北部引嫩泄洪閘工程基礎(chǔ)壓重施工技術(shù)剖析

劉長(zhǎng)彬，李永奎，劉 英

(黑龍江省水利水電工程總公司，黑龍江綏化152000)

1 工程概況

北引泄洪閘工程位于尼爾基水庫(kù)下游25 km的嫩江主江道上。其閘址在156.10～159.32 m以下為承壓水，承壓水水頭高8.60～11.40 m。頂板埋深為12.80～13.40 m，相對(duì)不透水層之上為地表潛水。在閘基礎(chǔ)工程施工過(guò)程中，為防止相對(duì)不透水層不被承壓水層刺穿而產(chǎn)生地基土層突涌或上浮，在閘基礎(chǔ)開(kāi)挖相對(duì)較深的閘室及消力池部位實(shí)施水下封底混凝土蓋重措施。

根據(jù)閘基處的嫩江水位及承壓水上部的蓋重，設(shè)計(jì)水下封底混凝土的分布為:①泄洪閘閘室Ⅰ、Ⅱ區(qū)的建基面之下水下封底混凝土厚度分別為1.00 m、0.50 m，面積均為120.25 m×16.5 m;②消力池Ⅰ區(qū)水下封底混凝土厚度為2.30 m、Ⅱ區(qū)為1.30 m、Ⅲ區(qū)為0.50 m，其面積分別為120.25 m×37.5 m、54.88 m×37.5 m、62.37 m×37.5 m。詳見(jiàn)“附圖1泄洪閘基礎(chǔ)混凝土封底平面布置圖”。

圖1 泄洪閘基礎(chǔ)混凝土封底平面布置圖

按照設(shè)計(jì)意圖，封底混凝土的目的為將基底的承壓水層上部的部分土體換為有強(qiáng)度和一定密度的混凝土基底蓋重，在施工底板混凝土?xí)r，防止基坑內(nèi)抽干水后，由于地下承壓水的作用可能發(fā)生黏土層突涌或被抬動(dòng)而擾動(dòng)閘基。

2 水下封底混凝土增重措施

2.1 水下封底混凝土

承壓水上部的蓋重部分混凝土及土體的濕容重分別按2.30 g/cm3、1.90 g/cm3計(jì)，安全系數(shù)取1.05計(jì)算，相對(duì)不透水層的底高程為156.00 m，根據(jù)泄洪閘基坑開(kāi)挖及底板混凝土施工水位關(guān)系推算承壓水頭與其上部壓重的關(guān)系。消力池在施工時(shí)，如江水水位達(dá)到174.00 m以上，需在封底混凝土的基礎(chǔ)上再采取必要的配重措施。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，消力池Ⅰ區(qū)(ZZ11、ZZ14地質(zhì)孔)的相對(duì)不透水層的頂高程為158.78 m，相對(duì)不透水層至開(kāi)挖底高度為4.72 m，原狀土壓水層相對(duì)水頭8.97 m，封底混凝土壓水層相對(duì)水頭5.29 m，消力池鋼筋混凝土施工時(shí)相對(duì)水頭13.58 m?；娱_(kāi)挖時(shí)圍堰內(nèi)外的水頭差不能高于4.25 m。消力池底板澆筑時(shí)承壓水層的承壓水水位不應(yīng)高于172.36 m。消力池Ⅱ區(qū)(ZZ13地質(zhì)孔)的相對(duì)不透水層頂高程為158.31 m，按此方法計(jì)算，消力池底板澆筑時(shí)承壓水層的承壓水水位不應(yīng)高于172.36 m。消力池Ⅲ區(qū)(ZZ12地質(zhì)孔)的相對(duì)不透水層頂高程為156.83 m，按此方法計(jì)算，消力池底板澆筑時(shí)承壓水層的承壓水水位不應(yīng)高于172.52 m。

閘室Ⅰ區(qū)(ZZ10地質(zhì)孔)的相對(duì)不透水層的頂高程為159.34 m，閘室底板鋼筋混凝土在進(jìn)行澆筑時(shí)承壓水層的承壓水水位不應(yīng)高于173.58 m。

閘室Ⅱ區(qū)(ZZ13地質(zhì)孔)的相對(duì)不透水層的頂高程為158.31 m，閘室底板鋼筋混凝土在進(jìn)行澆筑時(shí)承壓水層的承壓水水位不應(yīng)高于174.23 m。

從以上計(jì)算可以看出，在進(jìn)行底板鋼筋混凝土施工時(shí)要保證在干地施工，必須進(jìn)行配重才可保證施工安全及工程安全。

2.2 水下封底混凝土增重措施

該工程的施工工期較緊，在保證封底混凝土足夠重量的前提下，而且還能減少施工難度，加快工期，經(jīng)過(guò)多次咨詢(xún)有關(guān)專(zhuān)家，計(jì)劃將消力池Ⅰ區(qū)的封底混凝土厚度變?yōu)?.30m厚，即底高程與消力池Ⅱ區(qū)相一致。擬采取的方案為將消力池Ⅰ區(qū)封底混凝土中摻加鐵礦石增重的施工技術(shù)措施。

