明渠截流與土石圍堰工程施工關(guān)鍵技術(shù)

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三期上、下游土石圍堰分別為Ⅳ、Ⅲ級(jí)臨時(shí)建筑物，圍堰頂高程分別為83.0m、81.5m，圍堰軸線全長分別為441.28m、447.45m，頂寬15m。圍堰主要由風(fēng)化砂、反濾料、石渣、石渣混合料和塊石填筑而成。上下游圍堰填筑工程量分別為154.59萬m3、169.94萬m3。圍堰防滲采用高壓旋噴灌漿上接土石合成材料心墻型式，高壓旋噴墻上游為單排，下游雙排，上下游墻厚分別為0.8m、1.0m，上下游高壓旋噴墻面積分別為1.02m2、0.99m2,高壓旋噴防滲墻下部設(shè)帷幕灌漿鉆灌至巖體透水率q≤50lu止。三期導(dǎo)流明渠截流，采用雙戧雙向立堵截流方式，截流合攏時(shí)段選在2002年11月下半月，截流設(shè)計(jì)流量為10300m3/s，相應(yīng)截流總落差為4.11m。上、下游截流龍口寬分別為150m和125m，上、下游龍口部位均設(shè)置墊底加糙攔石坎。
    1、三期截流與土石圍堰工程關(guān)鍵技術(shù)的主要內(nèi)容 
    1.1 料源平衡與備料量的確定 
    供三期截流和圍堰填筑施工的料場(chǎng)有18個(gè)，分布在導(dǎo)流明渠左、右側(cè)，需要根據(jù)工程進(jìn)展，對(duì)各料場(chǎng)料源的調(diào)用做好規(guī)劃。規(guī)劃既要滿足導(dǎo)流明渠截流進(jìn)占強(qiáng)度與拋投料種類和規(guī)格，并留有余地，又要滿足土石圍堰填筑的施工進(jìn)度要求；因此要求其運(yùn)輸距離最短、耗用時(shí)間最少。 
    1.2 墊底加糙攔石坎施工與安全通航 
    明渠截流進(jìn)占前需進(jìn)行水下墊底加糙攔石坎施工，上游拋投25t重的鋼架石籠，下游拋投8t重的合金鋼網(wǎng)石兜。拋石加糙施工于2002年9月下旬開始，在2000年11月1日明渠斷航前的通航條件下進(jìn)行，這樣勢(shì)必增大加糙攔石坎水上作業(yè)難度。 
    1.3 安全進(jìn)占與龍口段施工 
    三峽工程大江截流非龍口段和龍口段施工中，多次發(fā)生堤頭塌滑，且范圍大，由于采取了綜合性防止堤頭塌滑事故的措施，未造成任何安全事故。三期圍堰施工水深達(dá)22-24m，且流速大，需在借鑒三峽大江截流成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采取各種措施進(jìn)行堤頭防護(hù)，確保安全進(jìn)占。 
    三期截流采用雙戧立堵截流方案，上游雙向進(jìn)占，下游單向從右端進(jìn)占，按上游戧堤承擔(dān)2/3落差，下游戧堤承擔(dān)1/3落差控制上、下游口門進(jìn)占寬度，嚴(yán)格同步控制。上下游戧堤進(jìn)占的口門寬度是達(dá)到分擔(dān)截流落差的關(guān)鍵，實(shí)施中雙戧進(jìn)占適時(shí)配合難度很大，涉及信息、決策、指揮、反饋等諸方面的組織管理和技術(shù)手段，加大了截流施工組織和協(xié)調(diào)難度。 
    1.4 上、下游圍堰防滲工程快速施工 
    三期上、下游土石圍堰要實(shí)現(xiàn)2002年12月20日閉氣目標(biāo)，必須在1個(gè)月左右完成2.01萬m2的高壓旋噴防滲墻和0.3萬m的帷幕灌漿施工。高壓旋噴墻施工強(qiáng)度在同類工程中沒有先例，其最大深度達(dá)35.5m，在同類工程中最深實(shí)例僅22m；且上游圍堰為單排墻，堰體填筑水下風(fēng)化砂限于工期固結(jié)時(shí)間短，要在滿足質(zhì)量要求前提下，保證施工進(jìn)度是該項(xiàng)目的重點(diǎn)。其機(jī)具選型、施工工藝選擇都必須慎重考慮。 
    2、主要施工措施及對(duì)策 
    2.1 合理進(jìn)行料源的時(shí)空平衡 
