西霞院工程水下建筑物混凝土缺陷修復(fù)施工關(guān)鍵技術(shù)研究實(shí)踐

王京宇 劉煥虎

(1.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，北京 100038；2.小浪底水利樞紐管理中心，河南 濟(jì)源 454681)

1 工程概況

西霞院反調(diào)節(jié)水庫是黃河小浪底水利樞紐的配套工程[1]，位于黃河干流中游河南省洛陽市境內(nèi)，壩址左、右岸分別為洛陽市的吉利區(qū)和孟津縣。上距小浪底水利樞紐(以下簡(jiǎn)稱小浪底工程)16km，西霞院工程是一座以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用的大型水利工程。水庫總庫容1.62億m3，電站裝機(jī)容量140MW，灌溉農(nóng)田面積113.8萬畝。工程規(guī)模為大(2)型，屬Ⅱ等工程[2]。土石壩為2級(jí)建筑物。西霞院工程的泄水、排沙、發(fā)電建筑物集中布置在右岸灘地，其兩側(cè)布置復(fù)合土工膜斜墻砂礫石壩(見圖1)。電站排沙建筑物由電站兩側(cè)的排沙洞和機(jī)組段的排沙底孔組成[3]。

圖1 西霞院工程平面布置

2 現(xiàn)狀問題

西霞院反調(diào)節(jié)水庫經(jīng)過了多次調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，特別是2019年和2020年的“低水位、大流量、高含沙、長歷時(shí)”泄洪運(yùn)用。2020年11月2日至12月4日，黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司對(duì)西霞院反調(diào)節(jié)水庫混凝土壩段水下建筑物進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)6號(hào)排沙洞上游右擋墻修復(fù)部位112～114m高程鋼筋籠底部嚴(yán)重淘空。根據(jù)汛后水下檢查和修復(fù)工程施工前復(fù)檢的對(duì)比，目前112～114m高程鋼筋籠擋墻基礎(chǔ)部位的淘空范圍、淘空深度和影響范圍均朝著破壞深度更深、破壞范圍更大的趨勢(shì)發(fā)展。掏空范圍寬度約40m，垂直深度最大3.4m，縱向深度超過7m，預(yù)計(jì)總掏空方量超500m3。為確保西霞院反調(diào)節(jié)水庫安全穩(wěn)定運(yùn)行，需盡快開展西霞院工程水下建筑物破壞修復(fù)工作。

3 實(shí)施方案

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖2。

圖2 施工工藝流程

3.2 水上施工平臺(tái)搭建

水上施工平臺(tái)搭設(shè)設(shè)備包括水上施工躉船平臺(tái)、吊車和機(jī)動(dòng)駁船，平臺(tái)吊裝設(shè)備采用一臺(tái)50t汽車吊固定在12m×30m的躉船平臺(tái)上。壩頂?shù)杰O船間的大型設(shè)備及材料運(yùn)輸由50t駁船完成，泵送平臺(tái)及通道由兩艘平板躉船和一艘觀光船組成[4-5]，見圖3。

圖3 水上施工平臺(tái)布置平面圖

平底船采用四角定位法固定，在平底船左岸上游100m處沉放一個(gè)四面體，作為錨固點(diǎn)，右岸上游側(cè)采用未打撈出的船錨作為錨固點(diǎn)，使用前對(duì)鋼絲繩進(jìn)行檢查。下游側(cè)在壩頂交通橋泄水孔處設(shè)置錨點(diǎn)，拴鋼絲繩固定船只。80m躉船一端安放在6號(hào)排沙洞閘墩上，一端向大船靠近，躉船之間用角鐵固定，形成整體。在躉船前端向左岸約50m處，安放一個(gè)四面體，用于拴攬躉船?？块l墩一端頂支在閘墩上，兩側(cè)用倒鏈牽引相鄰閘墩上的預(yù)埋件，躉船尾部用舊輪胎支墊。躉船中部兩側(cè)以45°角向合適的閘墩上牽引纜繩，用倒鏈連接在閘墩預(yù)埋件上。躉船和平底船用纜繩拴攬，確保躉船錨固安全。

3.3 鋼筋籠和鋼模板支護(hù)

在114m高程基礎(chǔ)淘空上游布設(shè)鋼筋籠混凝土擋墻，擋墻自沖刷坑底至112m高程，鋼筋籠采用六面體型式，長寬均為2.0m，高度根據(jù)實(shí)際沖坑深度加工，約比坑深高出50cm，局部銜接位置鋼筋籠的形狀、尺寸可根據(jù)擋墻實(shí)際布置位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，鋼筋籠水下焊接；內(nèi)襯鋼絲網(wǎng)，密目網(wǎng)間距不大于10mm，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，根據(jù)實(shí)際情況保留或取消部分單側(cè)網(wǎng)面，便于預(yù)埋注漿管和混凝土澆筑施工，零星鋼筋籠基礎(chǔ)淘空處理，采用鋼結(jié)構(gòu)模板立模澆筑水下混凝土，鋼模板不拆除，當(dāng)作防護(hù)工程的一部分，鋼筋籠和鋼模板支護(hù)位置見圖4。

圖4 掏空區(qū)修復(fù)平面圖(單位：m)

