預制裝配式構件水下安裝施工技術的應用
——以南水北調中線渡槽增設導流墩為例

王虎林

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

南水北調中線工程澧河渡槽增設導流墩施工項目，本次導流墩設計為鋼筋混凝土材質，整體呈三角形，設計總長30 m，高7～8 m，寬度從5 m漸變到0.5 m。導流墩順水流方向共分為10 段，每段自下而上分為9 層，前9 層為預制鋼筋混凝土，封頂為現澆混凝土。導流墩預制層均為C50 預制鋼筋混凝土空箱結構，頂層均為C30 現澆鋼筋混凝土空箱結構，出口導流墩層與層之間設橡膠止水帶，層與層間、段與段間采用螺栓連接，預制墩體采用工廠預制、運輸至現場水中搭建施工平臺進行拼裝、水下安裝。從而可大幅改善渡槽進出口水流狀態，有效降低水頭損失，提高過流能力，對保障中線工程整體輸水能力具有十分重要的意義。

2 導流墩模具設計及預制構件制造

2.1 導流墩設計分段、分層

出口導流墩長30 m，高度7.778 m、寬度5 m，按水流向分為10 段，按高度方向下部9 層為預制層，頂層為現澆層；進口導流墩長11 m，高度8.155 m、寬度5 m，進口導流墩按水流向分為4 段，按高度方向下部10 層為預制層，頂層為現澆層，進、出口導流墩均為空箱式混凝土結構；中間標準預制層高度為0.8 m，底層高度隨渠道底板坡度的變化高度進行調整，出口第9 層高度為0.7 m，進口第10 層高度為0.455 m。導流墩分段、分層布置示意見圖1。

圖1 渡槽出口導流墩立面分段分層示意圖

圖2 渡槽出口導流墩平面分段示意圖

2.2 模具設計及制造

由于導流墩構件對單個外觀和外形尺寸精度要求高，外表要光潔平整，不得有疏松、蜂窩等，且導流墩構件上下部位采用緊湊型承插口連接（圖3），前后均采用廣口式承插方式連接（圖4），因此對模具設計提出了很高的要求。在設計時優先考慮高強度的鋼模板進行構件的預制；同時采用單個模具獨立底座的設計，確保滿足底部插口的精度，還可以實現構件預制的多場所游牧式預制作業。模具主要由獨立底座、外模板、內模板、頂模和工裝件組成（圖5）。同時對于安裝后的整體誤差要求精度較高，因此模板既要有一定的剛度和強度、又要有較強的整體穩定性，同時便于組裝和脫模。

圖3 上下層間緊湊型承插口

圖4 相鄰構件前后廣口式承插口

圖5 獨立底座 外模板 內模板 頂模 工裝件

（1）模具設計——高精度，游牧式作業

在模具設計時，通過三維軟件進行預制構件的準確繪制以及模具的動態可視化設計，提前規避設計誤差，并在軟件中模擬模具的拆解和組裝過程，以確保實際施工便捷高效；同時，模具制造時所需的板材和型材分別采用激光切割設備和數控機床進行切割，以控制板材的尺寸誤差。模具組立時，利用三維工裝組立平臺進行組裝，進而控制焊接和組裝時的變形誤差，達到設計要求確保構件尺寸。

（2）外模具及底座設計——易組裝，剛度強

底座模具設計時考慮到不同場景的適應性，采用型材對底座進行加強；外模采用4 塊獨立側模進行拼裝，并采取型材對拉加強設計，以保證外部尺寸的精準。外模及底座方案如圖6 所示。

