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北疆某水电工程土工膜斜墙围堰设计与施工

日期：2016-8-4 16:03:46　来源：转载　浏览数：
　

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    1· 概述
    北疆某水电站工程为大( 2) 型Ⅱ等工程，主要建筑物为2 级，次要建筑物为3 级。根据《水利水电工程施工组织设计规范》( SL 303—2004) 有关规定，上下游围堰及导流洞为4 级建筑物。施工导流采用河床一次断流，上下游围堰挡水，左岸导流隧洞全年导流的方式。导流标准采用P = 10%的全年洪水，相应洪峰流量为1 594 m3 /s。
    根据当地气候条件，施工时段主要为4 ～ 10 月，汛期为5 ～ 8 月，综合分析河流水文特性，选择在10月上旬汛后退水期进行截流。围堰施工期为10 月至次年4 月底，当地多年平均气温见表1。根据气象资料，围堰施工期内气温较低，为确保工程工期及挡水度汛，对围堰的设计形式及施工要求较高，本工程上游围堰高约35 m，本文主要介绍了上游围堰的设计与施工。

2· 围堰设计
2. 1 堰体防渗方案比选堰体防渗型式结合当地气候条件、堰体填筑材料来源、类似工程的成功实施经验，选取了土工膜斜墙、土工膜心墙、浇筑式沥青心墙三种方案进行比较( 见表2) 。

     根据围堰堰体防渗型式对比分析，堰体填筑量变化不大，主要取决于堰体防渗形式的选择; 从投资上比较，土工膜心墙投资最低，沥青心墙投资相对较高; 从施工方案上比较，由于上游围堰需要在一个枯水期内施工完毕，而本工程枯期时段大多为冬季，土工膜心墙必须和堰体同步上升，土工膜的拼接质量在此时段的施工期内难以保证。浇筑式沥青心墙虽可以冬季施工，但是其施工工艺复杂，投入设备较多，与堰体施工干扰较大，且造价较高。土工膜斜墙可以最大限度地避开寒冷施工，对堰体施工干扰较小，投入设备较少，造价相对比较低，只是在大面积摊铺土工膜时需要注意土工膜的焊接和保护。综合本工程的围堰施工期的气候特点、施工方法和投资，采用土工膜斜墙方案防渗效果相对较为可靠，因此本工程堰体防渗方案采用土工膜斜墙。
    2. 2 土工膜斜墙围堰设计
    上游围堰堰体防渗采用土工膜斜墙( 569. 33 m 高程以上) 。堰体采用砂砾料及开挖料填筑，堰顶高程为604. 00 m，堰顶宽度10 m，最大堰高34. 67 m，在围堰下游面设置8 m 宽的堰后“之”字路。迎水边坡为1 ∶ 2. 25，采用铺设15 cm 厚现浇混凝土板防护，分别在593. 30 m、583. 30 m、573. 30 m 高程设置三道阻滑槽，背水边坡1 ∶ 1. 5。围堰总长157. 26 m，总填筑量25. 5 万m3 ( 含砂石料与过渡料) 。
    土工膜斜墙底部设2 000 mm × 1 000 mm( 宽×高) 扩大基础与基础防渗体连接。防渗体采用帷幕灌浆防渗，设计顶高程565. 12 m，单排，孔距1 m，河床段灌浆深度至基岩下12 m 处，两岸灌浆深度至基岩下10 m 处。
    堰体和土工膜之间设置过渡料、砂浆，以均匀传递应力和协调变形，为土工膜的保护提供必要的条件，减少和缓和渗透变形的发生。过渡层料的最大粒径为40 mm，过渡层料填筑宽度结合施工要求选定为垂直厚度80 cm，砂浆垂直厚度为3 cm，土工膜上铺设15cm 厚现浇混凝土板以保护土工膜，混凝土板尺寸为3 m × 3 m，纵向每6 m 设置一道通缝，板块之间设置半缝，采用浸油木板填缝。围堰上游侧576. 00 m 高程设置宽10 m 的大块石护脚，在抛填大石前先铺设一道最大粒径为200 mm 的过渡层，对混凝土板加以保护。
    上游围堰标准横断面如图1 所示，设计要求第一个汛期前围堰填至597. 50 m 高程，第二个汛期填至604. 00 m 高程，为此要求上游围堰2009 年12 月底应填筑至590. 00 m 高程，2010 年5 月底应填至597. 50 m 高程，2010 年汛后再将围堰填至度汛高程，完成剩余工作量。