3.4 插筋和預(yù)埋灌漿管

相鄰鋼筋籠之間利用插筋或卡扣連接，鋼筋籠臨水下回填混凝土面利用錨筋與回填混凝土連接，鋼筋籠之間采用短插筋、連接筋連接或焊接。錨筋在鋼筋籠安裝到位后進(jìn)行水下安裝，采用HRB400熱軋鋼筋，鋼筋直徑22mm，長度由沖坑縱向?qū)嶋H深度確定，水平間距0.5m，上下兩層錯(cuò)開布置。錨筋伸入鋼筋籠內(nèi)有效錨固長度不小于800mm，采取與鋼筋籠焊接的方式進(jìn)行有效搭接。鋼筋籠如采用插筋連接，插筋應(yīng)在鋼筋籠安裝到位后進(jìn)行水下安裝，采用HRB400熱軋鋼筋，鋼筋直徑22mm，長度1.5m，間排距0.5m，梅花形布置，插筋伸入相鄰兩鋼筋籠各0.75m。插筋安裝到位后，應(yīng)采取有效的固定措施，以防止混凝土澆筑時(shí)移位或脫落。掏空部位縱向深度方向的插筋根據(jù)潛水員操作能力，要盡量長，并可在澆筑完擋墻部分后，增加伸向掏空部位的斜插筋作為補(bǔ)充。

由于基礎(chǔ)淘空部位縱向深度較深，不能有效保證基礎(chǔ)內(nèi)部充填密實(shí)，根據(jù)水下檢查地形情況，并結(jié)合淘空深度，在回填混凝土的掏空區(qū)域布置4根直徑48mm的鋼質(zhì)灌漿管，用于澆筑后灌漿作業(yè)[6]。

3.5 澆筑水下不分散混凝土

水下不分散混凝土具有自密實(shí)的特性，對(duì)于擋墻基礎(chǔ)淘空回填選用水下不分散混凝土[7-8]。根據(jù)實(shí)際需求混凝土等級(jí)不低于C25F100，且水下混凝土配置強(qiáng)度宜提高10%～20%；其膠凝材料用量不宜少于360kg/m3；絮凝劑用量每方約12.5kg。

為了防止混凝土離析，混凝土在水中有自由落差時(shí)，膠凝材料用量不宜低于400kg/m3，且水下不分散混凝土的粗骨料最大粒徑不宜超過20mm，選用一級(jí)配混凝土。

澆筑施工方法為：利用施工平臺(tái)和通道架設(shè)泵送管道、豎向混凝土導(dǎo)管，使用汽車混凝土地泵泵送混凝土，水下潛水員配合，將混凝土澆筑至指定部位。澆筑作業(yè)共分兩次進(jìn)行，第一次澆筑鋼筋籠擋墻和鋼模板支護(hù)部分，澆筑完成并具有一定強(qiáng)度后，再進(jìn)行下階段鋼筋籠擋墻內(nèi)側(cè)掏空區(qū)域水下混凝土回填施工。

3.6 回填注漿

基礎(chǔ)混凝土回填完成后，通過預(yù)留注漿管，對(duì)基礎(chǔ)澆筑不密實(shí)部位進(jìn)行注漿?？刂乒酀{壓力為1MPa，通過4根直徑48mm的鋼質(zhì)灌漿管，分別灌注普通硅酸鹽425水泥漿[9]。灌漿的水灰比按照前期3 ∶0.1、后期1 ∶0.1、終孔0.6 ∶0.1控制。

3.7 布置鋼筋石籠護(hù)腳

鋼筋籠混凝土擋墻112～114m高程上游采用鋼筋石籠防護(hù)，鋼筋石籠擺放呈前低后高形式，擺放高度不超過鋼筋籠混凝土擋墻，周邊塊和前后排直接采用錳鋼鏈和D形扣連接形成餅狀。石籠尺寸采用2.0m×1.0m×1.0m(長×寬×高)，間距150mm，鋼筋為直徑為16mm的HBR300熱軋鋼筋，前緣邊塊和銜接塊部位的形狀和尺寸根據(jù)實(shí)際擺放情況加工；鋼筋石籠直接采用不銹鋼卡扣連接，為保證連接效果，卡扣形式根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)確定；石籠一般長度方向順?biāo)飨蚍胖?，前緣邊塊和銜接塊部位可根據(jù)設(shè)計(jì)邊界形狀適當(dāng)調(diào)整方向，拋填時(shí)應(yīng)盡量錯(cuò)縫擺放。鋼筋石籠內(nèi)所填石料應(yīng)是堅(jiān)固密實(shí)、耐風(fēng)化、遇水不易分解破碎的大塊石料，粒徑應(yīng)大于網(wǎng)孔孔徑[10]，局部沖坑較深位置可適當(dāng)增加鋼筋石籠數(shù)量，具體數(shù)量可根據(jù)實(shí)際地形調(diào)整，鋼筋石籠布置見圖4。

4 結(jié) 論

2021年3—5月，完成西霞院水庫壩前水下混凝土缺陷修復(fù)施工，共回填澆筑C30水下不分散混凝土568m3，回填灌漿0.8t，布設(shè)鋼筋籠擋墻16個(gè)，布置護(hù)腳鋼筋石籠112個(gè)。通過2021年汛后檢查，6號(hào)排沙洞上游右擋墻修復(fù)部位未再出現(xiàn)沖刷掏空現(xiàn)象，修復(fù)效果良好，證明搭設(shè)水上施工作業(yè)平臺(tái)和澆筑水下不分散混凝土的施工工藝和方案，適用于西霞院工程上游鋪蓋混凝土沖刷掏空的修復(fù)工作，也為今后水下建筑物混凝土缺陷修復(fù)提供了借鑒和指導(dǎo)。