涉及復雜地質的水庫除險加固工程防浪墻施工技術

李立權

(深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

珠江三角洲的D2標工程是一座大型水利樞紐工程，沿途多為山區(qū)盆地，偶有低洼的斷丘群。地形比較平坦，地面高度一般在10～20m左右；管道穿過房屋、運河、道路、橋梁和管道，主要地面控制包括：新建皮頭河、工昌路、廣橋路主干道、深圳六號線(在建)和工廠，這一部分是一個人口密集的區(qū)域。高新沙泵站的主要工程工作是從高新沙水庫內抽水，經過泵站增壓提升，再由高壓管線將其送入沙溪高位水池。

高新沙泵站的進水口三維軸測圖如圖1所示。

圖1 高新沙泵站進水口三維軸測圖

由圖1可知，高新沙泵站的進水口主要包括進水池、進水閘和引水管道。在進水池兩側，分別設置了懸臂和半重力擋土墻。進水閘共有6個孔，在閘門的上游至下游設有攔污柵和相應門槽，在攔污柵與相應門槽之間設有一道護壁。引水管直徑DN2600，并設有6個排水管，在導流管和入水閘室之間設有過渡段，為整體混凝土結構。

2 計及復雜地質的水庫除險加固工程

在復雜地質環(huán)境下，通過加固溢流壩段、平衡處理開挖面、補強處理大壩廊道、二次注漿和塌岸加固步驟，實現水庫除險加固。

2.1 溢流壩段加固處理

丙乳砂漿是由水泥砂漿混合而成，攪拌時間為30～45min。在施工過程中，先用清水將表層打濕，保持其飽和面干燥[1]。為了確保工程質量，首先在底板上涂上丙烯酸乳液，然后在底板上分層進行壓實。各層的厚度約為5mm。在粉刷壓合時，應采取反向施工方法，使其與新的砂漿層的壓力方向相反，以確保丙烯酸酯乳液砂漿層的稠度、表面的平滑、砂漿的鋪設。用丙烯酸乳膠砂漿在經過約4h(表面稍微干燥)后噴灑水來保持或覆蓋[2]。固化1d后，用丙烯酸乳液在表面涂上一層乳膠，使其密封性更好。水泥固化后，持續(xù)噴淋養(yǎng)護，使水泥表面保持濕潤7d。

2.2 基于盾構施工的開挖面平衡處理

采用盾構施工方式平衡處理開挖面，其原理是通過壓縮箱體土壓力平衡土體上方的開挖面，開挖面平衡處理的詳細步驟如下。

(1)嚴格控制出土量，保證每環(huán)出土量在65m3以內，一旦出現超掘現象，應立即停止施工，進行原因分析并采取注漿措施。

(2)在新陂頭隧道施工中，以土壓為主，氣壓為輔助模式。在盾構機停機和裝配過程中，必須有專門的人員對其進行監(jiān)控，土倉的壓力損失不能超過0.1bar[3]。

(3)為了確保工作面正常使用，降低刀片磨損，必須在開挖時對工作面進行改造。在刀片前方土壤中注入泡沫劑，減小刀片扭矩，保證刀片加工具有一定和易性[4-5]。

2.3 大壩廊道補強處理

為了更好地了解碾壓混凝土的局部孔洞及裂縫的真實狀況，在正式灌漿之前，必須進行補強注漿[6]。大壩廊道補強孔序布置，如圖2所示。

圖2 大壩廊道補強孔序布置示意圖

對于圖2所示的補強孔序，設置的孔壓水參數見表1。

表1 孔壓水參數

廊道拱頂、上下游邊墻及廊道底部的鋼筋注漿孔與建筑物平面垂直，灌漿孔間距1.5m。走廊補強灌漿水壓力測試時，灌漿孔總孔數應大于等于5%，注漿孔的導孔數量不能低于2%[7]。

