西霞院水下修復(fù)工程超大方量混凝土施工工藝探討

吳金偉，江志安，崔溦，王宇，王利新

（1.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津301700；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300350）

受環(huán)境要素、荷載條件及材料劣化影響，水利工程的長(zhǎng)久運(yùn)行會(huì)不可避免帶來(lái)各種病害，隨著我國(guó)水利工程由建設(shè)高峰轉(zhuǎn)入常態(tài)化，水工建筑物的修復(fù)加固將成為今后很長(zhǎng)時(shí)期的重要任務(wù)[1-4]。水利工程運(yùn)行條件復(fù)雜，尤其是水下結(jié)構(gòu)物屬半隱蔽工程，其病害探測(cè)、修復(fù)工藝、質(zhì)量檢測(cè)與陸上干地條件顯著不同，具有較為明顯的特點(diǎn)和難點(diǎn)：①受水介質(zhì)影響，基于水泥基的修復(fù)材料需充分發(fā)揮抗分散性、快速凝結(jié)等特點(diǎn)，但同時(shí)水下施工一般混凝土泵送距離較長(zhǎng)，還需兼顧材料流動(dòng)性影響[5，6]，因此材料組分、配合比設(shè)計(jì)與工作特性等都需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究；②受復(fù)雜施工環(huán)境影響，水下混凝土澆筑需要較多人力物力，水下施工一般采用鋼筋籠作為擋墻，為水下混凝土澆筑創(chuàng)造工作面，因此鋼筋籠擋墻的穩(wěn)定性及施工方法、水下混凝土澆筑工藝等對(duì)施工質(zhì)量具有重要影響。

針對(duì)上述特點(diǎn)和難點(diǎn)，本文以西霞院工程為對(duì)象，對(duì)水下不擴(kuò)散混凝土、水下鋼筋籠混凝土擋墻施工、復(fù)雜水下環(huán)境混凝土澆筑等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的研究，初步建立了復(fù)雜環(huán)境下水利工程水下修復(fù)加固成套技術(shù)。

1 工程概況

西霞院水庫(kù)是黃河小浪底水利樞紐的配套工程，位于小浪底壩址下游16 km處的黃河干流上，以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧泄洪、灌溉。該水庫(kù)在過(guò)去已經(jīng)過(guò)多次調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，特別是2018、2019年的“低水位、大流量、高含沙、長(zhǎng)歷時(shí)”泄洪運(yùn)用。2020年3月，對(duì)泄洪排沙系統(tǒng)開(kāi)展水下檢查，發(fā)現(xiàn)泄洪、排沙等建筑物存在不同程度的沖蝕破壞問(wèn)題，其中包括6號(hào)排沙洞上游擋墻、胸墻式泄洪洞上游鋪蓋、胸墻式泄洪閘上游干砌石護(hù)腳等部位，缺陷部位水下監(jiān)測(cè)地形如圖1—2所示。

圖1 6號(hào)排沙洞上游擋墻及胸墻式泄洪閘上游鋪蓋沖蝕破壞區(qū)域水下三維地形

圖2 6號(hào)排沙洞上游擋墻及胸墻式泄洪閘上游鋪蓋沖蝕破壞區(qū)域示意

2 水下不擴(kuò)散混凝土

為適應(yīng)水下復(fù)雜施工環(huán)境和大方量混凝土澆筑，西霞院水下修復(fù)工程采用水下不分散混凝土，不低于C30F100，屬一級(jí)配。水下混凝土配置強(qiáng)度宜提高10%～20%，膠凝材料用量不宜少于360 kg/m3；混凝土在水中有自由落差時(shí)，膠凝材料用量不宜低于400 kg/m3。水下混凝土拌合物應(yīng)具有自密實(shí)性能，且粗骨料最大粒徑不宜超過(guò)20 mm?；炷林饕阅芗夹g(shù)指標(biāo)詳見(jiàn)表1，施工配合比詳見(jiàn)表2。

表1 混凝土主要性能技術(shù)指標(biāo)

表2 水下不分散混凝土施工配合比參數(shù)

