組合圍堰在唐家渡電航樞紐中的應用

吳仍芳

(中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

電航工程縱向圍堰通常采用混凝土圍堰，混凝土圍堰具有強度高、抗沖刷、穩定性好和汛期不易發生破壞等優點。唐家渡電航樞紐工程(以下簡稱“唐家渡電航工程”)位于四川省遂寧市境內的涪江干流上，采用河床閘壩式開發，總庫容9 430萬m3，電站裝機容量3×14 MW，船閘和航道按四級標準建設。唐家渡電航工程全年縱向圍堰長397 m，高12.6 m，混凝土澆筑方量大，施工任務繁重，若1個枯水期(以下簡稱“一枯”)前未完成全年縱向圍堰施工，則將影響工程安全度汛，難以保證整個工程順利完工。

本文總結混凝土擋墻與臺后回填的組合圍堰結構施工技術[1]。該施工技術成功應用于唐家渡電航工程縱向圍堰工程，充分利用了土石圍堰及混凝土圍堰的優點，減少了圍堰修筑及拆除工程量，降低了圍堰拆除難度，節約施工成本的同時加快了施工進度。

1 工程導流概況

唐家渡電航工程施工導流采用束窄河床分期導流方式，導流工程分兩期施工：一期左岸枯期圍堰加廠房全年擋水圍堰圍左岸非溢流壩段、魚道、船閘、廠房、5孔沖沙閘和9孔泄水閘；二期右岸枯期圍堰，圍右岸17孔泄洪閘、儲門槽壩段和右岸非溢流壩段。

唐家渡電航工程廠房全年擋水圍堰設計洪水標準按全年10 a一遇洪水，相應導流設計流量為15 900 m3/s，對應壩址處水位為283.6 m。廠房全年擋水圍堰設計堰頂高程為284.6 m，上、下游橫向圍堰為土石結構，廠房上、下游橫向土石圍堰、廠房縱向組合圍堰及5#、6#導墻呈半包圍形式布置，保護廠房、船閘進行旱地施工。

唐家渡電航工程廠房縱向組合圍堰全長397 m，其中廠房上游縱向組合圍堰長約178 m，上游以刺墻形式伸入廠房上游橫向土石圍堰，下游接6#導墻；廠房下游縱向組合圍堰長約219 m，上游接5#導墻，下游以刺墻形式伸入廠房下游橫向土石圍堰。唐家渡電航工程導流圍堰布置如圖1所示。

圖1 唐家渡電航工程導流圍堰布置圖

2 圍堰方案比選

由于唐家渡電航工程土石方開挖工程量大，且周邊棄土場較少，為消納多余土石方，上、下游橫向圍堰均采用土石圍堰結構。考慮全年廠房縱向圍堰工程量大，且需在1個汛期前施工完成，經過多次研究論證和縱向圍堰方案比選，結合工期、成本、安全、質量等因素，最終選擇采用混凝土擋墻與臺后回填組合縱向圍堰的施工方案。

縱向圍堰方案比較情況見表1所列。

表1 縱向圍堰方案比較情況

3 組合圍堰設計及受力計算

根據受力驗算情況確定混凝土擋墻基礎開挖深度及結構斷面尺寸。根據地質條件和模板材料設備情況進行分層分塊設計，間隔一定距離設置沉降縫，沉降縫處從底至頂設置止水帶。回填料采用基坑開挖料，回填過渡料選用級配良好的砂卵石，臺后回填頂部高程低于混凝土擋墻頂部高程，根據受力驗算情況確定臺后回填寬度、坡度及頂部高程。

3.1 組合圍堰設計

組合圍堰中混凝土擋墻采用頂寬0.8 m，底寬4 m，直角梯形結構，迎水面坡比1∶0.25；回填土頂寬5 m，底寬14.6 m，直角梯形結構，背水面坡比1∶1.2；混凝土擋墻與臺后回填之間設置50 cm寬的回填過渡料。

為避免地基不均勻沉降造成堰體開裂，整個堰體順水流方向每隔20 m設置一道伸縮縫，縫寬2 cm，內部填充瀝青杉木板。伸縮縫處設置橡膠止水帶，止水帶距混凝土擋墻迎水面40 cm。

圖2 混凝土擋墻及臺后回填的組合式圍堰斷面圖

3.2 圍堰受力計算

組合縱向圍堰結構穩定受力模型如圖3所示。

圖3 組合縱向圍堰結構穩定受力模型

根據堰體自重計算公式、主動土壓力計算公式、抗傾覆計算公式、抗滑移驗算公式和基底承載力驗算公式[2]，計算得到無水條件下抗傾覆穩定安全系數為4.05，抗滑移安全系數為2.27，基底承載力驗算結果為173.9 kPa。根據水壓力計算公式、被動土壓力計算公式、抗傾覆計算公式、抗滑移驗算公式和基底承載力驗算公式[2]，計算得到水流作用條件下抗傾覆穩定安全系數為2.45，基底承載力驗算結果為222 kPa。可見，受力計算結果均遠大于規范要求[2]，驗算基底承載力遠小于弱風化粉砂質泥巖的實際承載力600 kPa。

