西霞院工程水下建筑物混凝土缺陷修复施工关键技术研究实践

王京宇 刘焕虎

(1.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038；2.小浪底水利枢纽管理中心，河南 济源 454681)

1 工程概况

西霞院反调节水库是黄河小浪底水利枢纽的配套工程[1]，位于黄河干流中游河南省洛阳市境内，坝址左、右岸分别为洛阳市的吉利区和孟津县。上距小浪底水利枢纽(以下简称小浪底工程)16km，西霞院工程是一座以反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用的大型水利工程。水库总库容1.62亿m3，电站装机容量140MW，灌溉农田面积113.8万亩。工程规模为大(2)型，属Ⅱ等工程[2]。土石坝为2级建筑物。西霞院工程的泄水、排沙、发电建筑物集中布置在右岸滩地，其两侧布置复合土工膜斜墙砂砾石坝(见图1)。电站排沙建筑物由电站两侧的排沙洞和机组段的排沙底孔组成[3]。

图1 西霞院工程平面布置

2 现状问题

西霞院反调节水库经过了多次调水调沙运用，特别是2019年和2020年的“低水位、大流量、高含沙、长历时”泄洪运用。2020年11月2日至12月4日，黄河水利水电开发集团有限公司对西霞院反调节水库混凝土坝段水下建筑物进行了全面检查，发现6号排沙洞上游右挡墙修复部位112～114m高程钢筋笼底部严重淘空。根据汛后水下检查和修复工程施工前复检的对比，目前112～114m高程钢筋笼挡墙基础部位的淘空范围、淘空深度和影响范围均朝着破坏深度更深、破坏范围更大的趋势发展。掏空范围宽度约40m，垂直深度最大3.4m，纵向深度超过7m，预计总掏空方量超500m3。为确保西霞院反调节水库安全稳定运行，需尽快开展西霞院工程水下建筑物破坏修复工作。

3 实施方案

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图2。

图2 施工工艺流程

3.2 水上施工平台搭建

水上施工平台搭设设备包括水上施工趸船平台、吊车和机动驳船，平台吊装设备采用一台50t汽车吊固定在12m×30m的趸船平台上。坝顶到趸船间的大型设备及材料运输由50t驳船完成，泵送平台及通道由两艘平板趸船和一艘观光船组成[4-5]，见图3。

图3 水上施工平台布置平面图

平底船采用四角定位法固定，在平底船左岸上游100m处沉放一个四面体，作为锚固点，右岸上游侧采用未打捞出的船锚作为锚固点，使用前对钢丝绳进行检查。下游侧在坝顶交通桥泄水孔处设置锚点，拴钢丝绳固定船只。80m趸船一端安放在6号排沙洞闸墩上，一端向大船靠近，趸船之间用角铁固定，形成整体。在趸船前端向左岸约50m处，安放一个四面体，用于拴揽趸船。靠闸墩一端顶支在闸墩上，两侧用倒链牵引相邻闸墩上的预埋件，趸船尾部用旧轮胎支垫。趸船中部两侧以45°角向合适的闸墩上牵引缆绳，用倒链连接在闸墩预埋件上。趸船和平底船用缆绳拴揽，确保趸船锚固安全。

3.3 钢筋笼和钢模板支护

在114m高程基础淘空上游布设钢筋笼混凝土挡墙，挡墙自冲刷坑底至112m高程，钢筋笼采用六面体型式，长宽均为2.0m，高度根据实际冲坑深度加工，约比坑深高出50cm，局部衔接位置钢筋笼的形状、尺寸可根据挡墙实际布置位置进行适当调整，钢筋笼水下焊接；内衬钢丝网，密目网间距不大于10mm，结合现场施工工艺，根据实际情况保留或取消部分单侧网面，便于预埋注浆管和混凝土浇筑施工，零星钢筋笼基础淘空处理，采用钢结构模板立模浇筑水下混凝土，钢模板不拆除，当作防护工程的一部分，钢筋笼和钢模板支护位置见图4。

图4 掏空区修复平面图(单位：m)

