葠窝水库深水钢管桩围堰施工技术

栗 佳

(辽宁省清河水库管理局有限责任公司，辽宁 铁岭 112003)

1 工程现状

葠窝水库位于辽宁省辽阳市以东约40km处的太子河干流上，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、工业用水，并结合供水进行发电等综合利用的大(2)型水利枢纽工程。水库1974年竣工。

葠窝水库大坝为混凝土重力坝，由挡水坝段、溢流坝段、电站坝段三部分组成，大坝全长532m，共31个坝段，坝顶高程103.50m，最大坝高50.30m。

溢流坝段位于主河床，堰顶高程84.80m，设14个溢流孔，由14扇12m×12m弧形钢闸门控制。闸墩间隔布置6个泄流底孔，采用3.5m×8.0m平板钢闸门控制，水库最大泄量23150m3/s。

2 目前存在的主要问题及变更方案选定

初设批复是在水库放空的前提下进行除险加固，施工导流采用围堰挡水、利用永久底孔过水的分期导流方式，围堰填筑在放空水库后进行。

在水库泄空过程中，库底淤积进入下游河道，水库坝下落淤严重，因此需重新调整施工方案。

水下混凝土浇筑方案由于工程质量，尤其是新老混凝土结合不能保证，水下施工效率低，工期不易控制，投资增加多，不建议采用。

变更主体结构不能保证彻底解决所有的水库病险问题，风险大，悬挂面板采用钢筋混凝土结构裂缝不易控制，采用沥青混凝土结构存在耐久性问题，都不是最优方案。

经综合比较，变更方案大坝主体工程结构型式仍维持原初设批复，通过变更临时工程解决水库不能放空的问题，因此坝前单排钢管桩围堰方案为推荐方案。

3 钢管桩围堰设计

3.1 围堰地质条件

3.1.1 地层岩性

本次勘察通过钻探揭露的地层自上而下叙述如下：

①层淤泥(Q4l)：灰黑色-黑色，饱和，流塑，含有机质及上游排放的矿粉。层厚1.6-4.3m。轴线均有分布。

①-1块石：灰黑色碎石、块石，弱风化，多呈棱角状，块径可达100mm以上，粒径100mm以上块石含量可达50%。该层分布在左岸坡脚及老围堰处，钻孔BK4、BK6处揭露。

②层砂卵砾石：杂色，饱和，密实，分选性差，级配较好，磨圆度较好，层厚0.9-6m，钻探揭露卵石最大粒径可达100 mm，含量占约40%以上。卵石间充填淤积的粗砂、砾砂以及矿粉颗粒等，呈灰黄色、灰黑色。该层局部夹有块石，推测为大坝坝基开挖渣体，块石成分为灰黑色变粒岩，与坝基岩性一致，块石粒径钻孔揭露最大可达100mm。轴线均有分布。

③变粒岩：灰黑色，弱风化，变晶结构，块状构造，岩芯多成短柱状，局部呈碎块状，岩石坚硬。

围堰沿线地层分布情况及特征见图1。

图1 拟建围堰轴线工程地质剖面图

3.1.2 桩基施工建议

根据勘察揭露的地质条件，结合搜集的资料，设计与施工中应注意以下3点：

1)两侧岸坡较陡，表层覆盖1-3m碎石土，局部岩体裸露，且较破碎。

2)原纵向围堰位置钻探揭露块石粒径较大，可达100mm以上，含量可达50%，未发现整体混凝土结构。

3)坝基弱风化变粒岩岩石强度较高，据原勘察资料，岩石单轴饱和抗压强度可达60MPa以上，不利于管桩入岩施工。由于表层岩体局部裂隙发育，岩体破碎至较破碎，透水性强。因此，基抗开挖施工会出现较大出水量。

3.2 围堰顶高程确定

根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2017)a)3.2.1条要求，导流建筑物应根据其保护对象、失事后果、使用年限和围堰工程规模划分为3-5级，具体按规范表3.2.1确定。

本工程永久性主要建筑物级别为2级，按照表格要求，导流建筑物级别为4级。不过水围堰堰顶高程应不低于设计洪水的静水位与波浪高度及堰顶安全加高值之和。

根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2017)6.3.3条要求，不过水围堰堰顶高程和堰顶加高安全值应符合下列规定：堰顶高程不低于设计洪水的静水位与波浪高度及安全加高值之和，其堰顶安全加高不低于规范表3.4.10值。

本工程为钢管桩围堰，上游堰顶高程计算时计算波浪高度0.83m，围堰级别为4级，安全加高值为0.3m。

波浪爬高采用莆田公式计算。

Δh=hm+hc

(1)

