某水利枢纽工程垂直防淘墙的设计与施工

马 虹，彭荣生，王改会

(1.信阳师范学院 土木工程学院，河南 信阳 464000； 2. 长江勘测规划设计研究院, 湖北 武汉 430010)

0 引言

防淘墙工程属于隐蔽工程，其安全性、实用性及耐久性是通过合理的设计及可靠的施工质量来保证的.防淘墙工程在水利枢纽工程中的应用已有不少报道[1-6]，在不同工程中发挥着相应显著的作用，但是防淘墙布置在深厚粉细砂地基的泄水闸下游，以提高泄水闸的垂直防冲安全性，在其他类似工程中还很少见.本工程混凝土防淘墙的嵌入深度及墙身结构设计主要采用纯抓法成槽，槽孔采用泥浆固壁，泵吸排渣法清孔，钢筋笼分段制作，混凝土采用泥浆下直升导管法浇筑，防淘墙墙段连接采用接头管法连接，保证了施工质量.希望通过本文对防淘墙的设计与施工方法的介绍对类似工程有所启发.

1 工程简介

该水利枢纽工程由拦河水闸、船闸、电站厂房、鱼道、两岸滩地过流段及其上空的连接交通桥等建筑物组成.

枢纽总布置：在主河槽和左岸低漫滩上布置泄水闸，紧邻泄水闸右侧布置电站厂房，船闸布置在厂房安装场右侧的滩地上，与安装场间距为80 m，该段不过流，为厂房与船闸间挡水坝段，鱼道位于船闸与电站厂房之间.船闸与右岸堤防之间、泄水闸与左岸堤防之间则为滩地过流段，主体建筑物与两岸堤防之间采用交通桥连接.

泄水闸位于原主河床部位，共56孔，最大安全泄流量19 400 m3/s，闸底板顶高程29.5 m，泄水闸基础为深厚的粉细砂层，其持力层主要为含泥粉细砂、粉细砂夹粉质壤土或淤泥质粉质壤土等.该类土体强度及抗冲刷能力低，存在易冲刷、渗透变形等问题，同时还存在饱和砂土震动液化及人工边坡稳定等地质问题.

2 防淘墙的布置

泄水闸下采用底流消能、下挖式消力池后接钢筋混凝土海漫和柔性混凝土沉排海漫及防冲槽等水平防冲设施.鉴于本枢纽泄水闸工程规模为大(I)型的多孔闸，而且粉细砂地基抗冲刷能力较低，类似的工程经验很少，且考虑到泄水闸调度运用规划的复杂性，闸后仅采用水平防冲设施是不够的，为增加泄水闸的运用安全，设置垂直防淘墙是必要的.

初步设计时，就防淘墙的位置提出了两个布置方案.

方案1 在钢筋混凝土(刚性)海漫末端设置垂直防淘墙，垂直防淘墙延伸至与泄水闸右侧相接的电站厂房尾水渠护底末端，垂直防淘墙采用钢筋混凝土地下连续墙.混凝土强度等级为C25，防淘墙总长1 143 m(含电站厂房尾水渠部分)，墙厚60 cm， 高12.00 m， 墙顶高程27.00 m， 墙底高程15.00 m， 墙面积13 710 m2(含电站厂房尾水渠部分)[4，7].

方案2 在柔性海漫下游端设置水泥土搅拌桩垂直防淘墙，墙体由三排直径60 cm的搅拌桩相互套接15 cm，墙厚120 cm，墙深13.00 m，墙顶高程25.50 m，墙底高程12.50 m，搅拌桩长86 670 m.

防淘墙的布置示意图见图1.

两方案在技术上都是可行的，但方案1设计思路明确，有利于保证闸室本身安全.经过技术、经济等多方面的比较，最终选定方案1为闸下消能放冲的补强加固方案.防淘墙的平面布置见图2.

3 防淘墙结构设计

钢筋混凝土垂直防淘墙的设计，依据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ120-99)和《港口工程地下连续墙结构设计与施工规范》(JTJ303-2003)进行.

