監理進行最終驗收，經最終驗收合格后的鋼管樁才可裝船出運。

4.3.6 管樁運輸

鋼管樁由專業廠家生產，管樁經驗收合格后，運輸至施工現場后采用25t吊車吊裝上打樁船。

4.3.7 沉樁施工

本工程最大樁長約21m，根據沉樁計劃，擬采用1艘打樁船進行施工，考慮當地氣象、水文等自然條件，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。打樁船性能參數如表1所示。

表1 打樁船性能參數表

根據施工進度計劃鋼管樁沉樁計劃安排1艘打樁船進行沉樁施工。

鋼管樁施工前，先對樁船的抱樁器和背板進行改造。先進行定位樁施工，然后由打樁船配合安裝導向架后，再由打樁船插樁后以往返復打的形式進行沉樁施工。先利用打樁船吊振動錘施打定位樁，然后安裝導向架，樁船往復插打鋼管樁，每組導向架內插打6-8根鋼管樁。打完一個導向架內的樁后拆除導向架，進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

導向架采用工字鋼作為鋼導梁和用斜撐加工而成。導向架的加工一般要滿足鋼管樁放入導向架后兩邊各有50mm的富余量，導向架加工完成后，通過驗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振動錘插入后，然后拆除導向架，再用樁船沉樁，鋼管樁不能一次沉入到位，往復來回沉樁。導向架示意圖，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)由岸坡向水庫中央方向推進。

2)沉樁前應結合沉樁允許偏差，校核各樁。

圖3 導向架示意圖

圖4 插打鋼管樁示意圖

4.4 鋼管樁防滲

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行止水封閉。管樁施工完畢后于上游面鋪設一層土工膜臨時防滲，土工膜采用水上鋪設，于土工膜一端固定沙袋，定位后配合潛水員沉入水中。水上拋投袋裝土進行壓腳，船體定位后人工拋投。

4.5 鋼管樁沉樁控制措施

沉樁時要保證樁偏位不超過規定，偏位過大，給上部結構預制件的安裝帶來困難，也會使結構受到有害的偏心力。為了減少偏位，應采取以下措施:

1)在安排工程進度時，避開在強風盛行季節沉樁，當風、浪、水流超過規定時停止沉樁作業。

2)要防止因施工活動造成定位基線走動，采用有足夠定位精度的定位方法，要及時開動平衡裝置和松緊錨纜，以維持打樁架坡度、防止打樁船走動。

3)掌握斜坡上打樁和打斜樁的規律，擬定合理的打樁順序，采取恰當的偏離樁位下沉，以保證沉樁完畢后的最終位置符合設計規定，并采取削坡和分區跳打樁的方法，防止岸坡滑動。

5 鋼支撐施工

5.1 鋼支撐結構

鋼支撐結構示意見圖5。

圖5 鋼支撐結構示意圖

5.2 鋼支撐加工

1)嚴格按照設計圖紙進行加工，鋼支撐連接必須滿足強度連接要求。

2)本工程鋼支撐主要分為圍檁、內支撐和連接系。除圍檁外，其余單根內支撐及連接系不得采用焊接連接和機械連接，應采用單根長度超過或等于需求長度的整根型鋼。

3)錨板、接頭等需焊接施工部位的焊接工藝和焊縫質量必須滿足國家現行標準《建筑鋼結構焊接技術規程》JGJ81的規定。

4)焊接拼裝工藝一次進行，當有隱蔽焊接時，必須先施焊，經檢驗合格后方可覆蓋。

5)加工好的型鋼支撐應在加工場所驗收，并編號擺放[2]。

5.3 錨板和圍檁施工

1)圍檁安裝：圍檁安裝時通過25t吊車自大壩壩頂吊裝至工作面，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。錨筋對稱分布在鋼板兩側，每側3根，單側錨筋間距117mm。

錨板安裝時，自大壩壩頂放置吊籃，作業人員在吊籃中沿鋼支撐垂直線進行作業，不得水平移動吊籃。同時以圍檁高度為基準，在大壩壩面混凝土上標識出錨板錨筋插入點，采用電錘鉆孔，鉆孔后使用風槍清孔，保證孔內無殘渣、碎屑，清孔完成后孔內注入植筋膠，安裝錨板，錨板安裝時注意測量安裝高度，保證錨板安裝定位準確。

5.4 內支撐施工

圍檁和錨板施工完成后，對每根內支撐進行編號，測量內支撐長度，進行內支撐加工，內支撐采用HW400×400×13×21工字鋼梁，材質Q345B。內支撐設置柱腳，柱腳為焊接同材質的鋼板，同時連接板與工字鋼豎板之間設置加強板。內支撐兩側柱腳如圖6所示。

內支撐采用25t吊車自大壩壩頂吊運至作業面，同時在鋼管樁圍堰頂部與大壩壩頂安設電動葫蘆，內支撐兩端吊運就位后，采用電動葫蘆及人工輔助，保持內支撐位置就位。

內支撐與圍檁的連接方式為螺栓連接，內支撐端部設置柱腳。為適應內支撐與壩體之間的距離偏差，在圍檁翼緣與柱腳之間設置墊板。圍檁與內支撐連接示意如圖7所示。

圖6 內支撐兩側柱腳結構圖

圖7 圍檁與內支撐連接示意圖

內支撐與錨固在壩體混凝土面上的錨板采用焊接方式固定。

內支撐之間、上下圍檁之間設置連接系，桿件規格為工字鋼20a。

5.5 質量控制

1)施工前應熟悉支撐系統的圖紙及各種計算工況，掌握支撐順序及支撐設置的方式、預應力及周圍環境保護的要求。

2)施工過程中應嚴格控制開挖和支撐的程序和時間，對支撐的位置、每層水位深度、圍檁與支撐或支撐與大壩的密貼度應做周密檢查。

3)型鋼支撐安裝時必須嚴格控制平面位置和高程，以確保支撐系統安裝符合設計要求。

4)應嚴格控制支撐系統的焊接質量，確保桿件連接強度符合設計要求。

5)支護結構出現滲水、流砂或開挖面一下冒水，應及時采取止水堵漏措施，淤泥清除和降水應均衡進行，以確保支撐系統穩定。

6)施工中應加強監測，做好信息反饋，出現問題及時處理。全部支撐安裝結束后，需維持整個系統的安全可靠，直至支撐全部拆除。

7)密切關注支撐的受力情況，并由監測小組進行軸位移和受力監測，若超出設計值時，立即停止施工并通知設計及相關部門對異常情況進行分析，制定解決方案，待方案確定后及時組織實施，確保基坑安全。

6 結 論

通過采用鋼管樁圍堰，可以很好的避免水庫淤積對下游河道的影響，且鋼管樁圍堰型式新穎，結構強度滿足位移、內力及穩定性要求。施工中需加強觀測，并防止滲漏。

該技術為水利工程施工圍堰提供了一種新型施工工藝，具有廣闊的推廣應用前景。