2.4 注漿施工

采用同步注漿與二次注漿的方法，及時地填補了管片后壁的施工空隙，避免了沉陷。

(1)同步注漿。通過監(jiān)測資料，對注漿量、注漿壓力進行實時調節(jié)，既能有效地防止地表隆升，又能有效地控制塌陷。通過優(yōu)化漿料比例、提高含沙量、減小漿液凝固收縮率、預防開挖斷面收縮、確保地層穩(wěn)定、控制沉陷[8-10]。

(2)二次注漿。在新陂頭河下，盾構施工必須及時進行二次注漿。注漿時，要從上往下逐步加壓，使之盡早達到設計要求。當注漿量較大時，應控制注漿壓力，使?jié){液濃度由稀逐漸濃稠[11]；當注漿量保持不變時，應持續(xù)減少漿液注入量，當灌漿速度小于1L/min時，持續(xù)灌注半個小時后停止灌漿[12]。

2.5 塌岸加固處理

水庫塌岸工程以漿砌石為主，采用M10水泥砂漿為黏結劑，其漿液厚度是設計厚度的1.5倍，注漿厚度8cm；灰泥砌筑面應放置干凈、濕潤(或干透的)石頭上，砌筑砂漿的拐角點和接頭要在同一時間進行。如果不能同時施工，則需留出臨時休息區(qū)域，并在斜坡上鋪設[13]。灰泥砌塊的尺寸及布置允許的誤差如下：頂面標高不大于10mm，長2m的上表面平整度不大于20mm；當石材放置到位后，立即進行豎向灌漿，并用振動(插入)搗致密實[14]。

3 防浪墻施工

根據水庫除險加固過程，計算墻身模板受力情況，通過壓力鋼管設計、鋼管防腐涂裝、壓力鋼管焊接、結構縫設計制作防浪墻。

3.1 墻身模板受力計算

3.1.1浮力計算

考慮到混凝土與鋼襯之間的粘附力，采用鋼管自身重量與浮力平衡的原理，對鋼管的浮力進行了計算。以延米為計算單元，鋼管重力計算公式為：

G=mg

(1)

式中，m—鋼管質量。在該參數支持下，鋼管所受浮力計算公式為：

F浮力=ρ1gV1

(2)

式中，ρ1—混凝土密度；V1—鋼管排開混凝土的體積。

在混凝土澆筑過程中，量水間內襯鋼管所承受的浮力與鋼管重力相同，應嚴格控制注漿速度，實現澆注過程穩(wěn)定。

3.1.2壓力計算

使用內部振搗器，振實混凝土時對防浪墻模板造成壓力計算公式為：

F壓力=ρ2tδεV2

(3)

式中，ρ2—混凝土表觀密度；V2—混凝土體積；t—混凝土澆筑凝結初始時間；δ—外加溶劑對壓力造成的影響系數；ε—影響修正系數。

3.2 模板設計

3.2.1壓力鋼管設計

根據水庫閘鋼管結構以及現場場地環(huán)境，設計的壓力鋼管如圖3所示。

圖3 鋼管分節(jié)圖示

由圖3可知，鋼管生產分節(jié)長度從上游至下游依次為：左岸，6、6、6、6、3、3、4.8、3.7、6m；中線，6、6、6、6、6、4.8、3.7、6m；右岸，6、6、6、6、6、4.8、3.7、6m。

3.2.2鋼管防腐涂裝

在確定壓力鋼管參數后，設計防腐涂裝流程，如圖4所示。

圖4 鋼管防腐涂裝工藝流程

表面處理是保護涂層的關鍵，清除表面油脂、氧化皮是處理的關鍵環(huán)節(jié)。表面處理的主要目標是保證所有對防腐層性能有影響的雜質都被徹底清洗，從而降低了早期腐蝕概率；并使涂層表面粗糙，確保涂層具有足夠的粘附性[15]。

3.2.3壓力鋼管焊接

在鋼管縱向和環(huán)形焊縫焊接之前，要注意鋼管位置和焊縫位置是否有裂縫，并及時觀察焊縫口的油污、銹跡是否清理干凈。在正式焊接壓力鋼管時，對于碳素和低合金的I級焊縫，不能留有定位焊縫；為了減小變形和收縮應力，應在焊接前確定好位置和順序，由部件周邊約束最大的部分開始，向約束較小部位推進。

