南水北调中线工程某河建筑物透水防冲墙防护施工技术

陈 润

(贵州省水利工程建设质量与安全监测中心,贵阳 550000)

0 引 言

通常情况下,防冲墙是一种设置在水工建筑物基底或水平护砌末端的垂直墙体结构,其作用是阻止水流淘刷对建筑物的地基及基础安全造成不利影响,一般应用在水利枢纽工程中[1]。随着我国铁路、高速公路、大型水利枢纽等重大基础设施建设工程的快速发展,跨河建筑物也越来越多。在此过程中,因大规模无序开发而导致的沙土塌陷,严重威胁到穿河建筑物的使用安全。穿河建筑物附近的河道采砂严重影响建筑物的稳定性,由于大量开采而产生的采沙坑,不仅对河道的水、沙等动力学特性产生一定的影响,而且对邻近建筑物造成一定的威胁。此外,穿河建筑物在洪涝灾害下,还会受到砂石坑冲刷的影响,进而威胁到过江工程的整体安全。因此,对穿河建筑物的基础安全监测和保护加固是工程设计中的共性问题[2]。

南水北调中线工程途经长江、淮河、黄河、海河四大流域, 与多条河流存在交叉,沿线有众多穿河建筑物[3]。某工程是南水北调中线穿河的大型交叉建筑物,位于太行山前的冲洪积倾斜平原上,地势宽阔而平坦。该工程的场区具有河谷地貌,呈宽浅型;工程上游河的高程范围100.5～105m;工程下游处有一条宽约10m的人工堤,该堤将其分为北支与南支两个部分。2012年,北京发生“7.21”强降雨洪灾,造成该工程下游的结构外露[4]。同时,下游的砂石深坑对该工程的安全性造成较大的影响,因此还需对该工程的结构进行复核,并根据暗渠附近砂石深坑情况制定输水暗渠防护加固方案。

1 南水北调中线工程穿河建筑物的透水防冲墙施工工艺研究

1.1 南水北调中线工程穿河建筑物防冲墙结构分析

南水北调中线工程穿河建筑物位于河南,属于卫河的海河盆地的一个分支。该工程是我国南方调水工程第一期工程总干渠的穿河建筑物[5]。初步设计时,该工程的河道纵坡约为0.003,并按照该纵坡对河床的一般冲刷影响设计了防冲护砌。计算工况为:暗渠一侧因水流冲刷而出现的冲坑,由于暗渠结构的布置对称,因此其基地的最大与最小应力公式如下:

(1)

式中:∑G为作用在暗渠上的全部竖向载荷;∑M为载荷对基础地面形心轴的力矩;A为暗渠单宽底面面积;L为暗渠垂直方向的水流宽度;e为偏心距。

施工区域为平原型河流,近年来由于受砂石料大量开采的影响,与原本设计时相比,其河床的断面等形态发生了极大的变化,导致河道洪水过程受到影响,因此需要计算复核下游河床的一般冲刷。本研究主要针对20年一遇及以下的洪水进行一般冲刷计算复核,河槽土的平均粒径为52.45mm,主要河槽土冲刷的深度计算公式如下[6]:

(2)

式中:hmc、hc分别为河道的最大深度和平均深度;Bc为流经河道的净水流宽;Qc为设计的河道断面流速;E为一个与洪季含沙有关的系数;A为一种宽度流速的集中度;Dc为河道土壤的平均颗粒大小。

该工程经“7.21”暴雨洪水冲刷后的下游河床纵坡约3%,因此在工程设计时,下游河床稳定纵坡均可取3%。根据计算结果可以得出,南支防冲墙的冲刷影响线标高为54m,而北支防冲墙断面上的则为46m。根据布氏理论,防冲墙的受力简图见图1。

图1 防冲墙受力体系简化图

图1中,由力的平衡条件可知,在防冲墙下段的B点应当满足∑MB=0,∑H=0。其中,∑MB为所有压力对B点的总力矩;∑H为所有压力对B点的总力。防冲墙的下游侧悬空点与载荷密度为0点的高度差μ,与1.2倍的荷载密度为0点与防冲墙底B点高度差之和表示其嵌固的深度。Ep为被动压力的一部分,是各种主动压力之和。被动压力反力的另一部分被P所取代。μ通过荷载密度为0的条件求出,通过对B点取矩,即可得到X。防冲墙的最大弯矩在墙剪力为0的位置,即C点处。当取∑Qc=0时,即可求得xm。再对C点进行求矩,即可求得防冲墙的最大弯矩Mmax。防冲墙的设计断面包括圆形与矩形断面两种样式,见图2[7]。

