南水北調(diào)中線工程某河建筑物透水防沖墻防護施工技術

陳 潤

(貴州省水利工程建設質(zhì)量與安全監(jiān)測中心,貴陽 550000)

0 引 言

通常情況下,防沖墻是一種設置在水工建筑物基底或水平護砌末端的垂直墻體結構,其作用是阻止水流淘刷對建筑物的地基及基礎安全造成不利影響,一般應用在水利樞紐工程中[1]。隨著我國鐵路、高速公路、大型水利樞紐等重大基礎設施建設工程的快速發(fā)展,跨河建筑物也越來越多。在此過程中,因大規(guī)模無序開發(fā)而導致的沙土塌陷,嚴重威脅到穿河建筑物的使用安全。穿河建筑物附近的河道采砂嚴重影響建筑物的穩(wěn)定性,由于大量開采而產(chǎn)生的采沙坑,不僅對河道的水、沙等動力學特性產(chǎn)生一定的影響,而且對鄰近建筑物造成一定的威脅。此外,穿河建筑物在洪澇災害下,還會受到砂石坑沖刷的影響,進而威脅到過江工程的整體安全。因此,對穿河建筑物的基礎安全監(jiān)測和保護加固是工程設計中的共性問題[2]。

南水北調(diào)中線工程途經(jīng)長江、淮河、黃河、海河四大流域, 與多條河流存在交叉,沿線有眾多穿河建筑物[3]。某工程是南水北調(diào)中線穿河的大型交叉建筑物,位于太行山前的沖洪積傾斜平原上,地勢寬闊而平坦。該工程的場區(qū)具有河谷地貌,呈寬淺型;工程上游河的高程范圍100.5～105m;工程下游處有一條寬約10m的人工堤,該堤將其分為北支與南支兩個部分。2012年,北京發(fā)生“7.21”強降雨洪災,造成該工程下游的結構外露[4]。同時,下游的砂石深坑對該工程的安全性造成較大的影響,因此還需對該工程的結構進行復核,并根據(jù)暗渠附近砂石深坑情況制定輸水暗渠防護加固方案。

1 南水北調(diào)中線工程穿河建筑物的透水防沖墻施工工藝研究

1.1 南水北調(diào)中線工程穿河建筑物防沖墻結構分析

南水北調(diào)中線工程穿河建筑物位于河南,屬于衛(wèi)河的海河盆地的一個分支。該工程是我國南方調(diào)水工程第一期工程總干渠的穿河建筑物[5]。初步設計時,該工程的河道縱坡約為0.003,并按照該縱坡對河床的一般沖刷影響設計了防沖護砌。計算工況為:暗渠一側因水流沖刷而出現(xiàn)的沖坑,由于暗渠結構的布置對稱,因此其基地的最大與最小應力公式如下:

(1)

式中:∑G為作用在暗渠上的全部豎向載荷;∑M為載荷對基礎地面形心軸的力矩;A為暗渠單寬底面面積;L為暗渠垂直方向的水流寬度;e為偏心距。

施工區(qū)域為平原型河流,近年來由于受砂石料大量開采的影響,與原本設計時相比,其河床的斷面等形態(tài)發(fā)生了極大的變化,導致河道洪水過程受到影響,因此需要計算復核下游河床的一般沖刷。本研究主要針對20年一遇及以下的洪水進行一般沖刷計算復核,河槽土的平均粒徑為52.45mm,主要河槽土沖刷的深度計算公式如下[6]:

(2)

式中:hmc、hc分別為河道的最大深度和平均深度;Bc為流經(jīng)河道的凈水流寬;Qc為設計的河道斷面流速;E為一個與洪季含沙有關的系數(shù);A為一種寬度流速的集中度;Dc為河道土壤的平均顆粒大小。

