涂伟成，杨明波

(中交二航局第一工程有限公司， 武汉 430012)

坝下泄洪顶冲区大型围堰施工关键技术

涂伟成，杨明波

(中交二航局第一工程有限公司， 武汉 430012)

论文依托富春江船闸扩建改造工程，研究总结了该工程水上围堰的设计优化、防冲稳定、防渗、防护、监测及维护管理等技术要点。

运行枢纽; 围堰; 防冲稳定; 防渗; 监测

1 工程概况

富春江船闸扩建改造工程位于钱塘江中下游桐庐县富春江水电站枢纽右岸，工程拟在原有船闸下游新建一座Ⅳ级标准船闸(兼顾1 000 t级船舶的过闸要求)。原有船闸加固后作为上游引航道，新建船闸包括上游引航道、上闸首、闸室、下闸首和下游引航道，混凝土浇筑总方量约42万m3。作为全国首座在运行枢纽工况条件下的扩建改造船闸，其围堰布置在大坝泄洪区，距大坝下游仅约35 m，围堰的抗冲稳定性能否满足要求，是整个项目顺利实施的成败关键。

1.1 总体布置

施工围堰布置在原大坝右岸老船闸下游侧，是富春江船闸改造工程安全施工的保障性建筑物，起点从老船闸的闸室左边墙开始，至下游江心洲河滩止，平行于扩建船闸的左边墙轴线布置，围堰总长达1 613 m。

1.2 工程特点、难点

1)富春江水电站为日调节河床式水电站，当上游来水流速超过3 000 m3/s时，水库必须泄洪。大坝设有17个泄洪孔，每孔设计泄洪流量1 100 m3/s。自1969年至2008年统计，枯水年泄洪天数为4天，平水年为14天，丰水年为17天，年平均泄洪2.6次，泄洪期水位落差达16 m，经数学模型模拟分析，最大泄洪流速达12 m/s，流态复杂具有很强的冲砸效应，泄洪期主要在4～7月。除泄洪期外，电站每日开机发电，发电流量400～3 000 m3/s，坝下尾水位的变幅达6 m；

2)围堰的抗冲稳定性能否满足要求，是整个项目顺利实施的成败关键；

3)施工期间，电站每日开机发电，坝下尾水位的变幅达6 m，且土石围堰为砂卵石回填料，厚度较大，给混凝土防渗墙成槽及防护施工造成极大困难；

4)顶冲段河床基岩起伏较大，给防冲结构施工造成较大困难。

2 围堰设计

根据工程特点，围堰设计分上、下两层，在施工期间，围堰挡水标准采用非汛期(10月～次年4月)10年一遇洪水标准，流量为7 110 m3/s；下层主体围堰为过流围堰，设计过水标准为全年10年一遇洪水标准，流量为15 300 m3/s[1]。

下层主体围堰即为混合结构的过水围堰。对于坝下至0+185桩号处于枢纽泄洪消能区段，在10年一遇洪水以下，泄洪消能水垫不足，其纵向围堰过流保护结构顶高程及防渗墙顶高程设置在6.5 m，并对与老船闸相衔接130 m范围迎水面采用相互连接的钢筋混凝土预制沉箱加抛石防护的加强结构作为防冲结构物；对于0+197～0+788段，按照电站满发流量Q=3 070 m3/s，相应水位为9.2 m，确定堰体防渗墙施工平台高程为9.5 m。防渗墙施工完成以后，堰面5.0 m高程以下采用模袋混凝土+格宾石笼防护，5.0 m以上高程采用钢筋石笼+混凝土面板防护，背水面的护面结构采用钢筋石笼+混凝土面板防护一直延伸至船闸外侧灌砌石防冲护坦的齿墙。

上层设置子围堰，顶宽6 m，顶高程为12.5 m，两侧坡比为1∶1.5，采用土工膜心墙防渗，堰体采用河滩砂砾料填筑，迎水面设60 cm厚理砌块石护面，在汛期大洪水时临时拆除过水。图1、图2为围堰断面结构图。

2.1 防冲结构优化

鉴于围堰布置在大坝泄洪区，为抵抗大坝泄流的破坏力，原设计顶冲段迎水侧布置30个预制沉箱作为防冲结构，但根据抗冲稳定性、河道通航条件、设备资源、进度、经济性等各方面综合分析，另提出了整个下放钢套箱现浇沉箱方案，并进行了方案比选，见表1。

表1 沉箱施工方案比选表

1)沉箱预制方案：沉箱选择在唐家洲上分节预制，建造临时出运码头，并对码头前沿的出运水域通道进行疏浚，通过驳船运输至安装位置，采用浮吊安装。

2)沉箱现浇方案：首先进行纵向堰体砂卵石料的填筑，从唐家洲向大坝方向填筑，同时进行沉箱钢套箱模板分节制作，陆运至沉箱布置区域进行拼装，浮吊直接起吊安装钢套箱，陆上天泵浇筑水下混凝土。