3 施工工藝研究

3.1 施工流程

西霞院水下修復(fù)工程進(jìn)口檢修閘門(mén)前鋪蓋和擋土墻檢查修復(fù)工程的總體施工方案為：①水下檢查；②水下基礎(chǔ)清理；③現(xiàn)狀擋墻基礎(chǔ)掏空段處理；④水下找平層施工；⑤排沙洞擋墻上游施工；⑥鋪蓋底部掏空及缺失部位水下混凝土擋墻回填澆筑；⑦傾倒段擋墻處理；⑧鋼筋石籠拋?zhàn)o(hù)和四面體根石拋?zhàn)o(hù)。主要施工流程，如圖3所示。

圖3 主要施工流程

在以上施工方案和施工過(guò)程中主要涉及的施工工藝有5種：①測(cè)量放樣；②水上交通棧橋和平臺(tái)工程；③鋼筋籠施工；④水下模板施工；⑤混凝土水下澆筑施工。在本研究中，針對(duì)鋼筋籠擋墻施工及混凝土水下澆筑施工進(jìn)行系統(tǒng)介紹。

3.2 鋼筋籠擋墻施工工藝及方法

鋼筋籠采用地面加工成型，水中安裝就位。鋼筋籠的制作應(yīng)根據(jù)水下混凝土擋墻修復(fù)的長(zhǎng)度和高度分節(jié)制作，并內(nèi)嵌鋼絲網(wǎng)。鋼筋籠采用六面體型式，每節(jié)制作邊長(zhǎng)為2 m，局部銜接位置鋼筋籠的高度和長(zhǎng)度可根據(jù)擋墻實(shí)際位置的布置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

鋼筋籠采用HRB400熱軋鋼筋，直徑20 mm，間排距200 mm，內(nèi)嵌鋼絲網(wǎng)。鋼筋的質(zhì)量、搭接方法、搭接長(zhǎng)度、焊接接頭的機(jī)械性能等應(yīng)能夠滿(mǎn)足相關(guān)施工規(guī)范要求。

鋼絲網(wǎng)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度（不小于380 MPa），以防止混凝土澆筑時(shí)被撐破。鋼絲直徑3 mm，網(wǎng)孔孔徑不宜過(guò)大（不大于10 mm），以防止混凝土澆筑時(shí)無(wú)法起到臨時(shí)阻擋作用；內(nèi)嵌鋼筋網(wǎng)應(yīng)預(yù)留插筋孔，以方便水下插筋的布置和安裝。

經(jīng)水下檢查，發(fā)現(xiàn)壩上0-053—0-072、D1+931—D1+943.35段鋪蓋被沖垮，尺寸12.35 m×19 m。沖垮鋪蓋采用回填水下混凝土進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)回填混凝土范圍為新澆筑鋼筋籠擋墻和現(xiàn)狀鋪蓋之間區(qū)域。一層擋墻澆筑完成并具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行擋墻內(nèi)側(cè)水下混凝土回填澆筑，然后再進(jìn)行下一層鋼筋籠擋墻和水下混凝土回填施工。上游缺失鋪蓋修復(fù)方案，如圖4所示。

圖4 上游缺失鋪蓋修復(fù)方案示意

擋墻采用預(yù)制鋼筋籠內(nèi)嵌細(xì)孔鋼絲網(wǎng)吊入水下，鋼筋籠到位后進(jìn)行連接，內(nèi)部預(yù)置連接插筋，然后在鋼筋籠內(nèi)澆筑水下混凝土，首先形成水下混凝土擋墻。針對(duì)單個(gè)鋼筋混凝土擋墻進(jìn)行有限元穩(wěn)定性分析計(jì)算，單個(gè)鋼筋籠受力如圖5所示。淹沒(méi)于水流中的物體受到水流作用力，對(duì)于長(zhǎng)方體受到的水平作用力，Evett等提出水平拖曳力公式：

圖5 鋼筋混凝土擋墻計(jì)算穩(wěn)定受力示意

式中：FD為水流拖曳力（N）；CD為拖曳力系數(shù)；ρ為流體密度（kg/m3）；U為水流流速（m/s）；A為塊體在垂直于來(lái)流方向的投影面積（m2）。

