西霞院水下修复工程超大方量混凝土施工工艺探讨

吴金伟，江志安，崔溦，王宇，王利新

（1.天津市地基与基础工程企业重点实验室，天津301700；2.天津大学建筑工程学院，天津300350）

受环境要素、荷载条件及材料劣化影响，水利工程的长久运行会不可避免带来各种病害，随着我国水利工程由建设高峰转入常态化，水工建筑物的修复加固将成为今后很长时期的重要任务[1-4]。水利工程运行条件复杂，尤其是水下结构物属半隐蔽工程，其病害探测、修复工艺、质量检测与陆上干地条件显著不同，具有较为明显的特点和难点：①受水介质影响，基于水泥基的修复材料需充分发挥抗分散性、快速凝结等特点，但同时水下施工一般混凝土泵送距离较长，还需兼顾材料流动性影响[5，6]，因此材料组分、配合比设计与工作特性等都需要进行专门研究；②受复杂施工环境影响，水下混凝土浇筑需要较多人力物力，水下施工一般采用钢筋笼作为挡墙，为水下混凝土浇筑创造工作面，因此钢筋笼挡墙的稳定性及施工方法、水下混凝土浇筑工艺等对施工质量具有重要影响。

针对上述特点和难点，本文以西霞院工程为对象，对水下不扩散混凝土、水下钢筋笼混凝土挡墙施工、复杂水下环境混凝土浇筑等关键技术问题进行了较为深入的研究，初步建立了复杂环境下水利工程水下修复加固成套技术。

1 工程概况

西霞院水库是黄河小浪底水利枢纽的配套工程，位于小浪底坝址下游16 km处的黄河干流上，以反调节为主，结合发电，兼顾泄洪、灌溉。该水库在过去已经过多次调水调沙运用，特别是2018、2019年的“低水位、大流量、高含沙、长历时”泄洪运用。2020年3月，对泄洪排沙系统开展水下检查，发现泄洪、排沙等建筑物存在不同程度的冲蚀破坏问题，其中包括6号排沙洞上游挡墙、胸墙式泄洪洞上游铺盖、胸墙式泄洪闸上游干砌石护脚等部位，缺陷部位水下监测地形如图1—2所示。

图1 6号排沙洞上游挡墙及胸墙式泄洪闸上游铺盖冲蚀破坏区域水下三维地形

图2 6号排沙洞上游挡墙及胸墙式泄洪闸上游铺盖冲蚀破坏区域示意

2 水下不扩散混凝土

为适应水下复杂施工环境和大方量混凝土浇筑，西霞院水下修复工程采用水下不分散混凝土，不低于C30F100，属一级配。水下混凝土配置强度宜提高10%～20%，胶凝材料用量不宜少于360 kg/m3；混凝土在水中有自由落差时，胶凝材料用量不宜低于400 kg/m³。水下混凝土拌合物应具有自密实性能，且粗骨料最大粒径不宜超过20 mm。混凝土主要性能技术指标详见表1，施工配合比详见表2。

表1 混凝土主要性能技术指标

表2 水下不分散混凝土施工配合比参数

3 施工工艺研究

3.1 施工流程

西霞院水下修复工程进口检修闸门前铺盖和挡土墙检查修复工程的总体施工方案为：①水下检查；②水下基础清理；③现状挡墙基础掏空段处理；④水下找平层施工；⑤排沙洞挡墙上游施工；⑥铺盖底部掏空及缺失部位水下混凝土挡墙回填浇筑；⑦倾倒段挡墙处理；⑧钢筋石笼抛护和四面体根石抛护。主要施工流程，如图3所示。

图3 主要施工流程

在以上施工方案和施工过程中主要涉及的施工工艺有5种：①测量放样；②水上交通栈桥和平台工程；③钢筋笼施工；④水下模板施工；⑤混凝土水下浇筑施工。在本研究中，针对钢筋笼挡墙施工及混凝土水下浇筑施工进行系统介绍。

3.2 钢筋笼挡墙施工工艺及方法

钢筋笼采用地面加工成型，水中安装就位。钢筋笼的制作应根据水下混凝土挡墙修复的长度和高度分节制作，并内嵌钢丝网。钢筋笼采用六面体型式，每节制作边长为2 m，局部衔接位置钢筋笼的高度和长度可根据挡墙实际位置的布置进行适当调整。

钢筋笼采用HRB400热轧钢筋，直径20 mm，间排距200 mm，内嵌钢丝网。钢筋的质量、搭接方法、搭接长度、焊接接头的机械性能等应能够满足相关施工规范要求。

钢丝网应有足够的强度（不小于380 MPa），以防止混凝土浇筑时被撑破。钢丝直径3 mm，网孔孔径不宜过大（不大于10 mm），以防止混凝土浇筑时无法起到临时阻挡作用；内嵌钢筋网应预留插筋孔，以方便水下插筋的布置和安装。