該工程經(jīng)“7.21”暴雨洪水沖刷后的下游河床縱坡約3%,因此在工程設計時,下游河床穩(wěn)定縱坡均可取3%。根據(jù)計算結果可以得出,南支防沖墻的沖刷影響線標高為54m,而北支防沖墻斷面上的則為46m。根據(jù)布氏理論,防沖墻的受力簡圖見圖1。

圖1 防沖墻受力體系簡化圖

圖1中,由力的平衡條件可知,在防沖墻下段的B點應當滿足∑MB=0,∑H=0。其中,∑MB為所有壓力對B點的總力矩;∑H為所有壓力對B點的總力。防沖墻的下游側懸空點與載荷密度為0點的高度差μ,與1.2倍的荷載密度為0點與防沖墻底B點高度差之和表示其嵌固的深度。Ep為被動壓力的一部分,是各種主動壓力之和。被動壓力反力的另一部分被P所取代。μ通過荷載密度為0的條件求出,通過對B點取矩,即可得到X。防沖墻的最大彎矩在墻剪力為0的位置,即C點處。當取∑Qc=0時,即可求得xm。再對C點進行求矩,即可求得防沖墻的最大彎矩Mmax。防沖墻的設計斷面包括圓形與矩形斷面兩種樣式,見圖2[7]。

圖2 北支河道矩形與圓形斷面透水防沖墻橫剖面簡圖

由圖2(a)可知,南支透水防沖墻的墻厚1.2m,高度18.5m。該墻全長257m,單元槽段的長度與間距分別為5.0、0.6m,共分為48聯(lián)。北支透水防沖墻的墻厚1.5m,高度25.0m。該墻全長為276m,單元槽段的長度與間距分別為4.5、0.6m,總共56聯(lián)。矩形截面防沖墻均采用沖擊鉆孔的方法,通過主孔鉆鑿與副孔劈打來施工[8]。

由圖2(b)可知,圓形斷面的南支透水防沖墻的墻厚1.5m,高度18.5m。該墻全長257m,總共設置138根圓樁,樁間距離0.5m。北支透水防沖墻直徑1.5m,高度25.0m。該墻全長276m,總共有138根圓樁,樁間距離0.5m。圓截面的防沖墻體都是通過旋轉鉆鑿和鋼管護壁的施工方式實現(xiàn)。矩形與圓形的斷面型式在工程造價上相差不大,斷面選擇取決于施工方式和進度。

1.2 南水北調(diào)中線工程穿河建筑物透水防沖墻施工方法

該工程的暗渠防沖墻主要分為南支與北支防沖墻兩部分。其中,南支透水防沖墻的墻厚1.5m,高度18.5m。該墻全長257m,共設置138根圓樁,樁間距離0.5m。北支透水防沖墻直徑1.5m,高度25.0m。該墻全長276m,總共有138根圓樁,樁間距離0.5m。

由于旋挖鉆孔和鋼筒護壁的施工方法具有速度快、污染少等優(yōu)點,因此將其作為透水防沖墻的主要施工方法,其工藝流程見圖3[9]。

圖3 旋挖鉆孔和鋼筒護壁的工藝流程

由圖3可知,該施工工藝是在鉆孔深1～3m的基礎上,利用鉆機的護筒式傳動裝置,將護筒式傳動裝置按下,進行垂直度的測量。在機架擺動和鉆桿跳動的情況下,則不再對護筒進行加壓。然后使用鉆頭取土,并使用校正液壓油缸對鉆桿的垂直度進行調(diào)整,以保證成孔的精度。在取土至離護筒的底部深度為1m時,則可開始接下一節(jié)護筒,并重復操作,直至設計樁的底高程,形成樁孔。當距離設計樁的深度為0.5m時,則通過旋轉鉆頭對孔底的浮土進行清除。最后將鋼筋籠放入孔中,并進行混凝土的澆筑工作。