    3 ·土工膜斜墙围堰施工
    3. 1 堰体填筑
    采用PC300 液压反铲在石渣料场挖装，20 t 自卸汽车运输，TY － 220 推土机平料，铺设厚度为100cm，YZ20 t 自行式振动碾平行堰轴向方向碾压，碾压时采用错距进退法。为增强压实效果，碾压前应根据碾压实验的结果进行加水。
    3. 2 过渡层填筑
    采用反铲挖掘机或装载机在C1 料场加工制备场挖装，20 t 自卸汽车运输，人工配合装载机平料，铺设厚度为40 cm，用蛙式打夯机碾压，碾压前应根据碾压实验的结果进行加水。
    3. 3 砂浆铺筑
    过渡料上游面平整度修整满足要求后即可进行砂浆铺筑，由于混凝土面板最大斜长过长，上游面坡比为1 ∶ 2. 25，砂浆无法用手推胶轮车直接入仓，采用装载机+ 储料箱+ 简易溜槽入仓方式。
    砂浆采用自下而上铺筑方式，采用抹子+ 刮尺人工抹平。
    3. 4 土工膜铺设
    土工膜铺设方法: 目前进场土工膜规格分别为6 m × 50 m、6 m × 67 m、6 m × 33. 4 m，单幅土工膜采取垂直于围堰轴线方向铺设方式，同时避免施工时人为因素破坏土工膜，混凝土面板浇筑进行跳仓浇筑，即奇数仓浇筑时单幅土工膜只需进行水平焊缝焊接，中间仓土工膜两侧及水平焊缝焊接以及面板混凝土浇筑时，可避免施工人员因素造成土工膜坡损。上游围堰坡比为1 ∶ 2. 25，土工膜焊接采用高温热风行走焊机施焊，热风焊枪作为局部修补辅助工具，焊缝宽度为10 cm，焊机行走工作宽度按60 cm 考虑，即奇数仓浇筑时两侧土工膜需各预留30 cm，因此奇数仓浇筑宽度取5. 4 m，中间仓单幅6 m 宽土工膜焊接后仓面宽度则为6. 4，以此类推。土工膜铺设方式见图2。

