某水電站引水渠護(hù)底水下修復(fù)技術(shù)

陳喆君，王 純，褚 敏，易 立，劉 俊，方 昊，鄒 帆，鄧亞峰

(湖北省王英水庫管理局，湖北 咸寧 437000)

某水利樞紐工程建設(shè)中，圍堰基坑提前進(jìn)水導(dǎo)致電站引水渠護(hù)底發(fā)生局部破壞，由于本工程計(jì)劃于2014年9月正式通水，水下修復(fù)施工需加緊完工，以保證水利樞紐工程早日投入運(yùn)行和發(fā)揮效益。

施工中，通過優(yōu)化施工順序、合理選擇設(shè)備和創(chuàng)新施工工藝等措施，克服了水下作業(yè)、工序復(fù)雜等困難，水下修復(fù)工程如期順利完工，取得了良好的效果。

1 工程概況

某水利樞紐工程開發(fā)任務(wù)是以灌溉和航運(yùn)為主，兼顧發(fā)電。該工程為大(1)型Ⅰ等工程，主要由泄水閘、船閘、電站廠房、魚道、兩岸灘地過流段及交通橋等組成；水庫庫容約4.85億m3，最大下泄流量19 400 m3/s，灌溉面積21.84萬hm2，規(guī)劃航道等級為Ⅲ級，電站裝機(jī)容量為40MW。工程靜態(tài)總投資30.49億元，總工期4年半(總平面布置圖，見圖1)。

圖1 某水利樞紐總平面布置圖

泄水閘由56孔組成，每孔凈寬14 m，閘段總長953 m，閘孔總凈寬784 m，采用兩孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)型式，泄水閘底板順流向長25 m。泄水閘工作門為弧形鋼閘門。

電站裝機(jī)容量40 MW，安裝4臺貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量10 MW，水輪機(jī)直徑6.55 m，電站廠房總長112 m，寬74 m。

通航建筑物由船閘主體段和上下游引航道組成，線路總長1 456 m。船閘主體段由上下閘首和閘室組成，總長256 m，航槽凈寬23 m，結(jié)構(gòu)均采用整體式U形結(jié)構(gòu)。

2 水毀事件過程及影響

2009-02-26日，該水利樞紐工程正式開工，同年12月26日成功完成一期截流；2010年4月，主體工程泄水閘、電站、船閘等全面開工。2013年3月，主體工程土建及金結(jié)、機(jī)電基本完成，計(jì)劃進(jìn)行二期截流和水庫下閘蓄水，早日建成和發(fā)揮效益。

2009-03-14T14:30，下游拆除中的圍堰防滲墻倒塌引起基坑提前進(jìn)水。此時(shí)，泄水閘56孔閘門處于完全閉合狀態(tài)，電站廠房進(jìn)水口、尾水渠預(yù)充水工作未完成；現(xiàn)場應(yīng)急處理小組立即指揮現(xiàn)場處置，開展缺口堵護(hù)和發(fā)電站充水平壓工作，但進(jìn)展相對緩慢。

同日16點(diǎn)40分，隨著下游基坑內(nèi)水位上升，電站上下游水位差近5 m，已逼近設(shè)計(jì)工況限制條件；同時(shí)，考慮到泄水閘弧形閘門反向擋水可能受損，1、2號排漂孔開啟向上游放水，8、12號孔等工作閘門也陸續(xù)開啟；同日18點(diǎn)50分，泄水閘1、2號排漂孔上游防沖槽及護(hù)底區(qū)域出現(xiàn)旋渦，電站進(jìn)水口護(hù)底局部位置出現(xiàn)翻沙鼓水[1]。

2009-03-15至17日，現(xiàn)場應(yīng)急處理小組組織開展?jié)撍矫退聹y量，并召開專家咨詢會(huì)研究處理方案。經(jīng)分析，由于圍堰基坑提前進(jìn)水，水頭差形成的揚(yáng)壓力，引起電站進(jìn)口段、泄水閘攔漂排孔上游護(hù)底、鋪蓋及右側(cè)翼墻局部地基發(fā)生滲透破壞，混凝土護(hù)底產(chǎn)生沉降和抬動(dòng)變形。

考慮到本工程汛期臨近和恢復(fù)通航的工作要求，同年3月22日，該水利樞紐工程如期要完成二期截流，開始下閘蓄水；同年4月10日，水庫達(dá)到正常蓄水位，船閘實(shí)現(xiàn)通航。

