【摘要】漏斗式沉砂池為一種新型沉砂池,具有分砂效果好,節(jié)約用水,經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn),尼泊爾上馬相迪A水電站設(shè)計(jì)使用的沉砂池為直徑50m、深10m的漏斗式結(jié)構(gòu),是一項(xiàng)首次在尼泊爾使用的新技術(shù)應(yīng)用,我單位首次施工該類(lèi)型沉砂池,項(xiàng)目成功實(shí)施意義重大。本文結(jié)合該沉砂池開(kāi)挖技術(shù)、混凝土施工技術(shù)研究和實(shí)施情況進(jìn)行總結(jié),豐富和填充我公司這這方面的空白,并為后續(xù)類(lèi)似工程參考和借鑒。
【關(guān)鍵詞】圓形;漏斗式;沉砂池;施工技術(shù)
1、基本概況
1.1 工程概況
上馬相迪A水電站位于尼泊爾西部GANDAKI地區(qū)馬相迪河的上游河段上,是一座以發(fā)電為主的徑流引水式樞紐工程。工程主要由泄水閘壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。
引水系統(tǒng)沉砂池位于引水渠末端右側(cè),是一個(gè)坐落在砂卵石基礎(chǔ)上的無(wú)蓋自重式圓形漏斗式沉砂池,泥沙在渦流作用下依靠自重流入排沙廊道。沉砂池與明渠連接端設(shè)計(jì)有一個(gè)凈孔寬度×高度=8m×4m的控制閘,與引水渠控制閘并列布置,閘前段底板高程為1m;沉砂池末端設(shè)計(jì)一個(gè)寬度和高度均為2m的排沙閘。沉砂池靠近明渠側(cè)設(shè)計(jì)有半圓區(qū)域的懸板結(jié)構(gòu),寬度8m,厚度25cm,懸板共4塊組成,16根立柱對(duì)懸挑端進(jìn)行支撐,銅片縫中安裝止水銅片;斗室內(nèi)徑50m,室底為錐形,底坡1∶6,漏斗底部中央設(shè)直徑為1m的排砂底孔,排砂廊道位于漏斗底部右側(cè),為2.6m×1.5m的矩形結(jié)構(gòu),與排砂底孔相接。
沉砂池漏斗區(qū)域原始地面高程為EL902~904,底板開(kāi)挖高程為EL888.95。漏斗結(jié)構(gòu)邊墻高程EL904,漏斗底板及邊墻頂寬厚度80cm;懸板在沉砂池左側(cè)半圓區(qū)域高程EL900,暗涵閘側(cè)溢流堰高程EL 902。
1.2 研究背景
過(guò)去解決灌溉和引水發(fā)電等的沙害問(wèn)題,主要采用由原蘇聯(lián)引入的曲線型沉沙池和廂型沉沙池等排沙設(shè)施,可這些設(shè)施只能排除引水中的小部分來(lái)沙,但排沙耗水量卻要占到引水量的30%左右,長(zhǎng)期使用設(shè)施維修工作量大。
新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電設(shè)計(jì)研究院的周著教授等人發(fā)明的專(zhuān)利圓形漏斗式排沙技術(shù)利用排水漏斗技術(shù)的三維漏斗渦流特性所獨(dú)有的水沙分離作用,水沙分離作用顯著。
圓形漏斗式沉砂池為一種新型沉砂池,具有分砂效果好,節(jié)約用水,經(jīng)濟(jì)環(huán)保的特點(diǎn),在我國(guó)新疆、陜西已有應(yīng)用,有較廣闊的應(yīng)用前景。
上馬相迪A水電站工程引水渠沉砂池在鑒于馬相迪河道年輸沙量912萬(wàn)t,推移質(zhì)含量211萬(wàn)t的泥沙工況下進(jìn)行設(shè)計(jì)使用,沉砂池直徑50m、深10m的漏斗式結(jié)構(gòu)沉砂池,位于引水渠末端右側(cè),屬于無(wú)蓋自重式圓形漏斗式沉砂池,泥沙在渦流作用下依靠自重流入排沙廊道,為一項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用。
沉砂池結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)小型水電站和農(nóng)田灌漿中中也有使用,圓形漏斗式結(jié)構(gòu)首次使用,且在尼泊爾國(guó)家首屬。
