沙枕填筑围堰施工技术在葛洲坝三江下引航道混凝土护坡修复工程中的应用

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   【摘 要】大面积水下修复工程多采用填筑围堰,抽干围堰内积水,创造干地环境,分析构筑物破损原因,选择科学合理的修复方法进行修复施工。施工围堰多采用粘土填筑,筑堰工序包括所用粘土的取土、运输、填筑、围堰拆除以及弃渣等,其每一个施工环节都对周围环境产生一定影响。在葛洲坝水利枢纽三江下引航道左岸混凝土护坡修复施工过程中,采用沙枕堰体结构结合防渗土工膜进行防渗的全新施工工艺填筑防水围堰,不仅有效地克服了江水渗漏,保证了围堰内混凝土护坡修复施工质量,而且在不增加工程费用的前提下很好的保护了周边环境。
   【关键词】沙枕填筑围堰;环保;全新施工工艺
  
   1.工程概述
  葛洲坝水利枢纽三江下引航道为人工航道,自1983年建成投入运行以来,两岸混凝土护坡经历多年冲沙和泄洪时的高速水流冲刷,局部混凝土护坡出现不同程度的破损。在护坡的日常维护工作中发现,左岸0.7~0.8km段(三江里程,下同),高程在40.0m(吴淞高程,下同)以下的混凝土坡面,出现大面积不同程度的破损、塌陷等损害。如不及时修复,将严重影响三江航道运行安全。
  同一地点0.8~0.9km段混凝土护坡亦因混凝土坡面水下部分出现大面积破损于1992年进行过修复施工。当时采用粘土填筑施工围堰,围堰设计顶高41.0m,顶宽5m,迎水坡坡比1:3,围堰纵向轴线长70.4m(围护净长约35m),并在护坡坡面上修了一条宽8m,坡比8%的临时道路。围堰总填筑量为31040m3,其中临时道路填筑量为9240m3、围堰填筑量为21800m3。工程于1992年1月开工,当年4月竣工。
  为有效地找出混凝土护坡破损机理,保证修复工程质量,中国长江三峡工程开发总公司决定0.7~0.8km段混凝土护坡修复工程亦采用围堰方案施工。由于这次护坡修复施工围堰围护净长约70m,如果采用粘土填筑施工防水围堰,按照1992年施工围堰的设计标准施工,围堰级临时道路填筑工程量约50000m3。施工时近50000m3填料须进出宜昌市城区,修筑临时道路还要破坏施工区护岸建筑设施和沿江大道部分绿化带,因此,采用粘土填筑防水围堰,不仅工程造价偏高,而且对周围的环境影响较大。三峡工程开发总公司专家组经过反复研讨,最后决定采用长江航道规划设计研究院设计的沙枕堰体结合防渗土工膜进行防渗的防水围堰作为施工围堰,对0.7~0.8km段混凝土护坡进行修复施工。
   2.自然条件
  2.1航道
  葛洲坝2号、3号船闸设在三江航道,其下引航道全长4km,河底高程34.5m,最小宽度135m,两岸混凝土护坡坡顶高程57.1m,护坡坡比1:2.5,坡面混凝土厚0.3m。
  2.2水文
  根据宜昌水文站实测的多年逐日平均水位资料统计分析,葛洲坝下游枯水期一般出现在当年的12月份至次年的3月份,其中2月份水位最低。长江宜昌水文站多年月平均水位见表2.1,1~2月份各种特征水位出现频率见表2.2。
  表2.1 宜昌水位站多年月平均水位表 单位:m
  Table 2.1 The monthly average depths of water-level of Yi Chang City Unit: m
  表2.2 宜昌水位站特征水位频率表
  Table 2.2 The scale of different depths of the water-level of Yi Chang City
  三江下引航道一般情况下为静水,在船闸泄水时会出现往复流。二号航闸和三号船闸同时泄水其往复流速可达1.5m/s。
  2.3地质
  三江下游河床由多种土质组成。其底层为砂岩,砂岩以上有2~10m的覆盖层。覆盖层主要由细粉沙、沙卵石及松散土体组成。河床表面有深度不等的淤泥层和施工回填杂土层。
   3.围堰结构
  3.1围堰平面布置及尺寸
  围堰纵向防护净长70m,横向防护净宽20m,总长167.65m,设计顶部高程41.0m,顶宽2m,迎水坡坡比1:2,背水坡坡比1:1.5。围堰平面布置及尺寸见图3-1。围堰占据航道长度119.5m,宽度42.75m,