4 施工工藝流程和方法

組合圍堰施工工藝流程為：施工準備→堰基開挖→堰基驗收及封閉→混凝土擋墻施工→縫面處理→填縫料及止水帶安裝→臺后回填施工→圍堰拆除。

4.1 堰基開挖及封閉

砂卵石覆蓋層采用液壓反鏟分層均衡開挖，一次開挖深度控制在2～3 m，開挖土料用20 t自卸汽車運至填筑作業面或棄渣場。堰基采用高效液壓破碎錘開挖，分層開挖厚度為1.0～1.2 m，由反鏟配合自卸汽車對破碎后的松散石方進行挖運，開挖料臨時堆存，用于混凝土擋墻臺后回填作業。

建基面開挖至設計高程272 m后，由人工清除巖基面上的松動巖石和雜物，然后用壓力水將巖基面沖洗干凈，沖洗積水用潛水泵排到集水井，也可采用高壓風吹凈巖面。建基面處理完成后進行承載力試驗，試驗合格后及時進行驗收，并澆筑5 cm厚C15混凝土或M5砂漿墊層對基巖進行封閉。

4.2 混凝土擋墻施工

4.2.1 分層分塊

為保證圍堰不均勻沉降，同時與5#、6#導墻及土石圍堰順接，需對縱向圍堰的混凝土堰體進行分層分塊設計，根據受力計算及現場澆筑設備、澆筑能力分析，分塊長度確定為18～20 m不等。廠房上游縱向混凝土圍堰全長178 m，共分9個結構段；廠房下游縱向混凝土圍堰全長219 m，共分11個結構段。每個結構段按1.6～3.0 m分層進行澆筑。縱向組合圍堰分層分塊布置如圖4所示。

圖4 縱向組合圍堰分層分塊布置圖

4.2.2 模板制作和安裝

采用平面大型鋼模板，模板骨架為槽鋼，每塊大模板都裝有帶安裝網的操作平臺，用鋼管平撐，鋼筋拉條內撐內拉固定、調節模板。通過研發并采用一種用于固定模板底口及操作平臺的裝置，包括若干相互配套的預埋部分和緊固部分：①預埋部分包括預埋在混凝土中的預埋螺桿和臺型螺母；②緊固部分將模板的底口和操作平臺與預埋部分連接，包括與臺型螺母配合的緊固螺桿，緊固螺桿上設有與其配合的緊固螺母。由16 t吊車與人工配合按照設計和測量控制點進行模板安裝、校正、固定，該裝置可以大幅度加快模板安裝及拆除速度[3]。

4.2.3 混凝土澆筑

堰體混凝土由左岸180 m3/h拌和樓供應，20 t自卸車、8 m3混凝土攪拌車負責混凝土水平運輸。垂直運輸采用長臂反鏟、履帶吊，自卸汽車、混凝土攪拌車將混凝土由拌和樓運至現場制作的卸料斗、3 m3臥罐，高程278 m以下混凝土澆筑由長臂反鏟通過卸料斗直接取料入倉，高程278 m以上混凝土澆筑由履帶吊吊運3 m3臥罐入倉。

混凝土到倉內后采用平鋪法下料，鋪料厚度為30～50 cm。入倉后的混凝土采用φ100插入式電動振搗器和φ50軟軸電動振搗器按照先平倉、后振搗工藝將混凝土振搗密實。砼澆筑到設計高程時，由人工用電動抹面機抹面。

4.3 縫面施工及處理

混凝土澆筑層水平施工縫，采用高壓沖毛機沖毛，在混凝土澆筑完后，待混凝土終凝24 h和下一倉模板安裝后，用高壓沖毛機將縫面上的灰漿、砂子、石頭一次性沖洗干凈。

混凝土澆筑層垂直施工縫處理位置為一期混凝土施工部位。具體施工方法是在混凝土澆筑模板拆除后，由人工用手錘、電錘和鋼釬將混凝土光面鑿成毛面，然后用壓力水沖洗干凈。

4.4 填縫料及止水帶安裝

堰體伸縮縫設計2 cm厚瀝青杉木板作為填縫料。合倉澆筑時：在縫面處采用鋼支架固定架立瀝青杉木板的方法成縫，澆筑時，兩側均勻下料，保證瀝青杉木板線形平順。分倉澆筑時采用在后澆塊澆筑前人工預埋，擬用射釘槍將瀝青杉板固定在先澆塊縫面上。安裝好填縫料的接縫均密封好，并緊貼縫面，防止新澆混凝土中的漿液充填入縫。

止水安裝時采用模板將止水帶固定，止水帶要埋正對中，止水帶中間可伸縮部分不得埋入混凝土中，以保證其可自由變形。止水帶連接固定時不得釘釘、錯茬連接和任意穿孔。橡膠止水帶接頭采用硫化連接，接頭內不得有氣泡、夾渣，接頭處的抗拉強度不低于母材強度的60%。

