明渠截流与土石围堰工程施工关键技术

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三期上、下游土石围堰分别为Ⅳ、Ⅲ级临时建筑物，围堰顶高程分别为83.0m、81.5m，围堰轴线全长分别为441.28m、447.45m，顶宽15m。围堰主要由风化砂、反滤料、石渣、石渣混合料和块石填筑而成。上下游围堰填筑工程量分别为154.59万m3、169.94万m3。围堰防渗采用高压旋喷灌浆上接土石合成材料心墙型式，高压旋喷墙上游为单排，下游双排，上下游墙厚分别为0.8m、1.0m，上下游高压旋喷墙面积分别为1.02m2、0.99m2,高压旋喷防渗墙下部设帷幕灌浆钻灌至岩体透水率q≤50lu止。三期导流明渠截流，采用双戗双向立堵截流方式，截流合拢时段选在2002年11月下半月，截流设计流量为10300m3/s，相应截流总落差为4.11m。上、下游截流龙口宽分别为150m和125m，上、下游龙口部位均设置垫底加糙拦石坎。
    1、三期截流与土石围堰工程关键技术的主要内容 
    1.1 料源平衡与备料量的确定 
    供三期截流和围堰填筑施工的料场有18个，分布在导流明渠左、右侧，需要根据工程进展，对各料场料源的调用做好规划。规划既要满足导流明渠截流进占强度与抛投料种类和规格，并留有余地，又要满足土石围堰填筑的施工进度要求；因此要求其运输距离最短、耗用时间最少。 
    1.2 垫底加糙拦石坎施工与安全通航 
    明渠截流进占前需进行水下垫底加糙拦石坎施工，上游抛投25t重的钢架石笼，下游抛投8t重的合金钢网石兜。抛石加糙施工于2002年9月下旬开始，在2000年11月1日明渠断航前的通航条件下进行，这样势必增大加糙拦石坎水上作业难度。 
    1.3 安全进占与龙口段施工 
    三峡工程大江截流非龙口段和龙口段施工中，多次发生堤头塌滑，且范围大，由于采取了综合性防止堤头塌滑事故的措施，未造成任何安全事故。三期围堰施工水深达22-24m，且流速大，需在借鉴三峡大江截流成功经验的基础上，采取各种措施进行堤头防护，确保安全进占。 
    三期截流采用双戗立堵截流方案，上游双向进占，下游单向从右端进占，按上游戗堤承担2/3落差，下游戗堤承担1/3落差控制上、下游口门进占宽度，严格同步控制。上下游戗堤进占的口门宽度是达到分担截流落差的关键，实施中双戗进占适时配合难度很大，涉及信息、决策、指挥、反馈等诸方面的组织管理和技术手段，加大了截流施工组织和协调难度。 
    1.4 上、下游围堰防渗工程快速施工 
    三期上、下游土石围堰要实现2002年12月20日闭气目标，必须在1个月左右完成2.01万m2的高压旋喷防渗墙和0.3万m的帷幕灌浆施工。高压旋喷墙施工强度在同类工程中没有先例，其最大深度达35.5m，在同类工程中最深实例仅22m；且上游围堰为单排墙，堰体填筑水下风化砂限于工期固结时间短，要在满足质量要求前提下，保证施工进度是该项目的重点。其机具选型、施工工艺选择都必须慎重考虑。 
    2、主要施工措施及对策 
    2.1 合理进行料源的时空平衡 
    为确保施工强度，节省运距，基本按“上游备料运至上游围堰，下游备料运至下游围堰”的原则进行平衡，并尽量利用现有备料，减少新开采备料量。将各堤头需要的各种填料细化到每一天，每一个料场。确定备料量时，根据不同的料种在不同填筑部位的流失情况，备料转运的损失情况，堰体填料压实方与堆存松散方的比例关系，采用不同的备料系数。堰体填筑部分考虑10%损耗量，非龙口段考虑10%流失量，龙口段考虑20%流失量，在充分考虑截流风险的前提下，戗堤备料系数取1.8，四面体为2.0，堰体填筑料取值1.3-1.5。 
    2.2 确保垫底加糙拦石坎施工质量 