首先需要進行的施工步驟是鉆孔。由于施工區(qū)域位于拒馬河沖洪積扇的上部,橫穿河的南支和北支,均為砂卵石地層,因此在造孔前先進行樁線定位。鉆孔設備選用SG35鉆機,在樁的位置被確認和檢查完畢后,立即將鉆機送至指定位置,并對鉆孔進行垂度調(diào)節(jié),以防止鉆孔出現(xiàn)偏斜。然后安裝護管,并取出鉆具,重復操作步驟,直至鉆孔完成為止。

第二個步驟是制備泥漿。在對泥漿進行攪拌時,應選擇膨潤土、高聚物等,并配備相應的水泥砂漿貯存工具。泥漿的配比視土層情況而定,泥漿的配合比見表1。此外,當遇到含鹽或化學污染時,則應配置專用的泥漿。膨潤土應充分水化,新拌制泥漿應被貯存一天以上。在使用循環(huán)泥漿之前,應對其進行出砂或沉淀處理。

表1 泥漿配合比及黏度

下一步驟是進行清孔與換漿,其目的是確保孔底的沉渣厚度與漿液符合設計要求。首先要保證孔的深度符合設計要求;其次要保證孔的直徑、垂直度、方位的精確性;最后再清除孔中的雜質(zhì)。當停止進尺后,略微提起鉆頭,讓其在距孔底10～20cm處空轉,且需保持泥漿流通順暢。以中等速度壓入密度在1.0～1.05g/m3的泥漿中,并替換掉鉆渣含量較高的泥漿,直到清除孔底所有鉆渣。鉆孔結束后,在放入鋼筋籠之前,應先對鉆孔直徑和鉆孔深度進行檢驗[10]。

然后制作鋼筋籠并進行安放。首先對鋼筋的表面進行鐵銹、油漆等清理,對鋼筋的原材料、直徑等參數(shù)進行嚴格控制。在處理鋼筋之前,要完成對下料清單的制定,對鋼筋進行焊接重疊,其焊縫長度要超過鋼筋直徑的10倍。在鋼筋加工車間,采用托架成型的方法,將鋼筋籠集起來,然后用掛車運輸至樁旁[11]。在清理完畢后,從50t履帶下面穿過鋼筋籠。圖4為混凝土的水下灌注過程。

圖4 水下灌注混凝土的過程

由圖4可知,在確保混凝土滿足要求后,利用管道法對其進行水下灌流。導管由0.3m的鋼管組成,標準管節(jié)長度為2～4m,短管長度一般為0.5～1.5m。導管布置在距離樁基150～250mm處,混凝土澆筑之前,導管內(nèi)部有一個直徑250mm的球形密封塞。在導管上方放置封口板,在灌注漏斗中裝入混凝土。在進漏斗時,應確保混凝土和易性良好,坍落度為18～22cm。在灌漿過程中,對管道中的水平面升高及混凝土沉降進行觀測。同時,記錄深入混凝土中的導管長度以及混凝土灌注的高程,嚴格控制導管的提升與拆除時序,詳細記錄導管在混凝土中的深度和澆筑高度,并對其吊裝和拆卸順序進行嚴格控制。在施工過程中,應逐步將導管提起,當其達到接頭外露口的合適高度后,再迅速拆卸1～2節(jié)導管,并將時間控制在0.25h之內(nèi)。在混凝土灌注完成后,遮蓋并防護樁頭。在滿足設計要求后,采用環(huán)切法對超高部分進行樁頭鑿除[12]。

2 結果分析

本次研究設計該工程的北支透水防沖墻直徑1.5m,高度25.0m。該墻全長276m,總共有138根圓樁,采用旋挖鉆孔和鋼筒護壁的施工方法。為了對比其與沖擊成孔施工方法的成孔功效,試驗選擇樁長20～30、30～40、40～50cm的圓樁,在非巖層、微風化巖層以及普通巖層中進行鉆孔對比。兩種施工方式的成孔功效見表2。