4.5 臺后回填施工

混凝土擋墻澆筑完成，混凝土強度達到80%后方可進行臺后回填作業。臺后回填采用20 t自卸汽車從挖方區運輸基坑開挖料至填筑部位，后退法卸料，推土機平料，鋪料厚度≤40 cm，采用13 t振動壓路機進行碾壓。需要注意的是，填土接近混凝土擋墻時，為減少振動碾壓對新澆筑擋墻的不利影響，采用蛙式打夯機進行過渡段回填料夯擊。

4.6 圍堰拆除

為避免爆破拆除對鄰近建筑物產生不利影響，縱向組合圍堰中混凝土擋墻拆除采用液壓破碎錘進行，反鏟配合自卸汽車進行挖裝運輸。

利用臺后回填作為施工道路，拆除堰體水面以上部分，水下部分采用長臂液壓反鏟進行配合拆除。組合圍堰拆除時先行拆除混凝土擋墻，最后采用倒退法進行臺后回填拆除。

4.7 堰體與土石圍堰接頭處質量控制

為保證廠房縱向混凝土圍堰與廠房上、下游土石圍堰接頭處的防滲效果，混凝土圍堰需以刺墻形式伸入土石圍堰，與土石圍堰內部高噴防滲墻搭接。由于高噴防滲墻處于土石圍堰堰體中部，需將接頭處部分堰體挖除。接頭處開挖采用液壓反鏟，以1∶1坡比放坡開挖，底部至堰體設計輪廓線應預留不少于50 cm的立模邊距。

為保證混凝土圍堰與高噴防滲墻有效搭接，在已施工完成的高噴防滲墻上布設兩排20 mm錨桿，錨桿排距為1 m，間距為1.5 m，錨桿長1.8 m，深入高噴防滲墻0.8 m，埋入混凝土圍堰中1 m，錨桿垂直于防滲墻布置。澆筑混凝土前對接頭段防滲墻進行鑿毛處理。

5 實施進度、效果和效益

唐家渡電航工程組合縱向圍堰施工歷時106 d，投入使用33個月，拆除用時25 d，通過實施進度、效果及效益分析，確定組合圍堰結構穩定可靠、防滲效果良好、節能環保。

5.1 圍堰實施進度

唐家渡電航工程廠房縱向組合圍堰自2018年1月22日開始施工至2018年5月8日施工完成，用時106 d，較混凝土縱向圍堰計劃工期提前14 d。施工全過程處于安全、穩定、快速、優質的可控狀態，在涪江汛期來臨前成功實施完成，為一期土石圍堰汛前拆除創造了有利條件，同時也為唐家渡電航工程廠房、船閘主體工程施工爭取了寶貴的時間。

唐家渡電航工程組合圍堰采用液壓破碎錘及反鏟進行拆除，拆除僅用時25 d，較混凝土縱向圍堰計劃工期提前14 d。拆除安全快速，未對廠房永久構筑物產生不利影響，對周邊環境影響較小。

5.2 防滲效果

唐家渡電航工程組合圍堰于2018年5月20日投入使用，2021年2月15日拆除完成，使用時間33個月，組合圍堰投入使用過程中，結構穩定可靠、防滲效果良好，未發生滲漏、開裂及管涌等現象。

組合圍堰成功經受住2018年“7·11”30 a一遇洪水和2020年“8·16”40 a一遇洪水考驗。“7·11”洪水最大洪峰流量21 400 m3/s，堰前最高洪水位為284.8 m；“8·16”洪水最大洪峰流量22 600 m3/s，堰前最高洪水位為285.2 m。組合圍堰均淹沒于兩場洪水中。洪水過后，組合圍堰結構穩定，未產生損毀及破壞。

5.3 效益分析

組合圍堰結構施工技術減少了圍堰修筑及拆除工程量，由于充分利用現有材料而減少了非可再生資源消耗，降低了對環境的影響，具有環境效益。

相比混凝土圍堰方案，組合圍堰方案節約C15混凝土13 345 m3，每方混凝土節約材料及人工費用284元，共計節約費用379萬元。相比爆破拆除方案，組合圍堰方案采用液壓破碎錘拆除，每方混凝土節約費用15元，共計節約費用38萬元。兩者相加，合計節約費用417萬元。可見，組合圍堰方案具有較好的經濟效益。

6 結語

唐家渡電航工程采用混凝土擋墻與臺后回填相結合的組合圍堰結構進行臨時圍堰工程施工。該方案能夠確保施工質量和施工安全，加快施工速度，降低施工成本，保證了唐家渡電航工程主體工程順利實施，具有顯著的經濟效益和環境效益。混凝土擋墻與臺后回填的組合圍堰結構不僅適用于縱向圍堰，同時也適用于上游、下游橫向圍堰，主要適用于地形較開闊的水電及電航臨時圍堰工程，尤其適用于臨時圍堰工程量大、工期緊張、土石方開挖存在棄方的項目。