3.4 插筋和预埋灌浆管

相邻钢筋笼之间利用插筋或卡扣连接，钢筋笼临水下回填混凝土面利用锚筋与回填混凝土连接，钢筋笼之间采用短插筋、连接筋连接或焊接。锚筋在钢筋笼安装到位后进行水下安装，采用HRB400热轧钢筋，钢筋直径22mm，长度由冲坑纵向实际深度确定，水平间距0.5m，上下两层错开布置。锚筋伸入钢筋笼内有效锚固长度不小于800mm，采取与钢筋笼焊接的方式进行有效搭接。钢筋笼如采用插筋连接，插筋应在钢筋笼安装到位后进行水下安装，采用HRB400热轧钢筋，钢筋直径22mm，长度1.5m，间排距0.5m，梅花形布置，插筋伸入相邻两钢筋笼各0.75m。插筋安装到位后，应采取有效的固定措施，以防止混凝土浇筑时移位或脱落。掏空部位纵向深度方向的插筋根据潜水员操作能力，要尽量长，并可在浇筑完挡墙部分后，增加伸向掏空部位的斜插筋作为补充。

由于基础淘空部位纵向深度较深，不能有效保证基础内部充填密实，根据水下检查地形情况，并结合淘空深度，在回填混凝土的掏空区域布置4根直径48mm的钢质灌浆管，用于浇筑后灌浆作业[6]。

3.5 浇筑水下不分散混凝土

水下不分散混凝土具有自密实的特性，对于挡墙基础淘空回填选用水下不分散混凝土[7-8]。根据实际需求混凝土等级不低于C25F100，且水下混凝土配置强度宜提高10%～20%；其胶凝材料用量不宜少于360kg/m3；絮凝剂用量每方约12.5kg。

为了防止混凝土离析，混凝土在水中有自由落差时，胶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径不宜超过20mm，选用一级配混凝土。

浇筑施工方法为：利用施工平台和通道架设泵送管道、竖向混凝土导管，使用汽车混凝土地泵泵送混凝土，水下潜水员配合，将混凝土浇筑至指定部位。浇筑作业共分两次进行，第一次浇筑钢筋笼挡墙和钢模板支护部分，浇筑完成并具有一定强度后，再进行下阶段钢筋笼挡墙内侧掏空区域水下混凝土回填施工。

3.6 回填注浆

基础混凝土回填完成后，通过预留注浆管，对基础浇筑不密实部位进行注浆。控制灌浆压力为1MPa，通过4根直径48mm的钢质灌浆管，分别灌注普通硅酸盐425水泥浆[9]。灌浆的水灰比按照前期3 ∶0.1、后期1 ∶0.1、终孔0.6 ∶0.1控制。

3.7 布置钢筋石笼护脚

钢筋笼混凝土挡墙112～114m高程上游采用钢筋石笼防护，钢筋石笼摆放呈前低后高形式，摆放高度不超过钢筋笼混凝土挡墙，周边块和前后排直接采用锰钢链和D形扣连接形成饼状。石笼尺寸采用2.0m×1.0m×1.0m(长×宽×高)，间距150mm，钢筋为直径为16mm的HBR300热轧钢筋，前缘边块和衔接块部位的形状和尺寸根据实际摆放情况加工；钢筋石笼直接采用不锈钢卡扣连接，为保证连接效果，卡扣形式根据现场吊装试验确定；石笼一般长度方向顺水流向放置，前缘边块和衔接块部位可根据设计边界形状适当调整方向，抛填时应尽量错缝摆放。钢筋石笼内所填石料应是坚固密实、耐风化、遇水不易分解破碎的大块石料，粒径应大于网孔孔径[10]，局部冲坑较深位置可适当增加钢筋石笼数量，具体数量可根据实际地形调整，钢筋石笼布置见图4。

4 结 论

2021年3—5月，完成西霞院水库坝前水下混凝土缺陷修复施工，共回填浇筑C30水下不分散混凝土568m3，回填灌浆0.8t，布设钢筋笼挡墙16个，布置护脚钢筋石笼112个。通过2021年汛后检查，6号排沙洞上游右挡墙修复部位未再出现冲刷掏空现象，修复效果良好，证明搭设水上施工作业平台和浇筑水下不分散混凝土的施工工艺和方案，适用于西霞院工程上游铺盖混凝土冲刷掏空的修复工作，也为今后水下建筑物混凝土缺陷修复提供了借鉴和指导。