式中：Δh为围堰顶至堰前水位的高差，m；hm为波浪高度，m；hc为安全超高，按0.3m采用。

经计算，Δh = 0.83 + 0.3 = 1.13，堰前水位为77m，围堰顶高程需高于77m水面高程1.2m，因此围堰顶高程为78.20m。

3.3 围堰安全等级确定

本工程围堰顶高程为78.20m，最低底高程56.00m，堰前挡水水位77.00m，因此围堰高度22.20m，围堰水深21.00m，根据《钢围堰工程技术标准》(GB/T 51295-2018)3.0.5要求，围堰高度>10m，围堰水深>8m，因此围堰安全等级属于一级[1]。

3.4 围堰布置原则

为满足工程主体结构要求，围堰布置应符合下列原则：

1)围堰与主体结构的净空间和地下水控制应满足主体结构及其防水的施工要求。

2)采用内支撑，其设置应便于主体结构及防水施工，上下道支撑设置剪刀撑。

3.5 钢管桩围堰布置

在坝前上游修建单排钢管桩围堰，管桩轴线距坝体上游面7m，钢管桩采用管径1020mm，壁厚18mm的管桩。

采用水上打钢管桩，钢管桩围堰利用横撑与坝体上游面相连，横撑采用HW400*400*13*21工字钢支撑，水平间距为4.4m，垂直间距为2.7-5.0m，从上到下逐步加密。横撑与坝体接触部位采用φ28锚杆与600*640*10mm的钢板固定于坝面上作为支撑焊接件。钢管桩支撑横梁采用500*250*12*25mm(梁高*翼缘宽*腹板厚*翼缘厚)的焊接工字型钢梁。

钢管桩围堰内基础清理至基岩面，浇筑3.0-4.0m厚水下混凝土封闭。纵向钢管桩与坝体接触处采用橡胶止水带止水，围堰形成后在锁口内充填止水材料。

钢管桩上游全断面铺设土工膜，库底上游水平铺设长度10m，上压1m袋装土作为保证围堰防渗能力。

钢管桩施工完成后，为增强桩体与基岩接触部位的防渗效果和加强钢管桩的稳定性，在钢管桩底部进行钻孔灌注桩施工，灌注桩入岩2.0m。

3.6 钢管桩设计

钢管桩采用Ⅰ-C型锁口，钢管桩围堰结构由锁口钢管桩、围檩、内支撑及封底混凝土组成。

钢管径厚比应满足下式要求：

(2)

式中：D0为钢管外径，mm，取1020mm；ts为钢管壁厚，mm，取18mm；fy为钢材的屈服强度，MPa，钢管材质采用Q345B，取345MPa。

经计算，D0/ts=56.67，小于100*235/fy=68.12，因此选用管径1020mm，壁厚18mm的管桩满足径厚比要求。

钢管桩使用时间为当年9月至次年5月，环境腐蚀类型为水及大气腐蚀。由于工期较短，介质腐蚀程度较轻，无需对钢管桩进行防腐设计。

4 钢管桩施工

4.1 概述

本工程沉桩施工为钢管桩，桩径为0.8m，其中一期围堰161根，二期围堰267根，最大桩长约为21m。

4.2 施工工艺流程

钢管桩施工流程如下：

施工准备→锁口钢管桩制作→打桩船定位→钢管桩测量放线→钢管桩定位→吊桩→锤击沉桩→下一根桩。

4.3 施工方法

本工程钢管桩采用在综合加工厂加工制作，吊车吊装装运至运输船，打桩船进行沉桩施工。先进行定位桩施工，然后由打桩船配合安装导向架后，再由打桩船插桩后以往返复打的形式进行沉桩施工。先利用打桩船吊振动锤施打定位桩，然后安装导向架，桩船往复插打钢管桩，每组导向架内插打6-8根钢管桩。打完一个导向架内的桩后拆除导向架，进行下一组钢管桩的施工。

4.3.1 桩长加工

桩长考虑按设计桩长加工。沉桩过程中根据沉桩情况总结后，确定各最佳参数，以尽量减少水上接桩和过长截桩。加工时按宁长勿短的原则，以尽量避免水上接桩。

4.3.2 钢管桩生产工序

钢材检验→开卷→校平→切头→开坡口→对焊→铣边→进料→螺旋成型→内焊→焊缝清根→外圆周长测量→外焊→在线UT→等离子切割(飞切)→外观及尺寸检测→临时标记→手工UT→UT→RT→修补→修补处VT、UT/RT→桩靴制作→桩靴检验→最终检验→最终标识→交货。