    為確保施工強(qiáng)度，節(jié)省運(yùn)距，基本按“上游備料運(yùn)至上游圍堰，下游備料運(yùn)至下游圍堰”的原則進(jìn)行平衡，并盡量利用現(xiàn)有備料，減少新開采備料量。將各堤頭需要的各種填料細(xì)化到每一天，每一個(gè)料場(chǎng)。確定備料量時(shí)，根據(jù)不同的料種在不同填筑部位的流失情況，備料轉(zhuǎn)運(yùn)的損失情況，堰體填料壓實(shí)方與堆存松散方的比例關(guān)系，采用不同的備料系數(shù)。堰體填筑部分考慮10%損耗量，非龍口段考慮10%流失量，龍口段考慮20%流失量，在充分考慮截流風(fēng)險(xiǎn)的前提下，戧堤備料系數(shù)取1.8，四面體為2.0，堰體填筑料取值1.3-1.5。 
    2.2 確保墊底加糙攔石坎施工質(zhì)量 
    9月下旬進(jìn)場(chǎng)開始進(jìn)行拋投試驗(yàn)，包括鋼架石籠、合金鋼網(wǎng)石兜吊拋物在不同流量、流速等情況下的漂距參數(shù)、流失損耗等項(xiàng)目。拋投試驗(yàn)時(shí)，上游用抓斗船定位，GPS定位系統(tǒng)配合定點(diǎn)吊拋鋼架石籠，下游用鏈斗船定位，拖輪拖底開駁投合金鋼網(wǎng)石兜。定位船的水下錨，均設(shè)有水深4m以下的壓纜裝置，便于航行安全。試驗(yàn)完成后，10月11日開始從左向右施工，10月25日前上、下龍口段加糙攔石坎施工完畢。 
    2.3 確保龍口段拋投強(qiáng)度 
    2.3.1 設(shè)備選型 
    優(yōu)先選用大容量、高效率、機(jī)動(dòng)性好的設(shè)備。挖裝主要選用4-9.6m3的挖掘設(shè)備及9.6m3以上的裝載機(jī)，特大石、大石選用1.8m3反鏟和H135正鏟挖裝，鋼架石籠、合金鋼網(wǎng)石兜、混凝土四面體選用16t、40t的汽車吊吊裝。運(yùn)輸主要選用45-85t的大型載重自卸汽車，上游左岸截流基地則因場(chǎng)地限制，采用20-32t的自卸汽車，鋼架石籠、混凝土四面體采用32t經(jīng)過改裝的自卸汽車。推運(yùn)主要選用大馬力的推土機(jī)。 
    2.3.2 拋投演習(xí) 
    在上、下游戧堤非龍口段進(jìn)占過程中，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，按截流高峰強(qiáng)度模擬組織實(shí)戰(zhàn)拋投演習(xí)，以檢查機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸車輛、道路通行能力、交通指揮、通訊聯(lián)絡(luò)、施工組織、現(xiàn)場(chǎng)指揮、戧堤進(jìn)占速度和安全保障措施等。 
    2.3.3 戧堤堤頭車輛行駛線路布置 
    預(yù)先做好截流拋投車輛行車線路規(guī)劃。拋投車輛在戧堤堤頭分成三路縱隊(duì)，其中靠上游側(cè)一路，下游側(cè)一路，中間留一條空車退場(chǎng)道。堤頭線路布置共分為三個(gè)區(qū)：拋投區(qū)長10-20m，編隊(duì)區(qū)長20-25m和回車區(qū)。為減少倒車距離，加快拋填速度，右岸利用跟進(jìn)填筑的堰體部分進(jìn)行回車。在單戧堤堤頭布置3個(gè)卸料點(diǎn)，戧堤軸線及上、下游側(cè)各1個(gè)。另根據(jù)不同部位填料的要求，采用不同的編隊(duì)方式。一路（85t、77t）靠上游側(cè)拋填四面體、特大石、大石，另一路(77t、45t、32t、20t)在中間及靠下游側(cè)拋填中小石、石渣。上游左岸考慮場(chǎng)地道路比較狹窄，使用20t、32t自卸汽車作為運(yùn)輸設(shè)備。 
    2.3.4 戧堤穩(wěn)定情況的判斷 
    為了確保安全施工，避免發(fā)生大規(guī)模的塌滑，造成人、車落水事故，特別是在塌滑多發(fā)段，正確地判斷拋投料的穩(wěn)定性十分重要，結(jié)合三峽二期大江截流和葛洲壩大江截流經(jīng)驗(yàn)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行判斷： 