图2 北支河道矩形与圆形断面透水防冲墙横剖面简图

由图2(a)可知,南支透水防冲墙的墙厚1.2m,高度18.5m。该墙全长257m,单元槽段的长度与间距分别为5.0、0.6m,共分为48联。北支透水防冲墙的墙厚1.5m,高度25.0m。该墙全长为276m,单元槽段的长度与间距分别为4.5、0.6m,总共56联。矩形截面防冲墙均采用冲击钻孔的方法,通过主孔钻凿与副孔劈打来施工[8]。

由图2(b)可知,圆形断面的南支透水防冲墙的墙厚1.5m,高度18.5m。该墙全长257m,总共设置138根圆桩,桩间距离0.5m。北支透水防冲墙直径1.5m,高度25.0m。该墙全长276m,总共有138根圆桩,桩间距离0.5m。圆截面的防冲墙体都是通过旋转钻凿和钢管护壁的施工方式实现。矩形与圆形的断面型式在工程造价上相差不大,断面选择取决于施工方式和进度。

1.2 南水北调中线工程穿河建筑物透水防冲墙施工方法

该工程的暗渠防冲墙主要分为南支与北支防冲墙两部分。其中,南支透水防冲墙的墙厚1.5m,高度18.5m。该墙全长257m,共设置138根圆桩,桩间距离0.5m。北支透水防冲墙直径1.5m,高度25.0m。该墙全长276m,总共有138根圆桩,桩间距离0.5m。

由于旋挖钻孔和钢筒护壁的施工方法具有速度快、污染少等优点,因此将其作为透水防冲墙的主要施工方法,其工艺流程见图3[9]。

图3 旋挖钻孔和钢筒护壁的工艺流程

由图3可知,该施工工艺是在钻孔深1～3m的基础上,利用钻机的护筒式传动装置,将护筒式传动装置按下,进行垂直度的测量。在机架摆动和钻杆跳动的情况下,则不再对护筒进行加压。然后使用钻头取土,并使用校正液压油缸对钻杆的垂直度进行调整,以保证成孔的精度。在取土至离护筒的底部深度为1m时,则可开始接下一节护筒,并重复操作,直至设计桩的底高程,形成桩孔。当距离设计桩的深度为0.5m时,则通过旋转钻头对孔底的浮土进行清除。最后将钢筋笼放入孔中,并进行混凝土的浇筑工作。

首先需要进行的施工步骤是钻孔。由于施工区域位于拒马河冲洪积扇的上部,横穿河的南支和北支,均为砂卵石地层,因此在造孔前先进行桩线定位。钻孔设备选用SG35钻机,在桩的位置被确认和检查完毕后,立即将钻机送至指定位置,并对钻孔进行垂度调节,以防止钻孔出现偏斜。然后安装护管,并取出钻具,重复操作步骤,直至钻孔完成为止。

第二个步骤是制备泥浆。在对泥浆进行搅拌时,应选择膨润土、高聚物等,并配备相应的水泥砂浆贮存工具。泥浆的配比视土层情况而定,泥浆的配合比见表1。此外,当遇到含盐或化学污染时,则应配置专用的泥浆。膨润土应充分水化,新拌制泥浆应被贮存一天以上。在使用循环泥浆之前,应对其进行出砂或沉淀处理。

表1 泥浆配合比及黏度

下一步骤是进行清孔与换浆,其目的是确保孔底的沉渣厚度与浆液符合设计要求。首先要保证孔的深度符合设计要求;其次要保证孔的直径、垂直度、方位的精确性;最后再清除孔中的杂质。当停止进尺后,略微提起钻头,让其在距孔底10～20cm处空转,且需保持泥浆流通顺畅。以中等速度压入密度在1.0～1.05g/m3的泥浆中,并替换掉钻渣含量较高的泥浆,直到清除孔底所有钻渣。钻孔结束后,在放入钢筋笼之前,应先对钻孔直径和钻孔深度进行检验[10]。

然后制作钢筋笼并进行安放。首先对钢筋的表面进行铁锈、油漆等清理,对钢筋的原材料、直径等参数进行严格控制。在处理钢筋之前,要完成对下料清单的制定,对钢筋进行焊接重叠,其焊缝长度要超过钢筋直径的10倍。在钢筋加工车间,采用托架成型的方法,将钢筋笼集起来,然后用挂车运输至桩旁[11]。在清理完毕后,从50t履带下面穿过钢筋笼。图4为混凝土的水下灌注过程。