表2 旋挖和沖孔兩種成孔工效對比結果

由表2可知,旋挖鉆孔與沖擊成孔的工效均隨著圓樁孔的深度增加而有所提高,并且旋挖鉆孔的工效提升速度要比沖孔大。在3種不同的地質(zhì)層中,旋挖成孔的平均工效分別為22.27、30.64、9.95。表明成孔的深度越大,旋挖成孔的工效比沖孔工效越好。旋挖成孔與沖孔工效在微風化巖層區(qū)域施工時達到最大比值,為3.35。而二者在巖層與非巖層的施工環(huán)境中,旋挖成孔均比沖孔的施工工效好。

綜合而言,旋挖成孔方式在樁長較深、巖層豐富的條件下,能最大限度發(fā)揮其優(yōu)越性。因此,選用圓形斷面旋挖鉆孔與鋼筒護壁的施工方式滿足防沖墻工程的施工要求。圖5為工程的一般沖刷計算復核結果。

圖5 一般沖刷計算復核結果(單位:m)

由圖5(a)可知,南支河道的初步設計與計算復核隨著洪水頻率的增加,其一般沖刷深度逐漸降低。在洪水頻率為0.33%、1%、2%時,南支河道初步設計與計算復核一般沖刷深度相同,分別為2.34、1.91、1.40m;當洪水頻率大于10%時,南支河道的計算復核比初步設計的一般沖刷深度要大。

由圖5(b)可知,北支河道的初步設計與計算復核隨著洪水頻率的增加,二者一般沖刷深度的變化趨勢相同。在洪水頻率為0.33%、1%、2%時,北支河道初步設計與計算復核一般沖刷深度均呈下降趨勢;當洪水頻率為10%時,二者的一般沖刷深度均有明顯增加;在洪水頻率在10%～50%時,北支河道的計算復核與初步設計均呈下降趨勢;當遇到10年一遇的洪水災害時,下河受砂石的影響保持較低水位,河道的沖刷深度最大。

本研究對北支與南支河道進行透水防沖墻設計施工后,二者斷面的最大沖刷深度結果見圖6。

圖6 施工前后北支與南支河道防護墻各斷面沖刷深度

由圖6(a)可知,施工前的南支河道防護墻斷面的沖刷深度均比施工后的沖刷深度要大。施工前的最大沖刷深度7.06m,施工后的沖刷深度2.42m,二者相差4.64m;在施工前的南支河道防護墻斷面的最小沖刷深度2.98m,施工后的斷面沖刷深度1.63m,二者相差1.35m。施工前后,南支河道防沖墻的沖刷深度平均相差為2.62m。

由圖6(b)可知,施工前的北支河道防護墻斷面的沖刷深度均比施工后的沖刷深度要大。施工前的最大沖刷深度11.76m,施工后的沖刷深度7.13m,二者相差4.63m。在施工前的北支河道防護墻斷面的最小沖刷深度6.44m,施工后的斷面沖刷深度4.12m,二者相差2.32m。施工前后,南支河道防沖墻的沖刷深度平均相差為6.88m。

結果表明,對該工程南支和北支河道防護墻進行設計施工后,能有效增強防護墻的透水防沖性能。

3 結 論

本文對南水北調(diào)中線工程中的穿河建筑某工程進行了透水防沖墻的設計施工。結果顯示,在3種不同的地質(zhì)層中,旋挖成孔的平均工效分別為22.27、30.64、9.95,且旋挖成孔均比沖孔的施工工效好。因此,選用圓形斷面旋挖鉆孔與鋼筒護壁的施工方式滿足防沖墻工程的施工要求。南支河道防護墻斷面的沖刷深度均比施工后的沖刷深度要大,施工前后該河道防護墻斷面的沖刷深度相差1.35m。北支河道防護墻斷面施工前后的河道防沖墻沖刷深度平均相差為6.88m,表明研究的河道防護墻施工方法能有效增強防護墻的透水防沖性能。