不同水深下鋼筋籠與地基的接觸切向力變化如圖6所示，擋墻的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)詳見(jiàn)表3。從圖6可以看出，鋼筋籠在水下1～4 m/s水流速度下均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 不同流速和水深下鋼筋籠與地基的接觸切向力變化曲線(xiàn)

表3 鋼筋籠的安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.3 混凝土澆筑施工工藝及方法

混凝土澆筑采用導(dǎo)管法施工。在開(kāi)澆階段，導(dǎo)管底部應(yīng)接近基底面300～500 mm并應(yīng)盡量安置在地基的低洼處；第一罐水下混凝土澆筑時(shí)在導(dǎo)管中應(yīng)設(shè)置隔水球?qū)⒒炷僚c水隔開(kāi)；從首批混凝土澆筑至結(jié)束，導(dǎo)管下端不得拔出已澆筑的混凝土，且導(dǎo)管埋入混凝土內(nèi)深度不宜小于1 m；澆筑過(guò)程中，混凝土連續(xù)供應(yīng)，澆筑時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土面的上升高度及時(shí)提升導(dǎo)管，每次提升高度應(yīng)與混凝土澆筑速度相適應(yīng)。

水下混凝土澆筑應(yīng)從倉(cāng)面最深處開(kāi)始，若澆筑整個(gè)倉(cāng)面高程無(wú)太大高差時(shí)，應(yīng)遵循從上游往下游依次交替澆筑，保證整個(gè)倉(cāng)面水下混凝土均勻上升。

水下?lián)鯄炷潦┕?yīng)分層、分次澆筑完成，一層擋墻澆筑完成并具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行擋墻內(nèi)側(cè)水下混凝土回填澆筑。連續(xù)不斷地進(jìn)行澆筑，觀(guān)察管內(nèi)混凝土下降情況，及時(shí)測(cè)量孔內(nèi)的混凝土面高度，控制每層混凝土面，不得超灌，以方便下一層墻體鋼筋籠安裝。

澆筑水下?lián)鯄炷習(xí)r，應(yīng)控制混凝土流速、澆筑上升速度等，防止混凝土沖擊鋼筋籠模板造成鋼筋籠上浮或傾斜，保證混凝土澆筑質(zhì)量?；炷撩娼咏摻罨\頂時(shí)，保持較大埋深，以減小混凝土的沖擊力，適當(dāng)提升導(dǎo)管減小埋深（但不小于1 m），以增加鋼筋籠在導(dǎo)管底口以下的埋深，從而增加混凝土對(duì)鋼筋籠的握裹力。

水下混凝土澆筑要均勻連續(xù)，嚴(yán)格控制和易性，保證澆筑質(zhì)量。鋼筋籠采用平臺(tái)吊機(jī)懸吊導(dǎo)管法依次澆筑，每一個(gè)一次澆筑完成。在開(kāi)澆階段，混凝土在水中自由落下時(shí)，水中自由落差不得大于0.3 m；從開(kāi)澆混凝土至結(jié)束，導(dǎo)管下端不得拔出已澆筑的混凝土，混凝土應(yīng)連續(xù)供應(yīng)；在澆筑過(guò)程中，導(dǎo)管只能上下升降，不得左右移動(dòng)。澆筑時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土面的上升高度及時(shí)提升導(dǎo)管，每次提升高度應(yīng)與混凝土澆筑速度相適應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

西霞院水下修復(fù)加固工程混凝土澆筑量達(dá)到5 000 m3，從施工環(huán)境和施工難度來(lái)看，都居于國(guó)內(nèi)工程前列。以該工程為例，對(duì)水下不擴(kuò)散混凝土、復(fù)雜水下環(huán)境混凝土澆筑、水下鋼筋籠混凝土擋墻施工等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了較為深入研究，初步建立了復(fù)雜環(huán)境下水利工程水下修復(fù)加固成套技術(shù)。該技術(shù)可滿(mǎn)足大水深（＞10 m）、復(fù)雜浪流條件、大規(guī)模（＞5 000 m3）水下混凝土澆筑等工程要求，具有較好的可推廣性。