3)方案比选：根据沉箱预制、现浇两种施工方案优缺点，综合整个围堰施工中设备需求、抗冲性能、安全性、进度及经济性进行对比，沉箱现浇方案可满足进度、抗冲性好、安全可靠，且施工可行性高，成本与预制方案相当，故选用沉箱现浇方案。

2.2 防护结构优化

围堰桩号0-070～0+185顶冲段，原设计钢筋混凝土护面板顶标高为6.5 m，电厂每日开机发电，外侧水位大部分时段高于6.5 m，致使护面板有效施工时段短，因此调整顶冲段防护结构标高至9.0 m，护面板厚度由原来0.6 m加厚至0.8 m，并与沉箱有效连接，确保抗冲稳定。

3 围堰施工

3.1 围堰填筑

围堰填筑前，须先对河床围堰防渗墙轴线3 m范围内大于20 cm以上的大块石进行清理。纵向围堰以陆上推进回填方式施工为主，水上方驳回填为辅。为减小混凝土防渗墙、高喷防渗墙的施工难度，提高施工效果，围堰填筑时，防渗墙轴线区域的尽量选用级配较好的细骨料或者粘土含量较多的细料回填，并控制回填料宽度不小于3 m。优先完成横向围堰填筑，通过横向围堰断流减少江水对纵向围堰土石方填筑时的冲刷。

3.2 沉箱施工

围堰在0-070 m～0+060 m顶冲段迎水面布置30个沉箱，沉箱平面尺寸5.0×5.0 m。图3为沉箱施工工流程。具体施工步骤如下：

1)施工前，通过扫海测量及潜水员下水触摸，确定沉箱基床岩面标高及起伏情况；

2)根据实测岩面标高确定整平后的标高，通过抛放袋装砼将沉箱四周基床整平至安放标准，然后安放混凝土垫块及整平导轨检验。

3)钢套箱模板加工制作，汽车运至现场拼装。模板采用5 mm厚钢板，∠50×6 mm角钢作次肋，间距450 mm；主肋由2根槽10 cm双拼。模板分两次拼装，后场分节拼装，拼装高度2～3 m；前场整体拼装，将分节拼装好的钢套箱模板安装成一个整体。模板吊装前在其外边距离模板50 cm处设置DN 150×3 mm钢管，通过角钢与钢套箱模板焊接固定，钢管两端用胶布封堵，便于锚杆施工。

4)钢套箱模板采用80 t起重船水上吊装，前场拼装平台搭设在已填装完成的围堰上，以方便起重船吊装。2根7.5 m长的槽25型钢作为钢套箱模板吊架，在顶节钢套箱模板4个加强角处穿入8个M 20精扎螺纹钢，螺纹钢底部用螺帽固定，上部与吊架连接；钢套箱模板沉放过程中，在沉箱两对角绑定两个 GPS以定位沉箱角点坐标来确定沉箱位置，以确保钢套箱模板安放在袋装混凝土上，并调整钢套箱垂直度。

5)混凝土浇筑时采用双导管水下浇筑砼，导管底口距沉箱底部30 cm。

6)相邻沉箱混凝土浇筑后，根据空隙实际宽度插入组合模板作为水下混凝土模板，组合模板与钢套箱模板焊接固定，采用导管法浇筑水下混凝土，使沉箱之间连成整体。

7)待相邻沉箱混凝土浇筑完成约5个之后，开始沉箱后方回填，并保持与沉箱一定步距，防止回填料进占沉箱基床而影响沉箱安放。

8)沉箱锚杆钻孔采用地质钻机钻孔，主要钻进预埋管内混凝土及3.5 m厚岩层，每个沉箱钻孔完成后立即将锚杆植入孔内，采用灌浆机由底往上灌浆，直至孔顶返回浓浆为止。

9)沉箱顶层混凝土浇筑时，在混凝土初凝前梅花形式植入钢筋φ20@500，待护面混凝土施工时，预留钢筋与护面混凝土钢筋焊接成一个整体，保证沉箱与护面混凝土连成一个整体，共同抵抗泄洪冲刷力。

3.3 防渗墙施工

围堰做好防渗处理，形成干地施工是其工程能否顺利实施的关键[2]。围堰0-070～0+543区段采用60 cm厚砼防渗墙，轴线0+543以下部分采用是高喷防渗墙。砼防渗墙施工区段主要是新填筑的砂砾料，厚度较大，且水下回填部分无法分层碾压，对防渗墙施工带来很大的难度，易产生孔斜、塌孔等问题；且电站每日开机发电，坝下尾水位的变幅达6 m，围堰填筑后，过水断面减小，造成一定的水位雍高，白天正常发电水位达9.5 m左右，与围堰填筑顶标高相当，造成砼防渗墙成槽施工难度较大。针对以上施工难点，本工程主要采取以下措施：

1)导向槽施工。基地整平后以防渗薄墙轴线为中线进行开挖，用钢筋砼浇筑一个宽度60 cm，高度100 cm的导向槽。导墙顶面标高设置为10.0 m，内侧间距70 cm，保证槽内泥浆液面高出外侧水位。导向槽横断面如图8所示。