3 電站引水渠水下修復(fù)施工

3.1 水下?lián)p毀情況

電站廠房引水渠底板底部高程14.7 m，頂部高程27.0 m，坡比1∶4.5。分塊幅度為10.0 m×10.0 m，總共78塊。

在電站進(jìn)水口及泄水閘排漂孔上游護(hù)底淤砂清理完成后，組織進(jìn)行水下測量、潛水探摸及攝像檢查。結(jié)果顯示，電站廠房引水渠底板有40塊板出現(xiàn)塌陷、局部翹起和裂縫等破壞。其中電站引水渠3、4號機(jī)組段上游的2、3、4行段區(qū)域護(hù)底發(fā)生塌陷，最大深度約2.1 m，最小深度約20 cm，呈左深右淺；1、2號機(jī)組段上游的7行段區(qū)域底板抬高變形，最大翹起高度1.7 m，其余翹起高度約為20～60 cm，其他區(qū)域基本沒有變化。另外，泄水閘上游鋪蓋有16塊板塌陷，與電站間翼墻第2、3段底板底部出現(xiàn)脫空，脫空長度約23.0 m，高度約2.4 m(電站廠房橫剖面，見圖2；水下探摸檢查情況，見圖3)。

圖2 電站廠房橫剖面圖

圖3 水下探摸檢查情況圖

3.2 修復(fù)設(shè)計(jì)方案

工程已下閘蓄水運(yùn)行，且機(jī)組發(fā)電工期要求緊迫，根據(jù)水下檢查成果和專家咨詢意見，水毀修復(fù)采用水下混凝土澆筑方案。施工內(nèi)容包括水下清理、破壞混凝土結(jié)構(gòu)拆除、混合料回填、模袋混凝土鋪設(shè)、端頭保護(hù)梁澆筑和灌漿等，主要如下。

1)對抬動(dòng)或翹起鋼筋混凝土底板予以拆除，不得對原有地基產(chǎn)生新的破壞；對于混凝土底板沉陷部位，采用粗砂、瓜米石、碎石組成的混合料回填。混合料應(yīng)滿足過度料要求，D50≤15。

2)引水渠護(hù)底范圍內(nèi)鋪設(shè)厚20 cm的膜袋混凝土。模袋混凝土采用無排水點(diǎn)混凝土型(CX型)模袋，灌注C30(二)F100W6混凝土，模袋下滿鋪土工布(400 g/m2)[2]。

3)在模袋混凝土上下游端頭各設(shè)一道現(xiàn)澆的混凝土保護(hù)梁。采用PBM樹脂混凝土水下澆筑[3]，強(qiáng)度指標(biāo)不低于C30混凝土相關(guān)技術(shù)要求，內(nèi)布φ12@20錨筋。

4)模袋混凝土施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對原鋼筋混凝土下的粉細(xì)砂地基進(jìn)行打孔灌漿檢查和處理，灌漿管應(yīng)采用鋼管，4 m×4 m梅花形布置。灌漿管應(yīng)進(jìn)入受損后鋼筋混凝土面下3 m。

3.3 水下修復(fù)施工

2013-03-26日開始組織進(jìn)行水下清淤抽砂，同年6月至9月，依次完成水下混凝土拆除、混合料回填、模袋混凝土澆筑、PBM端梁混凝土澆筑和灌漿管灌漿施工。同年10月8日，修復(fù)工程全面完工。

1)淤砂清理。由于泥砂面位于水下21 m左右，施工中無法檢查水下抽砂完成情況，且無法判斷破損板下回填的粉細(xì)砂是否被抽出，抽砂施工較為盲目，為確保抽砂施工效率，故采用潛水員配合水下抽砂，并跟蹤檢查每一板塊抽砂情況及混凝土板的破壞情況。

2)翼墻脫空區(qū)回填。對電站右側(cè)翼墻擋土墻脫空區(qū)、泄水閘上1、2號孔塌陷區(qū)采用水上平臺導(dǎo)管法澆筑混凝土進(jìn)行回填，實(shí)現(xiàn)泄水閘與電站間封堵隔離，避免水力沖刷破壞和施工干擾。

3)抬高板拆除施工。在抬動(dòng)板拆除施工中，由于3～7塊抬動(dòng)(見圖3,水下探摸檢查情況中，紅色線條標(biāo)注)板護(hù)底板與施工期設(shè)置的門機(jī)軌道梁采用錨筋連接，起吊拆除無法實(shí)施，采用烏卡斯沖擊鉆破碎并潛水切割作業(yè)予以拆除。

