河床式取水口沉管施工技術研究

李桂英，余龍

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

營山縣城飲用水源工程取水頭部工程位于嘉陵江(蓬安段)左岸，場地西南側為嘉陵江，東北側為S204省道。水源自流管采用兩根并排的D1030×14鋼管，上游側管道長34.11m，下游側管道長26.5m，取水頭部為兩套(Q=3750m3/h)，尺寸為14.60m×3.10m×2.30m，由取水室、除砂器、防草器等7種部件組成，最大部件重4.488t，最小部件重1.735t，單套取水頭設備總重為22.039t。接口采用焊接方式，與閥門連接處用法蘭連接，中間間距5.4m～15.2m，設計使用年限為50a。

取水頭部工程分為水上、水下施工，主要施工部位為水上施工鋼平臺搭設、水下混凝土灌注樁施工、水下鋼管安裝、水下取水頭部安裝。該段河床較寬淺，河流比較平緩。取水頭部及自流管施工范圍內的河床底部高程為288.3m～289.1m，水下地形較為平坦，水深3m～8m。取水頭部上游為金溪航電樞紐、下游為馬回電站，枯水期施工區(qū)域水流流速較小。

2 水文地質條件

本工程位于嘉陵江蓬安段，距上游金溪電航樞紐約12km，該段河床較寬淺，河流比較平緩。取水頭部及自流管施工范圍內的河床水下地形較為平坦，地層主要由松散卵石、泥巖等組成。取水頭部及自流管基礎為樁基礎，持力層為中風化泥巖層，中風化泥巖層層位穩(wěn)定、巖體較完整，在中風化局部可能有破碎巖體分布。

3 方案選擇

本取水口工程現(xiàn)場水下地形鋼護筒混凝土灌注樁部位水位較深，最大水深接近8m，利用船舶作業(yè)施工難度大；距離下游的居民臨時取水點將近200m距離，水體環(huán)保要求嚴。采用傳統(tǒng)的河床式取水口沉管施工工藝利用填筑土石圍堰的形式進行干地施工，這樣施工成本高、進度慢，同時對水體環(huán)境也有一定的影響。針對上述水下地形情況及特點等，研究采用循環(huán)式水上鋼棧橋[1]施工技術，保證了取水頭部及自流管水下施工安全，降低了對周邊環(huán)境的污染，實現(xiàn)了鋼棧橋的循環(huán)利用，實現(xiàn)成本和進度的雙贏目標。

4 取水口沉管施工技術

4.1 鋼棧橋、鋼管樁設計

鋼棧橋及鋼管樁必須具有足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性，施工時必須嚴格遵循安全技術規(guī)范和專項方案規(guī)定，嚴密組織、責任落實，確保施工過程的安全。根據荷載計算規(guī)范及安全技術規(guī)范計算結果：

(1)根據水文條件、地質情況，以及承載力等因素分析，鋼棧橋鋼管樁均按摩擦樁考慮，同時根據地質柱狀圖，松散砂卵石層，平均厚度為2.5m～3.8m，考慮到鋼管樁最小入土深度，因此，鋼管樁應以強風化泥巖作為持力層，樁長暫定12m，鋼管樁排距按6m計算。

(2)鋼棧橋結構型式：鋼管樁+I56下橫梁+321貝雷梁+I56橫向分配梁+I12.6縱向分配梁+鋼板。鋼管樁采用直徑φ600mm、壁厚10mm鋼管，縱向設置3排，兩排鋼管樁之間設置輔助樁，用φ600mm(δ=10mm)鋼管連接固定。鋼管樁縱向間距6m、橫向間距4.4m，I56橫梁與鋼管樁焊接，貝雷梁與I56之間采用“U”型卡固定。貝雷梁上擱置I25a橫向分配梁，間距1.5m。其上擱置I12.6縱向分配梁，間距0.4m，橋面板采用10mm厚螺紋鋼板鋪設，平臺空隙處采用木板或鋼板滿鋪，具體結構詳見圖1。