  图3-1 围堰平面布置及尺寸图
  Picture 3-1 The ichnography plan of the cofferdam
  3.2围堰结构形式
  设计围堰选用沙枕填芯,块石盖面的混合坝体结构(实际施工将块石盖面改为小沙袋护面),坝体防渗材料采用复合土工膜在围堰迎水面连续铺设进行防渗处理。围堰断面尺寸、结构见图3-2。
  3.3围堰主要材料
  3.3.1沙枕袋
  沙枕袋选用直径φ1.2m丙仑编织袋,长度分别为8m、5m、3m。每条枕袋上设2~3个φ0.2m,高0.3m枕袖(一个枕袖充沙,另外的枕袖溢流)。沙枕袋基本特性值见表3-1。
  3.3.2防渗土工膜
  防渗膜选用的是复合土工膜(200/500/200),即两布一膜。幅宽4m。其基本特性见表3-2。
  图3-2 围堰断面尺寸、结构图
  Picture 3-2 The section plan of the cofferdam
  表3-1 沙枕袋基布特性值(复检)
  Table 3-1 The features of the sand-pillows cover (Recheck)
  表3-2 复合土工膜(200/500/200)特性表(复检)
  Table 3-2 The features of geomembrane (200/500/200) (Recheck)
   4.围堰施工
  4.1水下沙枕堰体施工
  沙枕堰体分水上、水下两部分施工,水上部分由人工直接充填,水下部分堰体采用抛枕船抛填,水下沙枕堰体施工工艺:取沙充枕—抛枕船定位—抛枕。
  4.1.1抛枕船
  抛枕用抛枕船长31m,宽7m,左右两舷各装有抛枕架。
  4.1.2 抛枕施工平面布置
  抛枕船采用四缆固定作业,靠近左岸两根控制缆系于护坡上的系缆环,另外两根控制缆抛锚固定于江心,并用沉链代替钢缆,以方便来往船舶航行。抛枕船的下游吊系方囤,方囤主要用于系泊沙驳随抛枕船移动,方囤与抛枕船用浮排泥管软接,浮排泥管上架设输沙管线。
  4.1.3 抛枕船定位
  围堰堰体由8m、5m、3m三种不同长度的沙枕按设计尺寸进行组合,分层抛填成型。在抛填过程中,如果沙枕与沙枕重叠或间隔过大,都会影响到堰体稳定和下一道工序正常施工。因此,抛枕船定位精度与定位速度直接影响施工质量和工程进度。
  抛枕船的准确定位,是确保堰体稳定和质量的关键。为了将抛枕船快速移至设计船位,准确抛下每一个沙枕,施工过程中制定了多套定位方案进行反复比较,逐步优化,最终形成一套完整的定位方法。施工前在施工区左岸混凝土护坡上每隔5m设置一组导标,并在护坡的坡顶上,沿着每组导标方向线设一控制点,抛枕船左右两舷、艏艉分别设立一组对应标尺。施工时,在相应的控制点上架设全站仪,用距离和方向控制船位。抛枕船垂直岸线施工时,由艏艉标尺上的相应刻度控制方向,抛枕船平行岸线施工时,由两舷标尺上的相应刻度控制方向。由于抛枕船用四根钢缆控制船位,特别是受三江往复流影响,在实际移位操作过程中将抛枕船准确移至某一位置难度较大需要反复调整多次。为了尽量减少移船定位的时间,在抛上一组的沙枕枕袋上栓浮标示位,移船时工作人员根据示位标将抛枕船移至大概的方位,再由全站仪施仪人员指挥,精确调整船位。经过一段时间磨合适应,较为熟练地掌握了这种定位技术,施工阶段的定位时间基本控制在沙枕充沙时间以内,确保了各工序间的有机衔接。
  4.1.4 取沙充枕
  采沙船在庙嘴边滩取沙经分筛后装驳,自航沙驳将沙运泊于方囤。在每艘沙驳舱内安装两台泥浆泵,充枕时用高压水将沙稀释成沙浆状,泥浆泵将沙浆吸起通过输沙管充入沙枕枕袋。沙枕充填系数视抛填位置的具体情况适当调节,一般情况下充填系数控制在0.85左右。
  4.1.5 水下沙枕抛填
  直径1.2m的枕袋按0.85充沙系数充沙后其椭圆状柱体截面长约1.6~1.7m,高约0.6~0.7m,正常施工按1.4m的横向间距抛填,每层填高约0.6m。水下沙枕根据施工范围的水下地形图水平分层,逐层抛筑,每一层抛填结束后均精确成图,分析抛填效果,据此制定上一层抛填方法。每层沙枕根据其结构尺寸以及下层形状进行沙枕布局设计,每个沙枕按施工顺序进行编号,明确其型号、充沙系数及漂移修正后的坐标,确保每层抛填后既满足结构尺寸又力求平整。