    9月下旬进场开始进行抛投试验，包括钢架石笼、合金钢网石兜吊抛物在不同流量、流速等情况下的漂距参数、流失损耗等项目。抛投试验时，上游用抓斗船定位，GPS定位系统配合定点吊抛钢架石笼，下游用链斗船定位，拖轮拖底开驳投合金钢网石兜。定位船的水下锚，均设有水深4m以下的压缆装置，便于航行安全。试验完成后，10月11日开始从左向右施工，10月25日前上、下龙口段加糙拦石坎施工完毕。 
    2.3 确保龙口段抛投强度 
    2.3.1 设备选型 
    优先选用大容量、高效率、机动性好的设备。挖装主要选用4-9.6m3的挖掘设备及9.6m3以上的装载机，特大石、大石选用1.8m3反铲和H135正铲挖装，钢架石笼、合金钢网石兜、混凝土四面体选用16t、40t的汽车吊吊装。运输主要选用45-85t的大型载重自卸汽车，上游左岸截流基地则因场地限制，采用20-32t的自卸汽车，钢架石笼、混凝土四面体采用32t经过改装的自卸汽车。推运主要选用大马力的推土机。 
    2.3.2 抛投演习 
    在上、下游戗堤非龙口段进占过程中，选择适当时机，按截流高峰强度模拟组织实战抛投演习，以检查机械设备、运输车辆、道路通行能力、交通指挥、通讯联络、施工组织、现场指挥、戗堤进占速度和安全保障措施等。 
    2.3.3 戗堤堤头车辆行驶线路布置 
    预先做好截流抛投车辆行车线路规划。抛投车辆在戗堤堤头分成三路纵队，其中靠上游侧一路，下游侧一路，中间留一条空车退场道。堤头线路布置共分为三个区：抛投区长10-20m，编队区长20-25m和回车区。为减少倒车距离，加快抛填速度，右岸利用跟进填筑的堰体部分进行回车。在单戗堤堤头布置3个卸料点，戗堤轴线及上、下游侧各1个。另根据不同部位填料的要求，采用不同的编队方式。一路（85t、77t）靠上游侧抛填四面体、特大石、大石，另一路(77t、45t、32t、20t)在中间及靠下游侧抛填中小石、石渣。上游左岸考虑场地道路比较狭窄，使用20t、32t自卸汽车作为运输设备。 
    2.3.4 戗堤稳定情况的判断 
    为了确保安全施工，避免发生大规模的塌滑，造成人、车落水事故，特别是在塌滑多发段，正确地判断抛投料的稳定性十分重要，结合三峡二期大江截流和葛洲坝大江截流经验，从以下几个方面进行判断： 
    （1）堤头纵向边坡的坡比变化：堤头纵向坡度在正常无流失的情况下约为1:1.3左右，当纵向坡比逐渐变陡达到1:1或更陡时，将会发生坍塌。 
    （2）流态变化：采用上挑角进占，若抛投料能在水中站稳，这时必然形成急流并挑出去，在挑角下游形成回流区，而且有小跌水现象，当抛投料粒径较大而水深较浅时，跌水现象更加明显，若填料抛投下去后，见到跌水顺水流由上而下移动，则说明抛投的块体正被急流冲走。 
    （3）进占速度：按戗堤的实际断面计算，每进占1m，上游约需抛投料1130.8m3，下游约需抛投料1 291.2m3，如抛下一定数量填料不见堤头向前延伸，则说明抛投的块体正被急流冲走。 
    （4）堤头附近的情况：当堤头附近范围内出现裂缝，缝宽逐渐增大时，表明堤头有失稳定现象；如果堤头部位高程在逐渐下降，说明堤头发生“沉陷”，出现这些现象应引起高度重视，及时改变抛投方式。 
    2.3.5 截流施工主要技术要点及安全措施 
    （1）非龙口段填筑料采用自卸汽车运输，端进法抛填，使大部分抛投料直接抛入江中，推土机配合施工；深水区进占时，为确保安全，部分采用堤头集料，推土机赶料抛投。非龙口段进占抛投材料，一般用石渣料全断面抛投施工，进占过程中，如发现堤头抛投料有流失现象，则在堤头进占前沿的上游挑角先抛投一部分大块石、或混凝土预制块、合金钢网石兜，在其保护下，使堤头水流在下游侧形成回流缓流区，再将中小石及石渣抛填在戗堤轴线的下游侧。截流抛投材料规格及备料数量须满足设计要求。 