圖1 鋼棧橋結構型式

(3)鉆孔平臺

結構型式：鋼管樁基礎+I56型鋼+I12.6橫向分配梁+鋼板。鋼管樁采用直徑φ600mm、壁厚10mm鋼管，7縱4橫布置，并用φ600mm(δ=10mm)鋼管橫向、縱向連接固定。鋼管樁上縱向采用I56焊接連接，其上放置橫向I12.6分配梁，并鋪鋼板作為樁基鉆孔平臺。平臺空隙處采用木板或鋼板滿鋪。以6根灌注樁施工平臺為例，鉆孔平臺詳見圖2和圖3。

圖2 鉆孔平臺平面布置

4.2 取水沉管施工方法

4.2.1 水上鋼平臺搭設

本工程采用搭設水上施工平臺的形式進行取水頭部及自流管道施工，在自流管下游側搭設鋼棧橋入口，并以樁位及自流管為中心搭設環(huán)形鋼棧橋通道。環(huán)形棧橋通道內搭設五座鉆孔鋼平臺，同時以五座鉆孔鋼平臺為核心，滿鋪搭設操作鋼平臺，形成滿鋪平臺，鋼平臺的結構型式為鋼管樁+Ⅰ56下橫梁+321貝雷梁+Ⅰ25橫向分配梁+Ⅰ12.6縱向分配梁+鋼板。

鋼管樁施工采用60kW振動錘沉樁，采用50t履帶吊架設水上施工平臺，從岸邊依次向取水頭部進行。沉樁時，測量組人員用兩臺全站儀同時對樁的平面位置和橫縱橋向垂直度進行測量控制，確定樁位與樁的垂直度滿足要求后，開動振樁錘振動，每排鋼管樁下沉到位后，進行樁之間的縱向連接，增加樁的穩(wěn)定性，連接材料采用φ600mm鋼管縱向平聯(lián)，鋼管樁上為Ⅰ56下橫梁，Ⅰ56下橫梁直接嵌入鋼管樁內40cm，露出樁頂16cm。貝雷梁先在陸上按每組尺寸拼裝好，然后使用履帶吊進行吊裝，安裝在Ⅰ56橫梁上，貝雷梁與Ⅰ56橫梁采用“U”型卡固定。

貝雷梁拼裝完畢，其上鋪設Ⅰ25a橫向分配梁，間距150cm，并用“U”型卡固定。然后，在Ⅰ25a上鋪設Ⅰ12.6縱向分配梁，縱向分配梁間距40cm，并用“U”型卡固定。最后，用δ=10mm橋梁花紋鋼板滿鋪，并與I12.6縱向分配梁焊接牢固。

4.2.2 鋼護筒灌注樁施工

鋼護筒灌注樁樁徑1m、18根，平均樁長11m，單樁承載力特征值≥1200kN。

(1)鋼護筒埋設

鋼護筒下放過程中為保證其垂直度，在平臺支架上設置導向架。導向架采用3根Ⅰ25a工字鋼呈“井”字型將鋼護筒固定，只留一個方向。當鋼護筒進入導向架后，固定另一方工字鋼，并開動振動錘向下埋設。根據鉆孔進度護筒埋設，采用鉆機沖擊錘對護筒進行跟進直至設計樁底。

(2)成孔

鉆機就位時用方木墊平，將鉆頭中心線對準已標識好的鋼護筒中心，誤差控制在2cm以內，鉆機支立應牢固，不得在鉆孔過中發(fā)生偏斜或位移、傾覆。成孔中心必須對準樁位中心，鉆機必須保持平穩(wěn)，不能發(fā)生位移，傾斜和沉陷。開始時用小沖程密擊，錘高0.4m～0.6m，并及時加粘土泥漿護壁，孔深不足3m～4m時，不宜撈渣，應盡量使鉆渣擠入孔壁。撈渣筒的直徑宜選擇樁孔直徑50%～70%。