圖6 外模具及底座拆解示意圖

（3）內模設計——易組裝，易脫模

內模設計要確保內部尺寸，同時要便于拆裝，因此內模設計時設定一定角度的脫模角，同時拆解為8 片組合，設定拆解塊便于拆裝和脫模具。

圖7 內模拆解示意圖

（4）工裝定位——精準定位，保證連接

單個構件之間除通過承插口連接外并通過橫向和豎向的連接通孔進行固定連接，必須保證通孔位置的準確，因此設定了豎向和橫向專用的定位工裝件以確保位置準確。

（5）模具制造——精準下料，高精度拼裝

為確保下料的精準，所有板材下料均采用數控激光切割下料方法，并在三維工裝組立平臺上進行板材的焊接安裝作業，以確保模具組裝的精度。

2.3 構件預制及試拼裝

（1）鋼筋綁扎及模具組立

半成品鋼筋切斷、對焊、成型的加工均在原鋼筋車間進行，鋼筋車間在按配筋單加工中，應嚴格控制尺寸。由于導流墩構件鋼筋的主筋保護層要求較高，因此，鋼筋的骨架尺寸必須準確，故要求采用專門的成型架成型，并在內模具組裝完成后提前進行骨架的綁扎以便后續安裝預留洞定位工裝及預埋件。

（2）構件澆筑及養護

澆搗前，應對模板和已綁好的鋼筋和埋件進行檢查，確保相關預埋件定位準確。為確保構件頂面的平整度，需要增加對頂面的二次收面措施，因此澆筑完成后及時在原生產模位上進行移動式蒸養罩蒸養方式，減少混凝土初凝時間，進行頂面的二次收面。導流墩蒸養完成后，同條件試塊強度達到設計的70%強度后方可進行拆模；試塊強度達到100%后方可部署吊裝事宜。吊裝時，采用四點平衡架進行四點起吊。（3）場內試拼裝

構件預制完成后須在出廠前逐層逐段進行試拼裝，以便消除預制過程中誤差；同時，檢查連接孔之間的貫通，確保出廠后順利安裝。

圖8 逐層試拼裝

圖9 整體試拼裝

3 吊裝浮箱作業平臺

整個吊裝平臺由33 組浮船改造拼裝而成，整體呈“凹”字型，上部裝有吊裝結構桁架，前端水中裝有輔助支腿。在平臺外側，分左右岸、上游3 部分，共布置6 臺卷揚機、2 臺手拉葫蘆，使吊裝平臺在湍急的水流中相對平穩。其中左岸3 臺、右岸3 臺卷揚機對平臺進行牽引，以保證平臺不會左右擺動，上游側2 臺手拉葫蘆用來調整平臺，以滿足吊裝就位需求。同時，利用緩沖原理，把平臺迎水端部位鋼板設置成“船頭”樣式，用來緩解水流對平臺的沖擊。除此之外，為保證平臺在吊裝墩體時的整體安全穩定性，在“凹”字形兩側平臺還增加橫向鋼梁、輔助梁與縱向加強工字鋼等結構。這樣，就能在這個施工平臺上“如履平地”地開展吊裝工作了。

圖10 浮箱平臺斷面框架結構、立柱、縱橫梁、軌道布置示意圖

4 導流墩安裝

進出口導流墩均為預制薄壁混凝土空箱結構，除底層帶有底板外，上部各層均不帶底板，只有四周為薄壁混凝土；出口導流墩長度為30 m，沿水流方向分為10 段，每段分為9 層預制層；進口導流墩長度為11 m，沿水流方向分為4 段，每段分為10 層預制層；進、出口導流墩層與層之間設橡膠止水帶，層與層間、段與段間采用螺栓連接；導流墩墩體工廠預制，運輸至現場后利用水上浮箱平臺在水中拼裝。

4.1 導流墩裝配工藝流程

導流墩裝配工藝流程見圖11。

圖11 導流墩裝配工藝流程圖

4.2 出口導流墩安裝

出口導流墩總體安裝方法：導流墩安裝采用電動葫蘆從交通橋上吊運至安裝工位后，由手拉葫蘆提起，下沉入水，然后電動葫蘆將下一節吊運至上一節上，層間連接好后4 個人操作手拉葫蘆，將導流墩緩慢下沉入水。下一節段安裝就位后與上一節段用螺栓連接。

出口導流墩安裝步驟如下：

第1 步：出口導流墩安裝時，將工廠內預制的導流墩節段運到吊裝區后，由布置在左側岸上汽車吊將預制塊吊到交通橋上的搬運小車上，用布置在右岸的卷揚機牽引搬運小車，沿交通橋將導流墩預制塊牽引至橫跨在交通橋上的電動葫蘆梁正下方。