3.1 嵌入深度计算

根据该水利枢纽泄水闸断面模型试验研究报告，在柔性海漫底部土工布等防护措施遭到破坏，下泄最大流量19 400 m3/s时，柔性混凝土海漫出现整体下沉，在与钢筋混凝土海漫的交界处，最大下沉深度为5.8 m.

计算防淘墙稳定时，顶部淘刷深度按6 m考虑，刚性混凝土海漫厚0.5 m，土压力高度取5.5 m，粉细砂的浮重度取9 kN/m3，黏聚力c=0，内摩擦角φ=26°，按悬臂式支护结构设计.其计算简图见图3[8].

图2 防淘墙的平面布置图

图3 防淘墙嵌入深度计算简图

上游侧土压力按主动土压力计算，上部土层高度为5.5 m，下游侧按被动土压力计算.防淘墙稳定性计算表明，本工程防淘墙总高度为12 m，嵌入深度7 m能满足要求.

3.2 防淘墙内力计算

按“m”法计算防淘墙内力，依据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ120-99)，由c、φ值计算m，得m=10.92 MN/m4；依据《港口工程地下连续墙结构设计与施工规范》(JTJ303-2003)，当地基土为粉细砂时，m=2～4 MN/m4，取m=3 MN/m4.

取墙身厚0.6 m，墙身混凝土强度为C25，当不考虑上游海漫的拉力作用，m=10.92 MN/m4时，计算所得的内力图形见图4.

当不考虑上游海漫的拉力作用，m=3 MN/m4时，计算所得的内力图形见图5.

图4 不考虑上游海漫的拉力作用，m=10.92 MN/m4时的内力图

图5 不考虑上游海漫的拉力作用，m=3 MN/m4时的内力图

计算结果表明，嵌入深度必须为7 m，整体稳定和抗倾覆稳定满足要求，m=3 MN/m4所得的内力值大，按m=3 MN/m4的计算结果Mmax=239.62 kN·m， 上、下游侧每米均需配置522的纵向钢筋；Vmax=80.37 kN，水平分布筋为每米516.

当考虑防淘墙与上部钢筋混凝土海漫的相互作用时，计算结果表明，嵌入深度至少为6 m，仍然是m=3 MN/m4所得的内力值大，上、下游侧每米需配钢筋518，水平分布筋为每米514.

单个墙段配筋图见图6.

图6 单个墙段配筋图

4 防淘墙施工

4.1 施工机械设备

钢筋混凝土防淘墙墙体厚度60 cm，墙高12 m，坐落于河床泥粉细砂和粉细砂层，采用薄壁抓斗纯抓法成槽.

4.2 施工工艺流程

混凝土防淘墙的施工程序主要为：场地平整加固→浇筑导墙与施工平台→安装挖槽机械→一期槽孔建造→终孔验收→清孔换浆→清孔验收→下设接头管、钢筋笼、浇筑导管等→浇筑混凝土→拔出接头管或钻凿接头孔→二期槽孔施工.

一期槽孔建造前，造孔泥浆需要制备完成.在清孔换浆前，清孔泥浆需要制备完成.下设钢筋笼前，钢筋笼加工需要完成.

4.3 防淘墙施工

4.3.1 施工准备

4.3.2 造孔与泥浆固壁

本工程混凝土防淘墙主要采用纯抓法成槽，即使用挖斗直接挖槽，可以单抓成槽，也可以多抓成槽.遇孤石等不易用抓斗成槽的部位，辅以冲抓法成槽[5].

槽孔采用泥浆固壁，固壁泥浆性能指标应满足规范要求，应具有良好的物理性能、良好的流动性能、良好的化学稳定性能、较高的抗水泥污染能力等特性，并根据施工条件、造孔工艺、经济技术性能指标等因素，优先选用优质膨润土拌制泥浆.使用前应取样，进行泥浆配合比试验，拌制泥浆的方法及时间应通过试验确定，并按批准或指示的配合比配制泥浆，加量误差值不得大于5%.槽内混浆面必须高于地下水位0.5 m，泥浆质量须保证槽壁稳定.在容易产生泥浆渗漏的土层施工时，应适当增加泥浆黏度和增加储备量，如发生泥浆渗漏，应及时补浆和堵漏，使槽内泥浆保持正常液面[6,9].