图4 水下灌注混凝土的过程

由图4可知,在确保混凝土满足要求后,利用管道法对其进行水下灌流。导管由0.3m的钢管组成,标准管节长度为2～4m,短管长度一般为0.5～1.5m。导管布置在距离桩基150～250mm处,混凝土浇筑之前,导管内部有一个直径250mm的球形密封塞。在导管上方放置封口板,在灌注漏斗中装入混凝土。在进漏斗时,应确保混凝土和易性良好,坍落度为18～22cm。在灌浆过程中,对管道中的水平面升高及混凝土沉降进行观测。同时,记录深入混凝土中的导管长度以及混凝土灌注的高程,严格控制导管的提升与拆除时序,详细记录导管在混凝土中的深度和浇筑高度,并对其吊装和拆卸顺序进行严格控制。在施工过程中,应逐步将导管提起,当其达到接头外露口的合适高度后,再迅速拆卸1～2节导管,并将时间控制在0.25h之内。在混凝土灌注完成后,遮盖并防护桩头。在满足设计要求后,采用环切法对超高部分进行桩头凿除[12]。

2 结果分析

本次研究设计该工程的北支透水防冲墙直径1.5m,高度25.0m。该墙全长276m,总共有138根圆桩,采用旋挖钻孔和钢筒护壁的施工方法。为了对比其与冲击成孔施工方法的成孔功效,试验选择桩长20～30、30～40、40～50cm的圆桩,在非岩层、微风化岩层以及普通岩层中进行钻孔对比。两种施工方式的成孔功效见表2。

表2 旋挖和冲孔两种成孔工效对比结果

由表2可知,旋挖钻孔与冲击成孔的工效均随着圆桩孔的深度增加而有所提高,并且旋挖钻孔的工效提升速度要比冲孔大。在3种不同的地质层中,旋挖成孔的平均工效分别为22.27、30.64、9.95。表明成孔的深度越大,旋挖成孔的工效比冲孔工效越好。旋挖成孔与冲孔工效在微风化岩层区域施工时达到最大比值,为3.35。而二者在岩层与非岩层的施工环境中,旋挖成孔均比冲孔的施工工效好。

综合而言,旋挖成孔方式在桩长较深、岩层丰富的条件下,能最大限度发挥其优越性。因此,选用圆形断面旋挖钻孔与钢筒护壁的施工方式满足防冲墙工程的施工要求。图5为工程的一般冲刷计算复核结果。

图5 一般冲刷计算复核结果(单位:m)

由图5(a)可知,南支河道的初步设计与计算复核随着洪水频率的增加,其一般冲刷深度逐渐降低。在洪水频率为0.33%、1%、2%时,南支河道初步设计与计算复核一般冲刷深度相同,分别为2.34、1.91、1.40m;当洪水频率大于10%时,南支河道的计算复核比初步设计的一般冲刷深度要大。

由图5(b)可知,北支河道的初步设计与计算复核随着洪水频率的增加,二者一般冲刷深度的变化趋势相同。在洪水频率为0.33%、1%、2%时,北支河道初步设计与计算复核一般冲刷深度均呈下降趋势;当洪水频率为10%时,二者的一般冲刷深度均有明显增加;在洪水频率在10%～50%时,北支河道的计算复核与初步设计均呈下降趋势;当遇到10年一遇的洪水灾害时,下河受砂石的影响保持较低水位,河道的冲刷深度最大。

本研究对北支与南支河道进行透水防冲墙设计施工后,二者断面的最大冲刷深度结果见图6。

图6 施工前后北支与南支河道防护墙各断面冲刷深度

由图6(a)可知,施工前的南支河道防护墙断面的冲刷深度均比施工后的冲刷深度要大。施工前的最大冲刷深度7.06m,施工后的冲刷深度2.42m,二者相差4.64m;在施工前的南支河道防护墙断面的最小冲刷深度2.98m,施工后的断面冲刷深度1.63m,二者相差1.35m。施工前后,南支河道防冲墙的冲刷深度平均相差为2.62m。

由图6(b)可知,施工前的北支河道防护墙断面的冲刷深度均比施工后的冲刷深度要大。施工前的最大冲刷深度11.76m,施工后的冲刷深度7.13m,二者相差4.63m。在施工前的北支河道防护墙断面的最小冲刷深度6.44m,施工后的断面冲刷深度4.12m,二者相差2.32m。施工前后,南支河道防冲墙的冲刷深度平均相差为6.88m。

结果表明,对该工程南支和北支河道防护墙进行设计施工后,能有效增强防护墙的透水防冲性能。

3 结 论

本文对南水北调中线工程中的穿河建筑某工程进行了透水防冲墙的设计施工。结果显示,在3种不同的地质层中,旋挖成孔的平均工效分别为22.27、30.64、9.95,且旋挖成孔均比冲孔的施工工效好。因此,选用圆形断面旋挖钻孔与钢筒护壁的施工方式满足防冲墙工程的施工要求。南支河道防护墙断面的冲刷深度均比施工后的冲刷深度要大,施工前后该河道防护墙断面的冲刷深度相差1.35m。北支河道防护墙断面施工前后的河道防冲墙冲刷深度平均相差为6.88m,表明研究的河道防护墙施工方法能有效增强防护墙的透水防冲性能。