1.3 結(jié)構(gòu)使用原理
(1)根據(jù)沉砂池的設(shè)計(jì)原理,在枯水期根據(jù)河道泥沙情況關(guān)閉沉砂池控制閘,利用引水渠控制閘過(guò)水,根據(jù)正常發(fā)電水位進(jìn)行蓄水發(fā)電。
(2)在洪水期或河道泥沙明顯增多時(shí),關(guān)閉引水渠控制閘,開(kāi)啟沉砂池控制閘,在進(jìn)行水流夾帶的泥沙排放同時(shí)進(jìn)行蓄水,當(dāng)沉砂池中水位超過(guò)EL900高程時(shí)水流入引水渠,根據(jù)正常發(fā)電水位進(jìn)行發(fā)電。
(3)適量開(kāi)度的開(kāi)啟沉砂池排沙閘,進(jìn)行正常發(fā)電水位的控制;當(dāng)尼泊爾電網(wǎng)系統(tǒng)突然故障等異?,F(xiàn)象出現(xiàn),或引水渠水位超過(guò)溢流堰EL902高程時(shí),多余水量通過(guò)溢流堰自然排放。
1.4 研究目的
(1)、本沉砂池鑒于馬相迪河道年輸沙量912萬(wàn)t,推移質(zhì)含量211萬(wàn)t的情況下使用,通過(guò)本工程的成功實(shí)施,為尼泊爾區(qū)域后續(xù)項(xiàng)目和類(lèi)似河道排沙設(shè)計(jì)提供借鑒。
(2)、有效完成沉砂池土石方開(kāi)挖,減少基礎(chǔ)面的擾動(dòng);提高混凝土成型質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)漏斗結(jié)構(gòu)表面外觀平整光滑,墻體平順、結(jié)構(gòu)無(wú)裂縫和滲漏水現(xiàn)象。
(3)、解決技術(shù)問(wèn)題同時(shí)豐富和填充公司施工技術(shù)空白。
2、沉砂池開(kāi)挖施工
2.1 開(kāi)挖分層
本沉砂池開(kāi)挖深度15.5m,主要以砂卵石結(jié)構(gòu)為主,且含有不少孤石。按照漏斗結(jié)構(gòu)從上到下分三層,第一層為漏斗893.737m高程以上部分,第二層為EL893.737m~EL890.3m高程之間的漏斗錐體形斗室,第三部分為EL890.3以下的排沙廊道部分。
2.2 主要開(kāi)挖方法
(1)、第一層采用PC220反鏟、20t自卸汽車(chē)“自上而下、分層分段”進(jìn)行開(kāi)挖。
(2)、第二層即錐形體斗室部分的土石方開(kāi)挖,利用PC220和PC330反鏟自漏斗室中心向四周進(jìn)行開(kāi)挖。底板開(kāi)挖時(shí)預(yù)留厚度為10~20cm左右的保護(hù)層,結(jié)構(gòu)混凝土施工前由人工進(jìn)行修整開(kāi)挖,確保原狀基礎(chǔ)不受擾動(dòng)。
(3)、排砂廊道層開(kāi)挖時(shí)利用PC330反鏟從排沙閘側(cè)逐步開(kāi)挖至漏斗底端,然后由內(nèi)到外進(jìn)行修坡成型。排砂廊道基礎(chǔ)開(kāi)挖時(shí)溝槽兩側(cè)結(jié)構(gòu)線外擴(kuò)挖50cm,按1∶1~1∶1.5進(jìn)行邊坡開(kāi)挖,以確保穩(wěn)定和便于施工。
2.3 孤石處理
(1)、現(xiàn)場(chǎng)條件:因沉砂池結(jié)構(gòu)距離村民居住區(qū)不足30m,先用PC300反鏟配合推土機(jī)將開(kāi)挖區(qū)的大塊石移至遠(yuǎn)離居住區(qū)的開(kāi)挖面外,然后利用手風(fēng)鉆鉆孔爆破處理。
(2)、孤石爆破工藝流程:?jiǎn)慰變?nèi)裝一個(gè)藥卷 → 孤石周邊用鉛絲籠網(wǎng)包裹 → 沙袋覆蓋 → 鉛絲網(wǎng)底部錨固固定 → 安全警戒、鳴笛警報(bào)、爆破 → 安全檢查及解除警報(bào)。
(3)、具體措施:孤石爆破以“小藥量、松動(dòng)爆破”為原則,采用單孔內(nèi)裝一個(gè)藥卷、孤石周邊用鉛絲籠網(wǎng)包裹、沙袋覆蓋、鉛絲網(wǎng)底部用鋼筋錨固固定的措施,最大限度控制爆破飛石。鉆爆孔徑40mm,孔間排距0.5~1.0m,單耗q=0.10~0.15kg/m3,孔深、孔數(shù)、孔向均根據(jù)孤石形狀進(jìn)行調(diào)整。