4.3.3 清孔和换浆

造孔完成后，泥浆中的钻渣都将沉淀在槽底，槽孔浇筑前必须清理这些沉渣.采用泵吸排渣法清孔.利用设置在地面的砂石泵通过排渣管将孔底的泥渣吸出，经泥浆净化系统去除粒径65 μm以上颗粒，再返回到槽内使用，根据需要再补充新制泥浆.

清除孔底沉渣的工作，不仅应在清孔、换浆时进行，有时由于下设钢筋笼时间过长或其他原因，造成孔底淤积大量增加，此时则应当在浇筑混凝土前进行孔底淤积的复测，必要时再次清孔.

4.3.4 钢筋笼制作与下设

东北航线经俄罗斯北部海域，由太平洋进入白令海峡，依次途经楚科奇海、东西伯利亚海、拉普捷夫海、喀拉海、巴伦支海至摩尔曼斯克港[8]，因航线环境和破冰船的限制，目前适航船舶主要是阿芙拉船型。海冰是影响东北航线通航的重要因素。

钢筋笼在现场进行加工制作，用起重机吊运.起吊、装卸及运输时要确保钢筋笼不发生无法恢复的变形.

钢筋笼分段制作，以每槽段长度为一制作单元，长7 m，重约4.5 t.钢筋笼一般先用铅丝绑扎固定，然后点焊焊接，钢筋接头位置应上下左右错开.为加强钢筋笼的刚度和方便吊装，每幅连续墙均设钢筋桁架，桁架必须与水平筋点焊.

下设钢筋笼前应及时做好各项准备工作，严格检查槽孔孔形，清除槽底淤泥和沉渣.下设钢筋笼的槽孔应提高清孔验收的标准，清孔换浆合格后立即下设，中途不应中断，尽量缩短下设时间，以减少孔底淤积的增加.

4.3.5 混凝土浇筑

混凝土配合比应经试验确定，坍落度宜为200±30 mm，可采用普通硅酸盐水泥，水泥用量不宜少于370 kg/m3，粗骨料粒径≤30 mm，细骨料宜采用级配良好的中砂或粗砂，水灰比≤0.6，并可掺用合适的外加以改善和易性.

防淘墙混凝土采用泥浆下直升导管法浇筑，导管内径以200～250 mm为宜.槽孔内使用两套以上导管时，间距不得大于3.5 m.导管的连接和密封必须可靠，应在每套导管的顶部和底节管以上设置数节长度为0.3～1.0 m的短管.导管底口距槽底应控制在15～25 cm范围内.开浇前，导管内应置入可浮起的隔离塞球；开浇时，应先注入水泥砂浆，随即浇入足够的混凝土，挤出塞球并埋住导管底端.浇筑过程中，导管埋入混凝土的深度不得小于1 m，不宜大于6 m，保证混凝土面上升速度不应小于2 m/h，自下而上置换孔内泥浆，在浆柱压力的作用下自行密实，不用振捣.一期槽端的导管距孔端或接头管宜为1.0～1.5 m,二期槽端的导管距孔端宜为1.0 m，当槽底高差大于25 cm时,导管应布置在其控制范围的最低处.

单个槽孔的浇筑必须连续进行，并在较短的时间完成.混凝土宜浇筑至高出设计墙顶0.5m以上，以保证凿除浮浆后，墙顶高程能满足设计高程.

4.3.6 墙段连接

防淘墙墙段连接采用接头管法连接.在浇筑一期槽孔前，在槽孔的两端下设接头管，开浇一定时间后，逐步拔出接头管而形成接头孔，然后将该接头孔作为相邻二期槽孔的端孔.

4.3.7 工程质量检查

防淘墙工程是隐蔽工程，质量的控制和检查极其重要，通常主要应注重施工过程的检查和控制.防淘墙工程质量检查按照规范及设计要求进行，主要包括原材料检测、混凝土现场及机口取样检测、槽孔地质鉴定及孔形验收、成墙后钻检查孔取芯等诸多项目.

5 结语

为保证泄水闸运行安全，提出可行的闸下消能防冲设计与施工方案，目前该工程已施工完成并试运营，通过汛期洪水的考核，证明该防淘墙的设计与施工方案是合理的.