2)泥浆的制备。根据本工程外侧水位频繁涨落特点，采用三级膨润土制浆，浆液性能应满足规范要求。

3)成槽施工。①钻抓法：采用“三钻两抓法”工艺进行施工，冲击钻机钻取主孔，抓斗机高效抓取副孔，此方法主要针对临时围堰填筑料为砂卵石料，相对原始地层比较松散，在防渗墙施工中容易漏浆及大面积坍塌，难已成槽，并考虑冲击钻机在钻主孔时多加粘土，达到对松散地层的挤密作用，起到堵漏效果，为抓斗顺利抓取副孔创造条件。如抓斗施工时发生严重漏浆现像，则应立即回填粘土和砂子堵漏，反复抓填，直到浆液面不下降为止，确保成槽质量。在入岩后，采用钻凿法施工以确保入岩深度(不小于50 cm)；②槽孔长度及其划分：为保证冲击钻机和抓斗施工效率，一期槽孔拟定为6.4 m，共分为5个孔，3个主孔单个宽度为0.6 m，另2个副孔单个宽度为2.3 m。槽段连接采用“接头管”连接方法，如图4所示。

3.4 施工阶段问题处理

1)在沉箱安装和浇筑中，发现部分沉箱安放垂直度和顶面平面位置偏差较大，封底砼发生侧漏情况，经研究分析：主要原因在于基床整平效果不佳。对于岩面起伏较大的区域，采取抛放较大吨袋混凝土将沉箱四周基床整平至粗平标准，安放混凝土垫块及整平导轨，然后用较小袋装混凝土将沉箱基床整平至细平标准，安放沉箱，并用袋装混凝土填堵模板底部缝隙。整平工艺改进后，沉箱安放效果明显改善，满足施工要求。

2)在防渗墙成槽施工中，槽段内外水头差较小，部分槽段出现了塌孔现象，经研究分析，采取了适当加高导向槽标高(高出水位线1 m)，将“三钻两抓”法改进成“二钻一抓”，减小槽段施工时间，采用粘土将槽段顶部2～3 m进行换填，最终较好地解决了塌孔问题。

4 围堰监测

为及时掌握围堰的沉降、位移情况，根据水工建筑物观测技术规范要求[3]，主体围堰顶部每隔50 m布设2个沉降围堰观测点，分别布于断面前后沿，并定期观测，汛期加大观测频率。围堰经数次泄洪后，经观测最大水平位移为65 mm(预警值120 mm)，最大沉降位移为19 mm(预警值150 mm)，满足要求，围堰整体稳定安全。围堰顶冲段布设测速仪及深层观测点，对顶部流速、渗流、沉箱锚杆应力进行监测。渗流监测布设3个断面(0～067、0～050、0～010)，沉箱锚杆应力监测采用布设钢筋计，分别布设于6#、10#、14#沉箱锚杆上。2013年6月11日满发电期间顶冲段渗流监测情况见图5，断面中间测点水压与背水侧测点结果较为接近，表明围堰背水侧水力梯度较小，围堰体不存在发生突水突涌的风险。2013年6月23日泄洪期间顶冲段沉箱锚杆应力监测情况见图6，由测点10受力变化曲线可知，锚杆拉力受泄洪、水位影响不大，锚杆对应的拉力较小，远远小于锚杆抗拉强度，表明10#沉箱较为稳定。

5 结 语

作为全国首座坝下改扩建船闸，在无施工先例的情况下，通过对围堰设计优化，提出了整体下放钢套箱、现浇沉箱，并增设抗浮锚杆，即一种已建水电枢纽坝下船闸扩建改造工程防冲过水围堰结构，大大提高了抗冲稳定性；针对坝下水位涨落频繁，采用水陆双向回填加快围堰填筑进度，“钻+抓”结合工艺施工混凝土防渗墙有效防止了成槽塌孔。随着运行枢纽坝下改扩建造船闸的兴起，该关键施工技术经验可为坝下围堰施工提供参考和借鉴。

[1] SL 645—2013，水利水电工程围堰设计规范[S].

[2] DLT 5199—2004，水电水利工程混凝土防渗墙施工技术规范[S].

[3] JTJ 218—2005，水运工程水工建筑物原型观测技术规范[S].

Key Construction Technology of Large Cofferdam in Flood Waters Rushing Area under Running Dam

TU Wei-cheng, YANG Ming-bo

(The First Construction Company of CCCC Second Harbor Engineering Co,Ltd, Wuhan 430012,China)

Based on the Fuchun River lock expansion and renovation project, the key technologies, including design optimization, stability of cofferdam, anti-impact, seepage prevention, protection, monitor and management of this cofferdam are studied and concluded.

running dam; cofferdam; anti-impact and stability; seepage prevention; monitor

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.011

2014-12-05.

涂伟成(1982-)，工程师.E-mail:1391498163@qq.com