3、結(jié)構(gòu)混凝土施工
3.1澆筑順序
根據(jù)分縫分塊要求從下向上分分三部分施工,即“排沙廊道層、漏斗錐體室層、漏斗上部墻體層”,底板施工前先完成墊層澆筑。
根據(jù)沉砂池環(huán)向和徑向施工縫設(shè)計(jì),從下到上依次按“排沙廊道 → 漏斗底孔 和廊道頂部漏斗錐坡底座 → 漏斗底室第一環(huán)向伸縮縫內(nèi)段整體澆筑 → 以徑向和環(huán)向分縫進(jìn)行漏斗底室第二區(qū)域底板澆筑 → 漏斗上部墻體底部基礎(chǔ) → 漏斗上部墻體、同步完成懸板支撐立柱 → 懸板” 順序進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工。
3.2分層分塊
(1)、排沙廊道結(jié)構(gòu)共4段,每段按分“底板、兩側(cè)墻體及頂板”兩層,在沉砂池漏斗式影響段內(nèi)布置3段。
(2)、漏斗室底板共按三個(gè)區(qū)13塊,第一區(qū)為墻體基礎(chǔ)區(qū)域底板,第二區(qū)為邊墻基礎(chǔ)與漏斗式底板之間區(qū)域底板,第三區(qū)為漏斗式底部底板。
(3)、漏斗墻體結(jié)合底板共分8段,每段墻體根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分三層。
(4)、懸板分4塊,在邊墻澆筑完成后從下游側(cè)開(kāi)始澆筑,最后與沉砂池進(jìn)水箱涵頂板一同澆筑,該區(qū)域?yàn)檎w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
3.3工藝流程
沉砂池混凝土施工主要按照“測(cè)量放樣---基礎(chǔ)面清理及處理---墊層澆筑----插筋布置/鋼筋制安----止水安裝----模板安裝加固---混凝土澆筑----混凝土養(yǎng)護(hù)”工藝流程施工,其中分層澆筑時(shí)進(jìn)行縫面的鑿毛和清理,底板縫面之間在模板加固完成后進(jìn)行縫面加強(qiáng)連接鋼筋安裝。
3.4混凝土施工
3.4.1墊層混凝土
每一段底板設(shè)計(jì)10cm厚C15墊層,墊層混凝土在每一段底板具備施工條件時(shí)開(kāi)挖修整預(yù)留保護(hù)層,澆筑時(shí)利用罐車(chē)直接進(jìn)倉(cāng)卸料,人工進(jìn)行平整,振動(dòng)梁振搗,木抹子收面成毛面,通過(guò)布置高程標(biāo)樁和控制拉線來(lái)嚴(yán)格控制澆筑高程和表面平整度。
3.4.2結(jié)構(gòu)混凝土
沉砂池結(jié)構(gòu)主要有排沙廊道、漏斗底板及錐坡、漏斗墻體、控制閘和排沙閘結(jié)構(gòu)組成。
3.4.2.1模板
沉砂池結(jié)構(gòu)基本以曲面為主,從加工安裝、拆除便利、有效控制成本等方面考慮,所有永久外露面采用1.22m×2.44m×15mm竹膠板,所有縫面采用1.00m×2.00m×9mm竹膠板;針對(duì)懸板支撐立柱,制作2套半圓組合的柱體鋼模板。
墻體部分以50m直徑的圓體,內(nèi)外墻體模板均存在圓弧度問(wèn)題,為便于調(diào)整和提高觀感質(zhì)量,利用Φ25mm鋼筋做為模板弧帶。
所有模板加固全部采用直徑14mm的拉桿,間排距以70cm進(jìn)行定位開(kāi)孔。
3.4.2.2鋼筋
沉砂池底板鋼筋主要以Φ25mm為主,邊墻以Φ25mm和Φ16mm為主;所有鋼筋的加工制作嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖及規(guī)范要求進(jìn)行,鋼筋保護(hù)層3cm~5cm。
3.4.2.3縫面處理
沉砂池排沙廊道、所有底板及每一段墻體之間均按結(jié)構(gòu)縫設(shè)計(jì),單段墻體根據(jù)澆筑層高按照施工縫處理。