孔深達護筒下3m～4m后，加快速度，加大沖程，將錘提高至1.5m～2.0m以上，每鉆進0.5m～1.0m應撈渣一次，每次撈渣4～5筒為宜。在卵石、漂石層進尺小于5cm/h，在松散地層進尺小于15cm/h時，應及時撈渣，減少鉆頭的重復破碎現(xiàn)象。每次撈渣后，應及時向孔內補充泥漿或粘土，保持孔內水位高于地下水位1.5m～2.0m。

孔底進入持力層深度應符合設計要求，實際鉆孔深度應與設計深度基本相符，若相差太大應征得設計部門認可方可終孔。所確定的持力層最終進尺速度應符合要求，且進尺速度應對應于一定的錘重和標高?？椎讕r樣應鑒別其巖性和風化程度，粗巖顆粒含量應大于70%，巖性應與地質資料相符。

鉆孔達到設計高程后，對孔深、孔徑、孔壁、垂直度、沉淀厚度等進行檢查，不合格則采取措施處理。用測繩測量孔深并做記錄，鉆孔完成后應采用探孔器檢測孔徑，合格后方可清孔。

(3)下放鋼筋籠

鉆孔清洗后，進行鋼筋籠下放。鋼筋籠采用加強箍筋成型法在鋼筋加工場制作，鋼筋籠長度應比設計樁長高50cm為宜，待樁頭處理時進行水下割除。

整節(jié)鋼筋籠吊裝采用履帶吊吊裝，吊放就位時采用兩吊點法，保證吊裝時鋼筋籠不變形，絲頭不損壞。

(4)澆筑混凝土

水下混凝土灌注前，先確定首批灌注混凝土數(shù)量，混凝土封底灌注采用隔水栓(15cm厚泡沫板制作)、拔塞法施工，即在漏斗的底部、導管的頂口安裝泡沫隔水栓，再用蓋板封住導管口。

(5)水下高程控制

由于該樁基混凝土標高低于水面約3m，無法在陸地上確定混凝土是否已達到設計標高，因此，樁頭的混凝土標高應由潛水員水下控制?？刂品椒椋宏懮峡刂茦额^標高，潛水員在水下根據指示的標高在護筒上等距離水下切割3條50cm(長)×20cm(高)的孔，用于樁基中的沉渣溢流，直至新鮮混凝土，確保樁基樁頭質量[2]。溢流孔設置見圖4。

圖4 鋼護筒溢流孔設置

(6)水下安裝定位板

混凝土預埋件主要為定位板及地腳螺栓。定位板及地腳螺栓在岸上制作完成后連接成一個整體進行預埋。為保證預埋件的平面位置，采用在定位板四周焊接4根直徑16mm的鋼筋頭，在下放過程中沿護筒內壁下放。結構詳見圖5。

為保證定位板粗制螺栓孔的方向與鋼架一致，采用在定位板垂直方向等距焊接4根直徑20mm的鋼筋，頂端焊接同一大小的定位板，在預埋件沿護筒內壁下放過程中，用人工在鉆孔平臺上控制粗制螺栓孔方向。

定位板的預埋標高，根據樁頂標高和護筒頂標高，通過定位桿確定。預埋件的安裝在混凝土澆筑完成后初凝前進行，在預埋過程中陸上和水下通過對講機進行溝通配合，確保預埋件平面位置、水平高程以及螺栓孔的偏差不超過規(guī)范要求。

圖5 預埋螺栓定位裝置簡示

(7)成樁

灌注完成后，潛水員在水下采用自制工具將混凝土表面整平并剔除疏松混凝土；將鋼護筒或鋼筋籠高于樁頂高程的，由潛水員按照設計標高水下切割鋼護筒或多余鋼筋。

4.2.3 迎水面防撞欄桿安裝

管道迎水面設有欄桿保護設施，且位于常水位以下，該防撞欄桿采用水下施工工藝。利用現(xiàn)有的鋼平臺，60kW振動捶打樁，φ600鋼管樁打入河床約2m(以鋼管樁下沉量最小時停止)，鋼管內灌注C30混凝土，高度為1m，潛水員水下切割鋼管及水下砌筑麻袋混凝土，混凝土鋼管樁頂面尺寸為2m×2m，待混凝土凝固之前，潛水員水下定位將立柱插入混凝土鋼管樁內，并由潛水員水下定位安裝。