4.3.3 焊接工艺

采用常温螺旋成型，双面自动埋弧法焊接。对焊前钢板开V形坡口，内、外坡口均为60°，整桩制作钢管桩。按焊接工艺规程进行试验验证并对焊工考评，保证焊接接头抗拉强度不得小于母材规定的最低抗拉强度。

尽量避免水上接桩，如偶尔发生桩长不够时，可按规范规定采取水上接桩，上节桩开单边V型坡口，坡口角度45°-55°，桩内部设置内衬套，内衬套预焊在上节桩底，现场套装于下节桩中，再用手工焊接。焊接前，按规范对焊接工艺进行考评，焊条按规范采用E4303焊条。手工焊接后，对焊缝进行无损探伤检测。接桩所用合格管节长度>2m，两个对接管节螺旋焊缝错开1/8周长以上，焊接部的错开控制在4mm以下。

4.3.4 喷涂标识

1)每根桩均用黑底白漆喷涂标记，喷标文字为汉字加阿拉伯数字。

2)长度标识：每根桩从钢管顶端进行刻度标识，其中桩顶两侧每隔100mm喷水尺线；10m范围以外每隔500mm喷水尺线；并在整数米处喷涂数字。

3)每根管桩在管端内外表面喷管标，管标内容：桩管编号、桩管直径、桩管总长、钢材材质、制管标准、制造日期、制造厂名。

4.3.5 钢管桩验收

供应商负责钢管桩自检验收并提交检验证书及产品合格证书，会同项目部复检后及时报送监理进行最终验收，经最终验收合格后的钢管桩才可装船出运。

4.3.6 管桩运输

钢管桩由专业厂家生产，管桩经验收合格后，运输至施工现场后采用25t吊车吊装上打桩船。

4.3.7 沉桩施工

本工程最大桩长约21m，根据沉桩计划，拟采用1艘打桩船进行施工，考虑当地气象、水文等自然条件，以及打桩船的尺寸、桩架高度、吊重要求等，确定打桩船的型号。打桩船性能参数如表1所示。

表1 打桩船性能参数表

根据施工进度计划钢管桩沉桩计划安排1艘打桩船进行沉桩施工。

钢管桩施工前，先对桩船的抱桩器和背板进行改造。先进行定位桩施工，然后由打桩船配合安装导向架后，再由打桩船插桩后以往返复打的形式进行沉桩施工。先利用打桩船吊振动锤施打定位桩，然后安装导向架，桩船往复插打钢管桩，每组导向架内插打6-8根钢管桩。打完一个导向架内的桩后拆除导向架，进行下一组钢管桩的施工。钢管桩施工流程图，如图2所示。

图2 钢管桩施工流程图

导向架采用工字钢作为钢导梁和用斜撑加工而成。导向架的加工一般要满足钢管桩放入导向架后两边各有50mm的富余量，导向架加工完成后，通过验收以保证限位偏差在允许范围方能安装使用。

钢管沉桩由120kw振动锤插入后，然后拆除导向架，再用桩船沉桩，钢管桩不能一次沉入到位，往复来回沉桩。导向架示意图，如图3所示；插打钢管桩示意图，如图4所示。

4.3.8 沉桩顺序

本工程钢管桩施工顺序的主要原则：

1)由岸坡向水库中央方向推进。

2)沉桩前应结合沉桩允许偏差，校核各桩。

图3 导向架示意图

图4 插打钢管桩示意图

4.4 钢管桩防渗

钢管桩于坝体接触部位安装橡胶止水条，利用上游水压力压住止水条进行止水封闭。管桩施工完毕后于上游面铺设一层土工膜临时防渗，土工膜采用水上铺设，于土工膜一端固定沙袋，定位后配合潜水员沉入水中。水上抛投袋装土进行压脚，船体定位后人工抛投。

4.5 钢管桩沉桩控制措施

沉桩时要保证桩偏位不超过规定，偏位过大，给上部结构预制件的安装带来困难，也会使结构受到有害的偏心力。为了减少偏位，应采取以下措施:

1)在安排工程进度时，避开在强风盛行季节沉桩，当风、浪、水流超过规定时停止沉桩作业。

2)要防止因施工活动造成定位基线走动，采用有足够定位精度的定位方法，要及时开动平衡装置和松紧锚缆，以维持打桩架坡度、防止打桩船走动。

3)掌握斜坡上打桩和打斜桩的规律，拟定合理的打桩顺序，采取恰当的偏离桩位下沉，以保证沉桩完毕后的最终位置符合设计规定，并采取削坡和分区跳打桩的方法，防止岸坡滑动。