結(jié)構(gòu)縫設(shè)置在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)20cm處,縫內(nèi)設(shè)置1.2mm厚銅止水;為確??p面止水安裝質(zhì)量及不均勻沉降引起的明顯止水拉裂,在伸縮縫處增設(shè)1.6m長(zhǎng)Φ16@50cm拉結(jié)筋,兩端各插入80cm;結(jié)構(gòu)縫縫寬2cm,縫內(nèi)填塞柔性板。
施工縫主要在底板與墻體及墻體分層面上,在混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5Mpa時(shí)(一般在澆筑結(jié)束5~6小時(shí))進(jìn)行縫面沖毛處理;為提高縫內(nèi)強(qiáng)敵,在上層澆筑之前鋪設(shè)高一個(gè)標(biāo)號(hào)的流動(dòng)性好的砂漿層,以提高粘結(jié)強(qiáng)度。
3.4.2.4混凝土澆筑
沉砂池漏斗內(nèi)的底板和所有邊墻的厚度基本在80cm~120cm之間,其中頂部懸板厚度25cm,懸板支撐立柱直徑為40cm。16根支撐立柱的澆筑結(jié)合結(jié)構(gòu)邊墻的澆筑順帶進(jìn)行,每次澆筑2根,在墻體澆筑完成前完成立柱施工。
為提高沉砂池混凝土澆筑的連續(xù)性,并便于下料澆筑和料頭壓料控制,從排沙廊道至墻體澆筑結(jié)束,全部采用泵送混凝土,本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際全部采用汽車(chē)泵進(jìn)行泵送澆筑。結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)C25,二級(jí)配,塌落度12cm~14cm。
漏斗底板澆筑均從底部漏斗中心開(kāi)始從內(nèi)向外的擴(kuò)散澆筑,錐坡底板和頂部懸板均從短邊開(kāi)始,墻體從一側(cè)向另一側(cè)按40~50cm為一層進(jìn)行下料。
排沙廊道混凝土施工完成,且具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行廊道上部的底座施工,底座基礎(chǔ)回填至EL893.5高程時(shí)開(kāi)始廊道側(cè)漏斗底板混凝土施工。
3.4.3混凝土養(yǎng)護(hù)及防裂
所有底板及墻體結(jié)構(gòu)主要采用流水養(yǎng)護(hù)措施;懸板支撐立柱在模板拆除后,經(jīng)過(guò)一遍灑水后采用塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù);懸板結(jié)構(gòu)因厚度只有25cm,且兩端懸板設(shè)計(jì)有直徑4cm的懸板通氣孔,為防止?jié)仓蟊砻娉霈F(xiàn)龜裂等現(xiàn)象,混凝土收面完成后覆蓋塑料薄膜,然后在表層小量流水養(yǎng)護(hù)。
4、結(jié)構(gòu)壓重回填
本沉砂池結(jié)構(gòu)坐落在砂卵石基礎(chǔ)上,且沉砂池底部在地面以下,施工期間分階段對(duì)結(jié)構(gòu)EL900高程以下進(jìn)行了壓重回填。
4.1 排沙廊道及底板基礎(chǔ)
排沙廊道澆筑完成后廊道兩側(cè)空間狹小,只能用小型碾壓設(shè)備進(jìn)行回填壓實(shí),為確保排沙廊道兩側(cè)的回填強(qiáng)度,保證排沙廊道的穩(wěn)定性;從便于質(zhì)量控制,進(jìn)度可控等方面考慮排沙廊道1-3段兩側(cè)(即沉砂池結(jié)構(gòu)下部)全部利用C15混凝土回填;Ⅱ-3段底板底部采用C15拋石混凝土整體澆筑,取代原有設(shè)計(jì)廊道頂部與底板之間設(shè)計(jì)的M7.5漿砌石基礎(chǔ)。
4.2 沉砂池周邊回填
沉砂池結(jié)構(gòu)施工完成后,在引水渠充水前30天完成沉砂池周邊EL 900以下的砂卵石回填,回填時(shí)在自然沉降的同時(shí)按50cm一層進(jìn)行攤鋪壓實(shí)。
5、關(guān)鍵施工技術(shù)
5.1薄壁混凝土施工質(zhì)量控制
(1)加大砂石骨料質(zhì)量檢測(cè),校核混凝土拌和系統(tǒng)稱(chēng)量系統(tǒng),嚴(yán)格按配合比拌制混凝土。