按照等重量換算的原理，消力池Ⅰ區(qū)下部混凝土工程量為4 600 m3，換算成重量為11 039 t。將下部混凝土等同重量采用鐵礦石摻加到上部1.03 m厚混凝土中，這樣即減少了消力池Ⅰ區(qū)水下砂礫料開(kāi)挖的深度，又保證了消力池Ⅰ區(qū)封底混凝土的實(shí)際功效，可確?；蚬て谔崆?。

2.3 方案比較

從地層結(jié)構(gòu)上分析，在165.08 m以下為低液限黏土，按設(shè)計(jì)需開(kāi)挖1.48 m黏土層，深水水下開(kāi)挖黏土功效極低，且可能延誤工期。減少水下黏土的開(kāi)挖量，對(duì)于降低在施工過(guò)程中產(chǎn)生新的淤泥層，確?；A(chǔ)工程質(zhì)量大有益處。普通混凝土的濕容重為2.30 g/cm3，澆注1.00 m厚的混凝土只能提高0.40 m的水頭，而采用鐵礦石重混凝土效果顯著。

兩種方案的經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析見(jiàn)表1。

綜上技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，采用鐵礦石重混凝土進(jìn)行消力池Ⅰ區(qū)水下蓋重施工是合理的，故推薦采用。

3 基礎(chǔ)應(yīng)急配重措施

分析多年泄洪閘工程閘址江段的水文資料，該處在枯水期的江水水位亦在174.00 m以上，且由于距尼爾基水庫(kù)只有25 km，尼爾基水庫(kù)每天16:00～19:00發(fā)電調(diào)峰放水，短時(shí)發(fā)電放水洪峰致使本江段的水位漲落在0～1.0 m左右，所以一年四季本江段的水位都不低于174.00 m，根據(jù) 156.00～159.00 m以下承壓水頭情況，在澆筑基礎(chǔ)鋼筋混凝土過(guò)程中必須進(jìn)行配重，才能保證基坑不發(fā)生突涌或上浮。

表1 水下混凝土與鐵礦石重混凝土兩種方案經(jīng)濟(jì)比較分析表

外江水位按照176.00 m計(jì)算，泄洪閘閘室底板施工時(shí)不需要配重，消力池底板施工時(shí)需要進(jìn)行配重。配重計(jì)算為11.77 m高水頭，即消力池區(qū)底板施工時(shí)配重1.77 t/m2。擬采取的3種配重措施方案如下:

3.1 廢鋼鐵的配重措施(方案1)

在封底混凝土澆筑完成后，當(dāng)混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，在封底混凝土上拋投鐵錠進(jìn)行壓重，根據(jù)上面計(jì)算，封底混凝土上配重1.77 t/m2鐵錠。消力池封底混凝土的面積為8 906.25 m2，需要配重鐵錠15 764 t。每噸鐵錠的施工價(jià)格按照4 000.00元/t計(jì)算，如不計(jì)回收需要投入6 305.6萬(wàn)元。

3.2 鐵礦石配重措施(方案2)

在封底混凝土上拋投鐵礦石進(jìn)行壓重，根據(jù)上面計(jì)算，封底混凝土上配重1.77 t/m2鐵礦石。消力池封底混凝土的面積為8 906.25 m2，需要配重鐵礦石15 764 t。每噸鐵礦石的施工價(jià)格按照700.00元/t計(jì)算，需要1 103.48萬(wàn)元。

3.3 塊石配重措施(方案3)

在封底混凝土上拋投大塊石進(jìn)行壓重，根據(jù)上述計(jì)算，封底混凝土上配重1.77 t/m2塊石。消力池封底混凝土的面積為8 906.25 m2，需要配重塊石15 764 t，換算成體積為1.1 m3。每噸塊石的施工價(jià)格按照120.00元/t計(jì)算，需要189.17萬(wàn)元。

3.4 方案比選

措施方案1較容易施工，對(duì)工程安全及質(zhì)量都有保證，但需要增加投資量大，不經(jīng)濟(jì)，不宜采用;方案3需要投資量最小，水下投放、拆除的塊石工程量大，且拋投1.10 m厚的塊石后，再無(wú)法進(jìn)行底板鋼筋混凝土施工，不切合實(shí)際;方案2資金投用介于方案1與方案3之間，工程量也不大，在實(shí)施過(guò)程中又方便施工，且于8月中下旬就可進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工，較原方案提前主體底板工程施工1個(gè)月左右，故推薦此方案二。即在基礎(chǔ)鋼筋混凝土施工時(shí)，采用鐵礦石進(jìn)行基礎(chǔ)配重施工方案。