经水下检查，发现坝上0-053—0-072、D1+931—D1+943.35段铺盖被冲垮，尺寸12.35 m×19 m。冲垮铺盖采用回填水下混凝土进行修复，修复回填混凝土范围为新浇筑钢筋笼挡墙和现状铺盖之间区域。一层挡墙浇筑完成并具有一定强度后进行挡墙内侧水下混凝土回填浇筑，然后再进行下一层钢筋笼挡墙和水下混凝土回填施工。上游缺失铺盖修复方案，如图4所示。

图4 上游缺失铺盖修复方案示意

挡墙采用预制钢筋笼内嵌细孔钢丝网吊入水下，钢筋笼到位后进行连接，内部预置连接插筋，然后在钢筋笼内浇筑水下混凝土，首先形成水下混凝土挡墙。针对单个钢筋混凝土挡墙进行有限元稳定性分析计算，单个钢筋笼受力如图5所示。淹没于水流中的物体受到水流作用力，对于长方体受到的水平作用力，Evett等提出水平拖曳力公式：

图5 钢筋混凝土挡墙计算稳定受力示意

式中：FD为水流拖曳力（N）；CD为拖曳力系数；ρ为流体密度（kg/m3）；U为水流流速（m/s）；A为块体在垂直于来流方向的投影面积（m2）。

不同水深下钢筋笼与地基的接触切向力变化如图6所示，挡墙的稳定性评价详见表3。从图6可以看出，钢筋笼在水下1～4 m/s水流速度下均处于稳定状态。

图6 不同流速和水深下钢筋笼与地基的接触切向力变化曲线

表3 钢筋笼的安全稳定性评价

3.3 混凝土浇筑施工工艺及方法

混凝土浇筑采用导管法施工。在开浇阶段，导管底部应接近基底面300～500 mm并应尽量安置在地基的低洼处；第一罐水下混凝土浇筑时在导管中应设置隔水球将混凝土与水隔开；从首批混凝土浇筑至结束，导管下端不得拔出已浇筑的混凝土，且导管埋入混凝土内深度不宜小于1 m；浇筑过程中，混凝土连续供应，浇筑时应根据混凝土面的上升高度及时提升导管，每次提升高度应与混凝土浇筑速度相适应。

水下混凝土浇筑应从仓面最深处开始，若浇筑整个仓面高程无太大高差时，应遵循从上游往下游依次交替浇筑，保证整个仓面水下混凝土均匀上升。

水下挡墙混凝土施工应分层、分次浇筑完成，一层挡墙浇筑完成并具有一定强度后进行挡墙内侧水下混凝土回填浇筑。连续不断地进行浇筑，观察管内混凝土下降情况，及时测量孔内的混凝土面高度，控制每层混凝土面，不得超灌，以方便下一层墙体钢筋笼安装。

浇筑水下挡墙混凝土时，应控制混凝土流速、浇筑上升速度等，防止混凝土冲击钢筋笼模板造成钢筋笼上浮或倾斜，保证混凝土浇筑质量。混凝土面接近钢筋笼顶时，保持较大埋深，以减小混凝土的冲击力，适当提升导管减小埋深（但不小于1 m），以增加钢筋笼在导管底口以下的埋深，从而增加混凝土对钢筋笼的握裹力。

水下混凝土浇筑要均匀连续，严格控制和易性，保证浇筑质量。钢筋笼采用平台吊机悬吊导管法依次浇筑，每一个一次浇筑完成。在开浇阶段，混凝土在水中自由落下时，水中自由落差不得大于0.3 m；从开浇混凝土至结束，导管下端不得拔出已浇筑的混凝土，混凝土应连续供应；在浇筑过程中，导管只能上下升降，不得左右移动。浇筑时应根据混凝土面的上升高度及时提升导管，每次提升高度应与混凝土浇筑速度相适应。

4 结语

西霞院水下修复加固工程混凝土浇筑量达到5 000 m3，从施工环境和施工难度来看，都居于国内工程前列。以该工程为例，对水下不扩散混凝土、复杂水下环境混凝土浇筑、水下钢筋笼混凝土挡墙施工等关键技术问题进行了较为深入研究，初步建立了复杂环境下水利工程水下修复加固成套技术。该技术可满足大水深（＞10 m）、复杂浪流条件、大规模（＞5 000 m3）水下混凝土浇筑等工程要求，具有较好的可推广性。