(2)按照樣板工程進(jìn)行鋼筋制安,確保保護(hù)層等質(zhì)量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),
(3)采用泵送混凝土保證混凝土澆筑的連續(xù)性,塌落度控制在12cm~14cm。
(4)底板澆筑均從圍繞漏斗中心從內(nèi)向外的擴(kuò)散澆筑;錐坡底板和頂部懸板均從短邊開(kāi)始;墻體從一側(cè)向另一側(cè)按40~50cm為一層進(jìn)行下料。
(5)所有底板及墻體結(jié)構(gòu)主要采用流水養(yǎng)護(hù)措施;懸板支撐立柱采用塑料薄膜包裹養(yǎng)護(hù),為防止?jié)仓蟊砻娉霈F(xiàn)龜裂等現(xiàn)象,混凝土收面完成后覆蓋塑料薄膜,然后在表層小量流水養(yǎng)護(hù)。
(6)澆筑時(shí)段避開(kāi)夏季中午時(shí)段。
5.2防磨蝕改進(jìn)
結(jié)合河道泥沙含量高(沉砂池內(nèi)約2kg/m3)、維修工作只能在泄水不發(fā)電期間進(jìn)行的實(shí)際特點(diǎn),研究對(duì)沉砂池底部排沙廊道、漏斗底孔、16根懸板立柱的原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)表面(原混凝土強(qiáng)度C25)采用NE型彈性環(huán)氧砂漿進(jìn)行防沖耐磨加強(qiáng),加固厚度12mm。
經(jīng)過(guò)兩個(gè)汛期的運(yùn)行和考驗(yàn),所有立柱及底孔廊道均無(wú)明顯沖蝕破壞,確保了正常發(fā)電。
6、應(yīng)用情況
(1)、2014年底完成沉砂池底板預(yù)留保護(hù)層外的開(kāi)挖,基礎(chǔ)保護(hù)層未受擾動(dòng),原狀基礎(chǔ)地基承載力390KN/m2,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)280~320Kpa,未做其他處理。
(2)、2015年1月份開(kāi)始排沙廊道等結(jié)構(gòu)混凝土施工,2015年6月14日完成13塊底板,受“尼泊爾4.25地震 + 5.12地震”影響,2015年9月5日完成4塊懸板澆筑,2015年11月4日完成沉砂池結(jié)構(gòu)混凝土施工。
(3)、2016年8月對(duì)沉砂池和引水系統(tǒng)進(jìn)行充排水試驗(yàn),沉砂池蓄水至EL901.25m時(shí)穩(wěn)壓觀測(cè)24h,然后連通引水系統(tǒng)穩(wěn)壓觀測(cè)48h,最后通過(guò)沉砂池排沙閘進(jìn)行放空。通過(guò)對(duì)沉砂池墻體每隔4h進(jìn)行位移、沉降觀測(cè)和蓄水穩(wěn)壓期間的滲漏情況巡視,以及放空檢查,沉砂池墻體及底板無(wú)滲漏現(xiàn)象;沉砂池周邊回填區(qū)域無(wú)沉降變形現(xiàn)象。
(4)、2016年9月沉砂池沉砂池投入工程使用,根據(jù)對(duì)施工期間埋設(shè)的10個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行半年多的觀測(cè)分析,測(cè)點(diǎn)水平位移變形速率最大+0.009mm,最小-0.0001mm,累計(jì)0.64mm;垂直位移變形速率最大+0.010mm,最小-0.003mm,累計(jì)0.5mm;從位移曲線圖分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值和垂直位移值呈一條上下波動(dòng)的曲線,沒(méi)有明顯朝一個(gè)方向位移趨勢(shì),可以判定沉砂池結(jié)構(gòu)無(wú)不均勻沉降和位移變形。
(5)、整個(gè)沉砂池?zé)o位移、沉降、滲漏水等現(xiàn)象,成為工程觀賞點(diǎn)。
作者簡(jiǎn)介:陳雪湘:1982年01月,土族,青海民和人,大學(xué)本科,高級(jí)工程師,一級(jí)建造師;主要從事水電相關(guān)工程工程。