     土工膜铺设步骤: ( 1) 用干净纱布擦拭焊缝搭接处，做到无水、无尘、无垢，土工膜应平行对正，搭接宽度10 cm; ( 2) 根据当时气候条件，调节焊接设备至最佳工作状态; ( 3) 在调节工作状态下，做小样焊接实验，试焊接长1 m 的土工膜样品;( 4) 采用现场撕拉检验试样，焊缝不被撕拉破坏、母材被撕裂认为合格; ( 5) 现场撕拉试验合格后，用已调节好工作状态的热合机逐幅进行正式焊接;( 6) 用挤压焊接机进行T 字型结构补疤和特殊结点的焊接。
    土工膜铺设技术要求: ( 1) 焊接时基底表面应干燥，含水率在15% 以下，膜面应用于纱布擦干擦净。( 2) 土工膜铺设时应适当放松，避免人为硬折和损伤; 膜块间形成的结点，应为T 字型，不得做成十字型; 应根据当地气温变化幅度和加工厂产品说明书要求，预留出温度变化引起的伸缩变形量;横向焊缝间错位尺寸应大于或等于500 mm。( 3) 根据气温和材料性能，随时调整和控制焊机工作温度、速度，焊机工作温度应为180 ～ 200 ℃; 土工膜焊缝搭接面不得有污垢、砂土、积水( 包括露水)等影响焊接质量的杂质存在; 焊缝处土工膜应熔结为一个整体，不得出现虚焊、漏焊或超量焊，出现虚焊、漏焊时，必须切开焊缝，使用热熔挤压机对切开损伤部位用大于破损直径一倍以上的母材补焊; 焊接中，必须及时将已发现破损的土工膜裁掉，并用热熔挤压法焊牢; T 字型接头宜采用母材补疤，补疤尺寸可以为300 mm × 300 mm，疤的直角应修圆。( 4) 铺膜过程中应随时检查膜的外观有无破损、麻点、孔眼等缺陷，发现膜面有孔眼等缺陷或损伤，应及时用新鲜母材修补，补疤每边应超过破损部位10 ～ 20 cm。( 5) 坡面上土工膜的铺设，其接缝排列方向应平行或垂直最大坡度线，且应由下而上的顺序铺设; 坡面弯曲处应使膜和接缝妥帖坡面; 联接的两层土工膜必须搭接平展、舒缓。
    土工膜焊缝质量检查: 土工膜焊缝质量采用现场手撕法进行检查，焊缝不被撕拉破坏、母材被撕裂认为合格。土工膜焊接完成后，及时对下列部位的焊接质量进行检测: ( 1) 全部焊缝; ( 2) 焊缝结点; ( 3) 破损修补部位; ( 4) 漏焊和虚焊的补焊部位; ( 5) 前次检验未合格再次补焊的部位。
    3. 5 混凝土面板施工
    混凝土面板沿围堰轴线方向分块宽度奇数仓取5. 4 m，中间仓宽度取6. 4 m，奇数仓两侧用100 mm× 150 mm 方木作为侧模，方木内侧顶部安装2 根L40 mm × 40 mm × 4 m 角钢作为滑动轨道，采用伸缩法兰和DN50 钢管加固。中间仓浇筑时振动钢梁直接架立在已浇筑两侧基数仓混凝土面板上即可，无需立模。
    面板混凝土采用ZL50 装载机+ 集料斗+ 简易溜槽入仓浇筑，人工仓面平仓，混凝土采用振动梁振捣( 300 mm ×6 500 mm) ，振动梁由300 mm ×1 500 mm 钢模板、2 根DN129 钢管以及2 台平板振捣器制作而成，振捣过程通过安装在堰体上游侧的卷扬机牵引。
    面板混凝土浇筑成型后用切割机按3 m × 3. 2 m 和3 m ×2. 7 m 进行切缝，油浸木板嵌缝。
    4 ·土工膜斜墙施工中的问题及处理办法
    4. 1 保温工作
    为保证围堰在第一汛期达到安全度汛高程，根据气象条件完成了580. 00 m 高程以下土工膜铺设及面板的浇筑。《水工混凝土施工规范》( DL /T 5144—2001) 规定要求: 日平均气温连续5 d 稳定在5 ℃以下或最低气温连续5 d 稳定在－ 3 ℃以下时，按低温季节施工。结合施工期的施工气候条件，土工膜铺设及面板浇筑必须采取低温季节施工措施。
    第一，浇筑暖棚及土工膜焊接暖棚采用16 钢筋搭设，浇筑暖棚宽6. 6 m，单节长度6 m，共制作6 节，开仓前人工抬至浇筑仓块拼接，覆盖整个浇筑仓块，在底部设置5 个火炉对暖棚升温，保证在正温下浇筑面板混凝土，面板混凝土终凝后采用保温被+彩条布进行保温，暖棚移至下一浇筑仓块。
    第二，土工膜存放于室内，运至现场后焊接前存放于搅拌站暖棚内，焊接工作在暖棚内进行，土工膜焊接暖棚宽度2 m，长度6 m，边焊接边移动暖棚。考虑到空间小且基本密封，使用火炉存在安全隐患且有可能破坏土工膜，因此暖棚内装2 盏1 kW 碘钨灯升温。暖棚钢筋骨架底部加垫木板及海绵，防止钢筋扎坏土工膜。
    第三，拌和站范围内搭设暖棚，即用钢管搭建框架，框架外覆盖一道三防帆布防止外部冷气倒灌。第四，混凝土拌制工作要求: ( 1) 拌和混凝土前，用热水冲洗拌和机，并将积水或冰水排除; ( 2)按配合比掺加防冻剂，使混凝土能在负温下硬化，并在规定的时间内达到足够的强度，使混凝土最终达到与常温养护相同的质量水平; ( 3) 采用热水拌和混凝土，混凝土开仓前应提前2 ～ 3 h 开始烧热水，水温控制在60 ℃以内( 拌和用水加热超过60 ℃时，应改变拌和投料顺序，将骨料与水先拌和，然后加入水泥，以免出现水泥假凝) ; ( 4) 混凝土拌和时间延长至90 s。
    第五，仓面施工应注意: ( 1) 装载机运输混凝土过程中，混凝土面层需覆盖聚乙烯保温被，减少运输过程混凝土温度损失; ( 2) 混凝土入仓做到连续性，加快供料，缩短时间，这样可以减少混凝土温度损失，避免表层受冻; ( 3) 混凝土收仓后及时覆盖一层保温棉被和彩条布; ( 4) 备仓及浇筑过程中安排专职质检员进行土工膜铺设及焊接质量检查，混凝土收仓后落实混凝土面板是否采取保温措施。
    4. 2 行车时土工膜的保护
    堰体填筑过程中由于受料场来源的限制，填筑过程中重车不可避免地要跨越土工膜斜墙，可通过选择适当位置在混凝土齿墙预留凹槽，埋设未摊铺的土工膜，两侧放麻袋填土，使麻袋填土与土工膜平行，放好的麻袋填土顶高程高于土工膜500 mm以上，然后在两麻袋填土之间回填砂砾，砂砾填至麻袋填土高程为止。在此麻袋填土垂直于土工膜方向铺设钢板搭桥，麻袋填土两侧做好引桥，该种跨桥结构可确保20 t 自卸车重载行驶时土工膜无损坏。