    （1）堤頭縱向邊坡的坡比變化：堤頭縱向坡度在正常無流失的情況下約為1:1.3左右，當(dāng)縱向坡比逐漸變陡達(dá)到1:1或更陡時(shí)，將會(huì)發(fā)生坍塌。 
    （2）流態(tài)變化：采用上挑角進(jìn)占，若拋投料能在水中站穩(wěn)，這時(shí)必然形成急流并挑出去，在挑角下游形成回流區(qū)，而且有小跌水現(xiàn)象，當(dāng)拋投料粒徑較大而水深較淺時(shí)，跌水現(xiàn)象更加明顯，若填料拋投下去后，見到跌水順?biāo)饔缮隙乱苿?dòng)，則說明拋投的塊體正被急流沖走。 
    （3）進(jìn)占速度：按戧堤的實(shí)際斷面計(jì)算，每進(jìn)占1m，上游約需拋投料1130.8m3，下游約需拋投料1 291.2m3，如拋下一定數(shù)量填料不見堤頭向前延伸，則說明拋投的塊體正被急流沖走。 
    （4）堤頭附近的情況：當(dāng)?shù)填^附近范圍內(nèi)出現(xiàn)裂縫，縫寬逐漸增大時(shí)，表明堤頭有失穩(wěn)定現(xiàn)象；如果堤頭部位高程在逐漸下降，說明堤頭發(fā)生“沉陷”，出現(xiàn)這些現(xiàn)象應(yīng)引起高度重視，及時(shí)改變拋投方式。 
    2.3.5 截流施工主要技術(shù)要點(diǎn)及安全措施 
    （1）非龍口段填筑料采用自卸汽車運(yùn)輸，端進(jìn)法拋填，使大部分拋投料直接拋入江中，推土機(jī)配合施工；深水區(qū)進(jìn)占時(shí)，為確保安全，部分采用堤頭集料，推土機(jī)趕料拋投。非龍口段進(jìn)占拋投材料，一般用石渣料全斷面拋投施工，進(jìn)占過程中，如發(fā)現(xiàn)堤頭拋投料有流失現(xiàn)象，則在堤頭進(jìn)占前沿的上游挑角先拋投一部分大塊石、或混凝土預(yù)制塊、合金鋼網(wǎng)石兜，在其保護(hù)下，使堤頭水流在下游側(cè)形成回流緩流區(qū)，再將中小石及石渣拋填在戧堤軸線的下游側(cè)。截流拋投材料規(guī)格及備料數(shù)量須滿足設(shè)計(jì)要求。 
    （2）龍口合攏采用上下游雙戧堤進(jìn)占，戧堤堤頭采用凸出上游形成挑角的防護(hù)性進(jìn)占?？刂茟甑添斆娓叱鏊?m左右。拋投進(jìn)占過程中，視堤頭邊坡穩(wěn)定情況，自卸汽車將塊石及混凝土預(yù)制塊、合金鋼網(wǎng)石兜盡量直接拋入水中，同時(shí)，對(duì)卸在堤頭前沿上的塊石及混凝土預(yù)制塊用大馬力推土機(jī)推入水中，每個(gè)堤頭配備1-2臺(tái)大馬力推土機(jī)。 
    （3）盡量采取全斷面整體推進(jìn)，采用上挑角進(jìn)占時(shí)，盡量減少挑角挑出長度，同時(shí)要注意跟緊補(bǔ)拋。根據(jù)堤頭穩(wěn)定情況相機(jī)選擇自卸汽車直接拋投或自卸汽車堤頭集料推土機(jī)推料回填或卸料沖砸拋填方式填筑。 
    （4）挑選質(zhì)量好的填料，石渣料的粒徑相對(duì)均勻，粒徑小于5.0mm的細(xì)顆粒嚴(yán)格控制在10%以內(nèi)。 
    （5）進(jìn)占過程中，拋投料出水面后，及時(shí)采用石渣加高，戧堤頂用碎石或粗粒風(fēng)化砂進(jìn)行鋪筑施工，并安排專人養(yǎng)護(hù)路面，確保截流施工道路滿足大型車輛陰雨天暢通無阻的要求。 
    （6）加強(qiáng)對(duì)戧堤上的施工機(jī)械及工作人員統(tǒng)一指揮，為防止堤頭坍塌危及汽車及施工人員的安全，在堤頭前沿設(shè)置一排石渣埂，并配備專職安全員巡視堤頭邊坡變化，為確保堤頭車輛安全，汽車輪緣距戧堤邊緣不少于2.5-3.5m，并安排專人布置標(biāo)識(shí)。在堤頭、堤側(cè)以及各危險(xiǎn)部位分別設(shè)置安全警示牌，堤頭指揮人員穿救生衣，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備救生圈，加強(qiáng)專職安全員巡視工作。 