4)塌陷區(qū)混合料回填施工。先在塌陷區(qū)域按照原結(jié)構(gòu)輪廓線設(shè)置控制樣架，樣架立桿采取在水下混凝土板上鉆孔插筋的方式進(jìn)行錨固，按5 m×5 m的間距鉆孔植筋，插筋選用Φ14螺紋鋼制作，鉆孔深度10 cm，孔徑16 mm。樣架插筋之間用25 mm×25 mm×3 mm的薄壁矩形鐵管進(jìn)行水下焊接相連，形成5 m×5 m的均布方格結(jié)構(gòu)輪廓控制樣架(見圖4)。

圖4 結(jié)構(gòu)輪廓控制樣架圖

在樣架施工完成后再對塌陷區(qū)域回填混合料，混合料摻配比為70%(瓜米石)∶30%(人工粗砂)。回填采用船運(yùn)和下料導(dǎo)管進(jìn)行，由潛水員指示拋填位置和需要量，控制下料回填的厚度，采用釘耙和水平刮尺對回填料進(jìn)行找平。

5)模袋混凝土的質(zhì)量控制。土工模袋成品檢測。土工模袋成品需經(jīng)相關(guān)檢測,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，土工模袋安裝平整牢固，混凝土嚴(yán)格按配比稱量拌和。在混凝土的攪拌和泵送過程中,設(shè)有專職質(zhì)量控制員,進(jìn)行全過程的質(zhì)量控制。混凝土坍落度控制在22～24 cm之間,摻氣量為4.5%～5.5%，每天隨機(jī)抽查。為防止超徑骨料進(jìn)人混凝土泵,造成堵管故障,在混凝土泵口加設(shè)過濾網(wǎng)篩。模袋混凝土厚度上部厚15 cm、下部20 cm,允許偏差士2 cm，局部不平整度應(yīng)小于4 cm。每個(gè)模袋塊混凝土都要充灌飽滿,且終凝后要拆除進(jìn)料口的多余混凝土,進(jìn)行坡面清理,使模袋混.凝土護(hù)坡面清潔平整,進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，要保持7 d的濕潤。

質(zhì)量控制的具體要求。必須采用高水平的水下潛水員進(jìn)行協(xié)助施工,潛水員的技術(shù)水平是工程施工的關(guān)鍵因素，施工完成后采用水下攝像進(jìn)行檢測，以保證工程施工質(zhì)量[4]。

6)模袋混凝土施工。根據(jù)全面的水下測量典型斷面、修復(fù)設(shè)計(jì)方案攤鋪及充灌要求進(jìn)行模袋設(shè)計(jì)和袋體分塊，模袋由模袋生產(chǎn)廠家進(jìn)行裁剪和加工。進(jìn)入現(xiàn)場的模袋袋體及無紡布，經(jīng)項(xiàng)目法人、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、質(zhì)量監(jiān)督等單位聯(lián)合驗(yàn)收合格后，通過吊車吊放到右岸斜坡上，由水上作業(yè)平臺及潛水員配合拉入水中，至設(shè)計(jì)位置后固定。攤鋪?zhàn)鳂I(yè)從由進(jìn)水口開始，由低至高、從右岸向左岸依次進(jìn)行。

模袋攤鋪結(jié)束后，由潛水員在水下配合，將泵送管道直接插入模袋的充灌袖口，啟動(dòng)混凝土輸送泵，緩緩將混凝土送入模袋內(nèi)。模袋的充灌從最低點(diǎn)開始，逐漸從低點(diǎn)向最高處充灌，直到混凝土充滿充灌區(qū)域(見圖5)，施工工藝控制見類似工程應(yīng)用。

圖5 模袋鋪設(shè)圖

7)PBM樹脂混凝土澆筑。PBM聚合物混凝土是以PBM-3樹脂為粘結(jié)劑，將其與骨料(石子、砂、水泥)固結(jié)而成的混凝土。它具有高分子和無機(jī)材料的綜合性能，可在水中快速固化，并包裹骨料具有很高的粘稠性。按照施工水溫、氣溫控制要求，施工拌制試配并確定的最終配合比，控制促進(jìn)劑和引發(fā)劑摻量，確保樹脂混凝土有足夠的自動(dòng)流平時(shí)間和凝結(jié)時(shí)間。PBM-3樹脂混凝土主要指標(biāo)見表1。

表1 PBM-3樹脂混凝土主要指標(biāo)