4.2.4 支梁水下安裝

支梁采用δ=20mm厚鋼板現(xiàn)場加工而成。制作前應先在平臺上按設計長度下料后并焊接成整體，運至樁位處后用全站儀進行控制，潛水人員通過對講機通知陸上人員進行上下、左右位置的調整，安裝就位后采用螺栓將鋼梁與預埋地腳螺栓連接成整體。

4.2.5 輸水管道安裝

(1)管道預制與焊接

管道預制前，將平面布置圖與現(xiàn)場實際情況進行核對，確定無誤后再下料。

鋼管組對縫采用焊接連接，在環(huán)縫調整并定位焊接后及時焊接，采用多層多道對稱焊接。焊接方法采用手工電弧焊，管道全部焊接完成后，所有焊縫都應進行射線檢測，合格率要求為100%。

所有焊縫均檢測合格后，將安裝時焊接的臨時加固和支撐件用氣焊割除，并用角向磨光機打磨光滑。對焊縫和打磨部位進行防腐處理，先清除焊渣，再用角磨機將焊縫周圍的污物清除，最后按要求做防腐處理。

(2)水下管道安裝與復測

管道在水上鋼平臺制作完成后，通過對吊裝構件的受力計算，用履帶吊整體吊裝至水下，水下由兩組潛水員同時操作。安裝完成后，委托專業(yè)的水下測量機構對管道進行復測[3]。

管道水下操作過程中，陸上和水下通過對講機進行溝通配合，安裝前應先由潛水員在水下對各構件距離進行精確復核，同時可在岸上將部分螺栓孔加工成可調節(jié)螺栓孔，吊裝過程中潛水員通過對講機通知陸上人員進行上下、左右位置的調整，安裝就位后利用格柵頂板上設置的卡環(huán)與已安裝在管道上的法蘭片初步連接后，再穿止水墊并采用螺栓固定。安裝完成后，由另一組潛水員對所有螺栓、構件進行仔細復核，確保所有螺栓均連接牢固。

4.2.6 取水頭部安裝

經除銹、防腐處理后，運至取水頭部用履帶吊進行吊裝，潛水員通過對講機通知陸上人員對取水頭部位置進行調整，安裝就位后利用格柵頂板上設置的卡環(huán)與已安裝在管道上的法蘭片初步連接后，再穿止水墊并采用螺栓固定。為保證水下安裝順利進行，安裝前應先由潛水員在水下對各構件距離進行精確復核，在岸上將部分螺栓孔加工成可調節(jié)螺栓孔，確保水下安裝一次性成型。安裝完成后，由另一組潛水員對所有螺栓、構件進行仔細復核，確保所有螺栓均連接牢固。

4.2.7 拆除鋼棧橋

所有水下工程施工完成后，拆除鋼棧橋施工平臺，拆除鋼棧橋采用履帶吊配合人工進行，拆除順序由遠及近，自上而下進行。

5 結語

本論文取水頭部及自流管采取沉管法施工主體結構，通過采用搭設水上鋼施工平臺的方式在陸上分段組對拼裝焊接、整體吊裝沉放入水，并利用螺栓將自流管與取水頭部處的法蘭及自流管與支座等進行水下連接。通過采用搭設鋼棧橋平臺的方式進行取水口沉管水下施工，其與傳統(tǒng)的圍堰導流旱地施工相比能夠節(jié)省勞動力和設備的多次投入，同時減少了對水體的污染，以及水土流失，也避免了因圍堰拆除不徹底對取水頭部正常運行的影響。采用這些措施大大提高了施工效率，對加快工程進度及節(jié)約施工成本都有積極的影響。