    （7）合攏拋投強(qiáng)度大，拋投材料多，對(duì)拋投同一種材料的汽車須作上相同標(biāo)記，并分隊(duì)編號(hào)，以便于指揮。保證設(shè)備的性能完好，操作人員必須持證上崗。 
    （8）龍口段截流進(jìn)占過程中水文測(cè)驗(yàn)資料須及時(shí)報(bào)送截流指揮部，以及時(shí)調(diào)整拋投材料。 
    2.4 確保上、下游圍堰防滲工程施工強(qiáng)度 
    （1）風(fēng)化砂填筑進(jìn)占時(shí)，嚴(yán)格控制回填質(zhì)量，確保沿防滲軸線上、下游5m范圍內(nèi)不得含有大于20cm塊石，為高壓旋噴防滲墻施工創(chuàng)造條件。 
    （2）采用振孔高噴法和常規(guī)高噴法組織施工，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，互相補(bǔ)充。研制改進(jìn)振孔高噴等造孔機(jī)具，提高造孔速度，確保造孔精度。根據(jù)高壓旋噴墻不同深度和墻下地質(zhì)條件，制定不同的成墻措施，確保防滲施工質(zhì)量。 
    （3）三期土石圍堰高壓旋噴防滲墻規(guī)模生產(chǎn)前，對(duì)鉆孔、噴漿的有關(guān)參數(shù)、材料、設(shè)備性能及施工工藝措施等進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。并掌握、了解既滿足設(shè)計(jì)防滲要求，又安全可行的合理的施工參數(shù)，指導(dǎo)后期的規(guī)模施工。 
    3、截流施工預(yù)案 
    3.1 超設(shè)計(jì)流量截流預(yù)案 
    在截流合攏時(shí)期，當(dāng)截流流量持續(xù)居高不下，超過Q=10300m3/s，達(dá)到Q=12200m3/s時(shí)，模型試驗(yàn)成果表明，采用上下游雙戧堤配合進(jìn)占合攏的截流方式，龍口最大垂線平均流速為：上戧7.47m/s，下戧6.08m/s,截流終落差5.77m，截流總功率689.9MW，為伊太普工程的2.3倍，葛洲壩工程的4.6倍，三峽二期截流的9.2倍，截流規(guī)模和難度都將處于世界前列。 
    此時(shí)，可采取如下措施： 
    （1）將2-3塊20t的四面體在堤頭部位穿入30mm鋼絲繩，用卡扣卡緊形成混凝土四面體串，再用2-3臺(tái)大型推土機(jī)同時(shí)推至江中，以減少龍口合攏時(shí)期拋投料的流失量。 
    （2）增加上游左岸截流戧堤拋投材料中的大塊石、20t混凝土四面體。采取船運(yùn)的方式，將右岸備料場(chǎng)的大塊石、四面體運(yùn)至左岸截流基地，由原來雙向進(jìn)占，右岸為主、左岸為輔的截流進(jìn)占方式改變?yōu)樽笥野锻瑫r(shí)進(jìn)占。 
    （3）將下游備料場(chǎng)的大塊石、20t混凝土四面體部分轉(zhuǎn)運(yùn)至離上游圍堰最近的料場(chǎng)備存，在截流合攏時(shí)期，及時(shí)有效地增加大塊石、20t混凝土四面體的拋投強(qiáng)度。 
    （4）增加下游戧堤合攏時(shí)的合金鋼網(wǎng)石兜拋投量，并將合金鋼網(wǎng)石兜串成串，減少拋投材料的流失量，使下游戧堤充分分擔(dān)截流水頭。 
    3.2 提前截流預(yù)案 
    在10月底，如果長江流量較小（低于設(shè)計(jì)截流流量10300m3/s），并且根據(jù)水情預(yù)報(bào)11月上旬流量亦低于10300m3/s時(shí)，可以考慮加快非龍口段進(jìn)占速度，提前完成非龍口段施工，隨后進(jìn)行龍口段進(jìn)占，將截流合攏時(shí)間適當(dāng)提前，以便為后續(xù)防滲施工提供充足的施工時(shí)間，確保12月20日圍堰閉氣。