8)水下灌漿施工。鉆孔進(jìn)入粉細(xì)沙層后隨即提鉆，在鉆桿底端安裝帶有圓形膠球阻塞器的加厚灌漿花管(Φ32×8 mm無縫管)，如圖6。長度為模袋面至原鋼筋混凝土板下1.5 m。圓形膠球阻塞器以下灌漿管采取花管形式，膠球阻塞器卡塞在模袋混凝土內(nèi)進(jìn)行止?jié){。

圖6 水下灌漿示意圖

由于粉細(xì)沙地基和塌陷區(qū)回填混合料為受灌體，采取孔口循環(huán)、孔內(nèi)填壓式灌漿方式。同時(shí)，考慮灌漿目的主要對脫空區(qū)進(jìn)行充填密實(shí)，結(jié)合水上平臺移動(dòng)定位困難的實(shí)際，鉆孔灌漿采取“分區(qū)、不分序”方式進(jìn)行。

根據(jù)灌漿生產(chǎn)性試驗(yàn)成果，主要控制指標(biāo)如下：

灌漿壓力：灌漿起始壓力試驗(yàn)區(qū)采用(0.1～0.15～0.20～0.25)MPa，緩慢小級跨度加壓，觀測抬動(dòng)千分表抬動(dòng)值。

水灰比：采用1.0和0.5二級水灰比。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：擬在最大設(shè)計(jì)壓力下，注入率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min，結(jié)束灌漿。

灌漿孔灌漿結(jié)束后，采取水灰比0.5漿液定量灌注封。待封孔水泥漿液凝固3 d后，進(jìn)行水下套管及外露灌漿管回收，回收完成后，底部殘留水下套管和外漏灌漿管采用水下集中割除方式割除[5]。

4 工程運(yùn)用效果評價(jià)

2013-11-10日，電站首臺機(jī)組通過啟動(dòng)驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)試運(yùn)行發(fā)電；2014-09-26日，末臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。工程試運(yùn)行以來， 工程運(yùn)管單位于2014年12月至2015年5月間多次采取潛水探摸、攝像檢查方式，對電站進(jìn)水口水下修復(fù)部位進(jìn)行檢查和監(jiān)測。從檢查結(jié)果來看，除存在端梁局部缺口、模袋混凝土與翼墻間銜接間隙等質(zhì)量缺陷外，工程試運(yùn)行2年多，電站進(jìn)水口及泄水閘上游修復(fù)部位未見異常和破壞，整體情況良好，達(dá)到了修復(fù)設(shè)計(jì)要求，工程安全運(yùn)行。

5 結(jié) 語

結(jié)合水下修復(fù)設(shè)計(jì)與施工中的主要內(nèi)容、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和施工方法，總結(jié)如下。

1)克服水下施工有關(guān)難點(diǎn)。由于水庫蓄水及泄水閘過流運(yùn)行，電站進(jìn)水口水下最大深度達(dá)22 m，水流及水位易于變化和擾動(dòng)，且水下能見度低，給水下施工帶來了很大困難。施工中，結(jié)合水下清淤、混合料回填、模袋混凝土鋪灌及錨桿灌漿等工序特點(diǎn)，通過優(yōu)化作業(yè)平臺制安、導(dǎo)管構(gòu)造、模板分塊尺寸、混凝土配合比設(shè)計(jì)和潛水定位配合作業(yè)等措施，保證了水下修復(fù)施工順利推進(jìn)。

2)優(yōu)化施工順序和設(shè)備選擇。如結(jié)合水毀破壞的機(jī)制和檢查結(jié)果，提前對泄水閘與電站間翼墻底部脫空區(qū)進(jìn)行混凝土回填，切斷區(qū)域之間的水力聯(lián)系，創(chuàng)造分區(qū)施工條件和避免繼續(xù)沖刷破壞；另外，電站引水渠護(hù)底下為粉細(xì)砂，對破壞混凝土采取爆破進(jìn)行拆除極易加劇地基破壞，施工中采用烏卡斯沖擊鉆破碎與潛水切割作業(yè)配合，取得了較好效果。

3)合理選用施工材料。考慮水下PBM 混凝土具備水下不分散、自流平及自密實(shí)的特性，可直接通過水層操作，且固化快，綜合強(qiáng)度高，進(jìn)水口模袋混凝土保護(hù)端梁比選采用PBM樹脂混凝土澆筑。

4)創(chuàng)新水下錨桿及灌漿施工工藝。設(shè)計(jì)在引水渠護(hù)底表面設(shè)置錨桿并進(jìn)行注漿，設(shè)計(jì)及施工單位創(chuàng)新采用水下套管定位，鉆桿打孔和錨桿安裝、注漿方式，完成了水下的水工建筑物錨桿施工。