  4.2迎水坡找平
  沙枕堰体迎水坡按设计1:2的比例进行施工,边坡施工质量基本达到设计要求,由于上下层沙枕之间存在高差,整个迎水坡坡面呈台阶状。为了减少坡面不平整造成应力集中,破坏防渗膜,迎水坡坡面需要进行找平处理。找平工作分两步进行:一是用小沙袋初平,二是在初平的基础上铺一层0.3m厚的粗沙。小沙袋初平工作由潜水员完成,在人工从驳船上抛铺0.3m厚的粗沙找平层。
  4.3防渗膜铺设
  为了尽量减少搭接处渗水,防渗膜采用整体铺设。
  4.3.1防渗膜拼接
  防渗膜拼接工作在工区三江护坡坡面上进行,采用热合法拼接,幅与幅拼接宽度控制在0.1m左右。防渗膜拼接完毕后,为便于其搬运、铺设以及增加边缘强度,将防渗膜上下边缘卷边并每隔1.5m铆固孔径为1.5cm带孔铆钉,沿膜长度方向将其正反对折捆成“柱体”。
  4.3.2 防渗膜铺设
  防渗膜铺设安排在围堰堰体填筑至40.0m高程处进行。为保证防渗膜铺设工作顺利实施,铺设期间特申请三峡通航局对三江航道停航36小时。
  整块防渗膜由71幅拼接而成,宽22m,长277m,重约6000kg。为了减少人工搬运,先在拼接防渗膜的江边组装了300mФ560浮排泥管,然后采用人工将防渗膜“柱体”渐渐移支的方法搬至排泥管上。载防渗膜“柱体”的排泥管其一端固定在围堰上游岸边,另一端由拖轮拖带环围堰对位固定。浮排泥管固定后,解开防渗膜“柱体”捆束绳索,将防渗膜上边拖至堰顶压实,再对防渗膜的下边进行沉底工作。
  防渗膜沉底是防渗膜铺设工作中的关键工序,既要保证沉位的准确,又要保证沉底的速度。事先在防渗膜沉底线上设置示位标,沉底时将排泥管移至示位标示位线上沉膜。沉膜用的坠体选用0.3×0.3×0.25m预制混凝土块体,混凝土块体上预埋有栓绳钢环。沉膜时将混凝土块体栓在防渗膜边线带孔铆钉上沉放。为了指示防渗膜沉底后的方位,混凝土块体上系有Ф10mm的白棕绳,绳长根据水深确定,绳端系栓浮标。
  沉膜工作从中间向两边同时进行。沉膜人员分两人一组,共六组,同时站在排泥管上按梯级沉放。当第一组混凝土块体沉底时第六组混凝土块体入水,六组人没协同一致,循环作业。膜的下边全部沉底后,然后根据浮标方位,测出膜边沉底误差,再用浮标上 栓带的白棕绳,将混凝土预制块连同膜边提起,逐步移至设计沉放位置。
  4.3.3 防渗膜镇脚
  防渗膜铺设完毕后,将围堰内水位减低1~2米,利用沙枕堰体的渗透性,使防渗膜与堰体迎水坡之间的积水渗进堰内,以便防渗膜均匀地吸附在迎水坡上,然后进行防渗膜镇脚。实际施工中采用抛卵石镇脚,镇脚棱体高1m,宽5m。
   5.围堰防渗效果
  围堰施工结束后开始抽除堰内积水,当时围堰渗水量随堰内堰外水位落差的增大而增大,这主要是江水沿混凝土护坡施工缝渗入堰内,经过在围堰上下游砼护坡水下部分各铺设约50m长防渗膜延长其渗水路径的处理后,渗水量明显减小,排干围堰内积水进行砼护坡修复的一个星期的时间中,近170m长沙枕围堰除局部可能是因防渗膜焊接质量问题出现少量渗水外,在水位落差5m左右条件下基本没有出现明显渗漏。
   6.结语
  葛洲坝三江航道左岸0.7 m凝土护坡修复工程用沙枕填筑防水围堰在既没有指导工作的技术规范,也没有成功的施工经验可供借鉴的情况下。施工人员本着严谨科学的态度,实事求是的精神,施工前进行精心组织设计,施工过程中不断探索、改进、优化施工方法,不但圆满的完成了混凝土护坡修复工程,而且为用沙枕填筑防水围堰这项全新的施工工艺积累了丰富的施工经验。
  从三江混凝土护坡修复工程施工实践过程中可看出,用沙枕堰体结合防渗膜防渗取代粘土填筑防水围堰,设计上科学合理,施工操作上切实可行。沙枕填筑防水围堰有粘土填筑围堰不可替代的环保优势,在同类工程施工中具有一定的推广价值。
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