4 封底混凝土施工

4.1 施工方案

該工程的封底混凝土均為水下混凝土，水下封底混凝土的工程量為3.7萬(wàn)m3，水下混凝土采取導(dǎo)管法施工，采用0.5 m3拌合站拌制混凝土，THB－80混凝土輸送泵水平運(yùn)輸，施工見(jiàn)圖2。水下混凝土澆灌時(shí)分區(qū)分塊進(jìn)行，先開(kāi)挖較高的部位，澆灌混凝土后，再實(shí)施較低的部位，即閘室Ⅰ區(qū)→閘室Ⅱ區(qū)→消力池Ⅰ區(qū)→消力池Ⅱ區(qū)→消力池Ⅲ區(qū)，防止?jié)补噍^高部位水下混凝土?xí)r覆蓋較低部位。

當(dāng)基坑按規(guī)劃區(qū)段開(kāi)挖完成后，經(jīng)監(jiān)理工程師驗(yàn)槽合格，開(kāi)始準(zhǔn)備澆筑混凝土。每個(gè)施工區(qū)域從中間開(kāi)始向兩岸分兩個(gè)工作面同時(shí)背相推進(jìn)，共計(jì)設(shè)4個(gè)作業(yè)面。每個(gè)作業(yè)面設(shè)一個(gè)6 m×8 m工作平臺(tái)，共需4個(gè)工作平臺(tái)。每套混凝土泵配置一套浮排，保證混凝土輸送管在水面上按混凝土澆注順序進(jìn)行排列?；炷翝沧⒆鳂I(yè)平臺(tái)及浮排結(jié)構(gòu)及排列方式見(jiàn)圖2。

配備4套浮箱，浮箱采用鋼板制作，結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)0.8 m，寬0.6 m，浮箱之間采用槽鋼連接，每個(gè)浮箱之間的間距為1.0 m，浮箱共計(jì)2排，在浮箱上滿(mǎn)鋪木跳板。2條工作船，混凝土泵管通過(guò)水上浮箱直接到達(dá)混凝土澆筑部位，混凝土澆筑部位設(shè)一個(gè)澆筑平臺(tái)，澆筑平臺(tái)同樣采用浮箱制作，平臺(tái)上預(yù)留混凝土下料用漏斗孔，漏斗間距為3 m，以便混凝土泵管澆筑下料。

圖2 封底混凝土澆筑平面布置示意圖

1)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。為配制水下自密實(shí)、自流平混凝土，①混凝土的骨料級(jí)配采用連續(xù)級(jí)配，有利于混凝土的自密實(shí);②參加外加劑—混凝土絮凝劑，提高在水下抗分散能力;③摻加減水劑及粉煤灰，在保證水灰比的前提下，增大混凝土的坍落度及塌擴(kuò)度，提高其工作性能，滿(mǎn)足自流平的要求。

2)混凝土水平運(yùn)輸采用泵送至施工作業(yè)平臺(tái)上的料斗內(nèi)，平臺(tái)上的混凝土通過(guò)漏斗及導(dǎo)管至水下混凝土澆注倉(cāng)面。每個(gè)作業(yè)平臺(tái)上設(shè)有4個(gè)漏斗和4副配套DN150鋼制導(dǎo)管，隔離球采用橡膠球。導(dǎo)管在使用前應(yīng)進(jìn)行密閉實(shí)驗(yàn)，密閉良好的導(dǎo)管方可用于工程施工中;在進(jìn)行混凝土澆筑過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生堵管時(shí)，導(dǎo)管只能上下活動(dòng)，不能左右移動(dòng);開(kāi)始澆筑時(shí)導(dǎo)管應(yīng)距離水下地基面10 cm，澆筑過(guò)程中導(dǎo)管口采用手拉葫蘆控制，不能露出混凝土面。

3)在澆灌混凝土之前，應(yīng)用抽砂船對(duì)基底進(jìn)行全面清理，抽出表面浮渣或淤泥，控制基底沉渣厚度在10 cm以?xún)?nèi)。

4)嚴(yán)格控制混凝土坍落度，使其自然流淌，混凝土能夠在水下自然攤平。水下混凝土澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間不能間斷，澆灌設(shè)備至少2套以上;

5)水下混凝土澆筑過(guò)程中必須設(shè)專(zhuān)職測(cè)量人員隨時(shí)跟蹤施測(cè)，以保證混凝土澆筑的設(shè)計(jì)高程;水下混凝土高程控制可以采用測(cè)繩或自制刻度尺進(jìn)行，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)水面高程。

6)混凝土澆筑高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)高程10 cm，以保證清楚其強(qiáng)度低的表層混凝土。

4.2 水下混凝土施工注意事項(xiàng)

［1］ 水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.北京:中國(guó)城市出版社，1999.