    （2）龙口合拢采用上下游双戗堤进占，戗堤堤头采用凸出上游形成挑角的防护性进占。控制戗堤顶面高出水面1m左右。抛投进占过程中，视堤头边坡稳定情况，自卸汽车将块石及混凝土预制块、合金钢网石兜尽量直接抛入水中，同时，对卸在堤头前沿上的块石及混凝土预制块用大马力推土机推入水中，每个堤头配备1-2台大马力推土机。 
    （3）尽量采取全断面整体推进，采用上挑角进占时，尽量减少挑角挑出长度，同时要注意跟紧补抛。根据堤头稳定情况相机选择自卸汽车直接抛投或自卸汽车堤头集料推土机推料回填或卸料冲砸抛填方式填筑。 
    （4）挑选质量好的填料，石渣料的粒径相对均匀，粒径小于5.0mm的细颗粒严格控制在10%以内。 
    （5）进占过程中，抛投料出水面后，及时采用石渣加高，戗堤顶用碎石或粗粒风化砂进行铺筑施工，并安排专人养护路面，确保截流施工道路满足大型车辆阴雨天畅通无阻的要求。 
    （6）加强对戗堤上的施工机械及工作人员统一指挥，为防止堤头坍塌危及汽车及施工人员的安全，在堤头前沿设置一排石渣埂，并配备专职安全员巡视堤头边坡变化，为确保堤头车辆安全，汽车轮缘距戗堤边缘不少于2.5-3.5m，并安排专人布置标识。在堤头、堤侧以及各危险部位分别设置安全警示牌，堤头指挥人员穿救生衣，现场准备救生圈，加强专职安全员巡视工作。 
    （7）合拢抛投强度大，抛投材料多，对抛投同一种材料的汽车须作上相同标记，并分队编号，以便于指挥。保证设备的性能完好，操作人员必须持证上岗。 
    （8）龙口段截流进占过程中水文测验资料须及时报送截流指挥部，以及时调整抛投材料。 
    2.4 确保上、下游围堰防渗工程施工强度 
    （1）风化砂填筑进占时，严格控制回填质量，确保沿防渗轴线上、下游5m范围内不得含有大于20cm块石，为高压旋喷防渗墙施工创造条件。 
    （2）采用振孔高喷法和常规高喷法组织施工，发挥各自的优势，互相补充。研制改进振孔高喷等造孔机具，提高造孔速度，确保造孔精度。根据高压旋喷墙不同深度和墙下地质条件，制定不同的成墙措施，确保防渗施工质量。 
    （3）三期土石围堰高压旋喷防渗墙规模生产前，对钻孔、喷浆的有关参数、材料、设备性能及施工工艺措施等进行验证性试验。并掌握、了解既满足设计防渗要求，又安全可行的合理的施工参数，指导后期的规模施工。 
    3、截流施工预案 
    3.1 超设计流量截流预案 
    在截流合拢时期，当截流流量持续居高不下，超过Q=10300m3/s，达到Q=12200m3/s时，模型试验成果表明，采用上下游双戗堤配合进占合拢的截流方式，龙口最大垂线平均流速为：上戗7.47m/s，下戗6.08m/s,截流终落差5.77m，截流总功率689.9MW，为伊太普工程的2.3倍，葛洲坝工程的4.6倍，三峡二期截流的9.2倍，截流规模和难度都将处于世界前列。 
    此时，可采取如下措施： 
    （1）将2-3块20t的四面体在堤头部位穿入30mm钢丝绳，用卡扣卡紧形成混凝土四面体串，再用2-3台大型推土机同时推至江中，以减少龙口合拢时期抛投料的流失量。 
    （2）增加上游左岸截流戗堤抛投材料中的大块石、20t混凝土四面体。采取船运的方式，将右岸备料场的大块石、四面体运至左岸截流基地，由原来双向进占，右岸为主、左岸为辅的截流进占方式改变为左右岸同时进占。 
    （3）将下游备料场的大块石、20t混凝土四面体部分转运至离上游围堰最近的料场备存，在截流合拢时期，及时有效地增加大块石、20t混凝土四面体的抛投强度。 
    （4）增加下游戗堤合拢时的合金钢网石兜抛投量，并将合金钢网石兜串成串，减少抛投材料的流失量，使下游戗堤充分分担截流水头。 
    3.2 提前截流预案 
    在10月底，如果长江流量较小（低于设计截流流量10300m3/s），并且根据水情预报11月上旬流量亦低于10300m3/s时，可以考虑加快非龙口段进占速度，提前完成非龙口段施工，随后进行龙口段进占，将截流合拢时间适当提前，以便为后续防渗施工提供充足的施工时间，确保12月20日围堰闭气。