5 钢支撑施工

5.1 钢支撑结构

钢支撑结构示意见图5。

图5 钢支撑结构示意图

5.2 钢支撑加工

1)严格按照设计图纸进行加工，钢支撑连接必须满足强度连接要求。

2)本工程钢支撑主要分为围檩、内支撑和连接系。除围檩外，其余单根内支撑及连接系不得采用焊接连接和机械连接，应采用单根长度超过或等于需求长度的整根型钢。

3)锚板、接头等需焊接施工部位的焊接工艺和焊缝质量必须满足国家现行标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的规定。

4)焊接拼装工艺一次进行，当有隐蔽焊接时，必须先施焊，经检验合格后方可覆盖。

5)加工好的型钢支撑应在加工场所验收，并编号摆放[2]。

5.3 锚板和围檩施工

1)围檩安装：围檩安装时通过25t吊车自大坝坝顶吊装至工作面，然后由人工采用C型挂钩与钢管桩顶连接，保持固定到相应高度与水平位置。固定好后钢管桩与围檩连接面使用直径30的钢筋搭帮焊接，保证焊接强度与焊面大小，每根钢管桩与围檩相接部位均需焊接，不得缺焊、漏焊。

2)锚板由3cm厚600mm×700mm的Q345B的钢板与6根直径30mm锚筋焊接组合而成。锚筋对称分布在钢板两侧，每侧3根，单侧锚筋间距117mm。

锚板安装时，自大坝坝顶放置吊篮，作业人员在吊篮中沿钢支撑垂直线进行作业，不得水平移动吊篮。同时以围檩高度为基准，在大坝坝面混凝土上标识出锚板锚筋插入点，采用电锤钻孔，钻孔后使用风枪清孔，保证孔内无残渣、碎屑，清孔完成后孔内注入植筋胶，安装锚板，锚板安装时注意测量安装高度，保证锚板安装定位准确。

5.4 内支撑施工

围檩和锚板施工完成后，对每根内支撑进行编号，测量内支撑长度，进行内支撑加工，内支撑采用HW400×400×13×21工字钢梁，材质Q345B。内支撑设置柱脚，柱脚为焊接同材质的钢板，同时连接板与工字钢竖板之间设置加强板。内支撑两侧柱脚如图6所示。

内支撑采用25t吊车自大坝坝顶吊运至作业面，同时在钢管桩围堰顶部与大坝坝顶安设电动葫芦，内支撑两端吊运就位后，采用电动葫芦及人工辅助，保持内支撑位置就位。

内支撑与围檩的连接方式为螺栓连接，内支撑端部设置柱脚。为适应内支撑与坝体之间的距离偏差，在围檩翼缘与柱脚之间设置垫板。围檩与内支撑连接示意如图7所示。

图6 内支撑两侧柱脚结构图

图7 围檩与内支撑连接示意图

内支撑与锚固在坝体混凝土面上的锚板采用焊接方式固定。

内支撑之间、上下围檩之间设置连接系，杆件规格为工字钢20a。

5.5 质量控制

1)施工前应熟悉支撑系统的图纸及各种计算工况，掌握支撑顺序及支撑设置的方式、预应力及周围环境保护的要求。

2)施工过程中应严格控制开挖和支撑的程序和时间，对支撑的位置、每层水位深度、围檩与支撑或支撑与大坝的密贴度应做周密检查。

3)型钢支撑安装时必须严格控制平面位置和高程，以确保支撑系统安装符合设计要求。

4)应严格控制支撑系统的焊接质量，确保杆件连接强度符合设计要求。

5)支护结构出现渗水、流砂或开挖面一下冒水，应及时采取止水堵漏措施，淤泥清除和降水应均衡进行，以确保支撑系统稳定。

6)施工中应加强监测，做好信息反馈，出现问题及时处理。全部支撑安装结束后，需维持整个系统的安全可靠，直至支撑全部拆除。

7)密切关注支撑的受力情况，并由监测小组进行轴位移和受力监测，若超出设计值时，立即停止施工并通知设计及相关部门对异常情况进行分析，制定解决方案，待方案确定后及时组织实施，确保基坑安全。

6 结 论

通过采用钢管桩围堰，可以很好的避免水库淤积对下游河道的影响，且钢管桩围堰型式新颖，结构强度满足位移、内力及稳定性要求。施工中需加强观测，并防止渗漏。

该技术为水利工程施工围堰提供了一种新型施工工艺，具有广阔的推广应用前景。