第2 步：電動葫蘆將預制塊提起運送到拼裝位置的下方到接近水面。

第3 步：懸掛在縱梁上的4 只手拉葫蘆從外側部將預制塊提起，渡槽前端的卷揚機與底部前端的第一個吊耳連接。

第4 步：手拉葫蘆受力吊起導流墩后，電動葫蘆摘鉤，并移動到交通橋上方，第一塊下落至水面，構件頂面高出水面；上游卷揚機拉住導流墩靠向閘墩；為保持導流墩穩定，隨著導流墩的升高，在導流墩外側用吊帶圍住，讓導流墩上部貼緊閘墩，吊帶的兩端固定在閘墩頂面錨固點上（裝配前在原閘墩前端頂面預先設置兩個錨固點），用于控制導流墩節段上口前后左右晃動，使其穩定保證安全；裝配第2 節段以后的節段可將吊帶兩端固定在前一節段上部吊耳上。

第5 步：清理組合面，安裝好層間止水橡皮，電動葫蘆吊運第2 層，電動葫蘆將第2 層轉運到第1層上方；調整導流墩位置狀態與第1 層對位后，穿好兩層豎向螺栓并將連接螺栓緊固。

第6 步：固定在閘墩上的卷揚機牽引繩配合4個手拉葫蘆同步下降實現導流墩下沉，導流墩下沉后頂部露出水面約0.5 m，進行下一層裝配。

第7 步：按照上述步驟依次裝配第3～9 層。

第8 步：上游卷揚機與手拉葫蘆配合導流墩下沉，導流墩底部下沉距離渠道底部約5 cm 時，閘墩上的卷揚機牽引，讓導流墩緊靠閘墩，用全站儀測量調整導流墩的位置，位置無誤后下沉就位；就位后渡槽前的卷揚機換成手葫蘆固定第1 節段；頂部用手拉葫蘆與閘墩固定，保證導流墩安全。

第9 步：用同樣的方法安裝第2 節段，導流墩距離渠底約5 cm時調整導流墩的中心位置，無誤后落底，落底時渡槽上游的卷揚機牽引與第1 節段貼緊，連接第1 節段、第2 節段之間連接螺栓，兩段固定在一起。

第10 步：用同樣的方法安裝剩余節段；第10 節段運至交通橋上后構件需要旋轉90°，再吊運至裝配位置進行裝配。

第11 步：利用預留在導流墩底板中的孔在底板下部灌漿，灌漿48 h 后從底板預留DN125 的管內取芯后在渠道底板上插筋、澆筑導流墩底板上一層二期混凝土。

第12 步：澆筑導流墩上預留灌漿孔，將導流墩上下連接成整體。

第13 步：頂層現澆層施工，利用頂層的外露鋼筋，安裝綁扎頂部現澆層的鋼筋，安裝與預制一樣定型模板完畢檢查合格后澆筑C30 商品混凝土，通過現澆混凝土將頂部連接成整體。

第14 步：拆模板后安裝頂部蓋板，完成導流墩的施工。

第15 步：浮箱平臺移至左岸拆除，浮箱移開后安裝欄桿。

最后，隨著導流墩入水安裝就位，澧河渡槽出口水流狀態已經明顯得到改善，槽身水流波動幅度也已明顯降低。出水口導流墩安裝的成功實施有效改善輸水建筑物進出口流態，從而提高流速與流量，對保障南水北調中線工程的輸水能力具有重要意義。

5 結束語

在原渡槽槽墩上加建導流墩，可大幅改善輸水建筑物進出口水流態，為大流量輸水常態化提供安全支撐，對保障中線工程整體輸水能力具有十分重要的意義。這種在“高流速、差流態、高水深”動水環境下進行的“大噸位、大體積、高精度”裝配式建筑施工技術的應用，不僅符合我國建筑工程今后的發展方向，同時是中國水利水電第十一局工程局有限公司安裝分局首次大膽嘗試，導流墩的創新之舉，表明預制裝配構件已成功運用于南水北調動水狀態下的水下安裝施工。也是國內水利行業首創之舉。