3.3 結構縫設計

使用埋弧焊焊接壓力鋼管，保證焊道每一層厚度都要控制在4～5mm之間。在焊接過程中，一旦遇到某種原因而出現焊接中斷問題，應在坡口內引弧、熄弧。設置電弧焊焊道連接間距為25mm，被焊零件的焊接端頭的電弧和滅弧點必須與被焊材料相同或兼容。焊工完成后，進行自我檢查。一、二類焊接自檢合格后，用涂料在焊縫周圍作相應標記。

3.4 模板制作

防浪墻混凝土的澆注分為2步：一步至樓頂，二步至墻體。在進行第二次注漿之前，應保持混凝土濕潤，并且不能存在大量積水。經過工程人員驗收后，才可進行下一步澆注，由此澆注得到的防浪墻模板如圖5所示。

圖5 防浪墻模板

由圖5可知，混凝土澆筑厚度應符合投標文件技術條款規(guī)定的30～50cm，由此能夠起到防浪效果。

4 試驗

4.1 地表變形試驗

根據國內外盾構工程的經驗，結合該段特殊的地質條件，提出了一種以+10～-30mm為基礎的地表隆升及沉降控制標準。地面沉降監(jiān)測段的間隔為10m，分別位于線路的左、中、右和兩側，地表沉降監(jiān)測點布置平面示意圖如圖6所示。

圖6 地表沉降監(jiān)測點布置平面示意圖

在觀測時，必須嚴格控制各種限制，每個點的讀數偏差不得大于0.3mm，對于非水平路徑的觀測點，每個站點不得多于3個，如果超出了，則要重新讀取后視點的讀數進行檢查。

使用所研究方法統(tǒng)計單點隆陷范圍，見表2。

表2 單點隆陷范圍統(tǒng)計分析 單位：mm

由表2可知，使用所研究方法單點隆陷范圍在控制標準范圍內，說明使用所研究方法地表變形是可控制的。

4.2 離心試驗

采用數值模擬方式對離心試驗完整過程進行數值模擬分析，模擬加載過程與離心試驗保持一致。結合離心模型尺寸，構建數值模擬有限元模型，如圖7所示。

由圖7可知，該模型共存在12960個節(jié)點和10510個單元，對模型施加來自XYZ 3個方向的約束力。將地表變形沉降與離心試驗測得的沉降進行比較，見表3。

圖7 數值模擬有限元模型

由表3可知，使用所研究方法獲取沉降深度統(tǒng)計結果與實際值只存在最大為9cm的誤差。

表3 沉降深度統(tǒng)計分析

基于此，將所研究方法與實際變形情況進行比較，如圖8所示。

圖8 防浪墻變形結果對比

由圖8可知，使用所研究方法與實際變形結果吻合，分布規(guī)律基本一致，最大沉降發(fā)生位置也吻合，說明使用該方法能夠制作出理想防浪墻，使用該防浪墻統(tǒng)計2022年7月23日發(fā)生的較大洪水，洪水流域平均降雨量達到199mm，為了減輕下游防洪壓力，水庫錯峰10h，截至2022年7月31日攔蓄洪水量，見表4。

由表4可知，使用所設計的防浪墻能夠起到良好防浪效果。

表4 攔蓄洪水量 單位：萬m3

5 結論

綜上所述，本文研究涉及復雜地質的水庫除險加固工程防浪墻施工技術，得出如下結論。

(1)地表變形試驗直觀體現了水庫除險加固工程通過溢流壩段加固處理、盾構施工開挖面平衡處理、大壩廊道補強孔序布置、二次注漿、加固塌岸過程，表明所研究方法具有良好加固效果。

(2)通過離心試驗體現了所研究方法防浪墻變形與實際變形結果吻合，在模擬150萬m3洪水量范圍內能夠起到良好防浪效果。

本文研究具有良好的應用性，但在實際施工過程中步驟較為復雜，耗時較長，未來將進一步優(yōu)化設計方案，從而提高施工效率。