水下帷幕灌浆水面作业平台设计与应用研究
时间：2023-02-26 15:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
胡小梅 程国栋 陈崇德
(湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156)
西北口水库位于湖北省宜昌市夷陵区境内，系长江北岸一级支流黄柏河流域梯级开发的骨干工程。水库总库容1.96亿m3，其中兴利库容1.55亿m3，西北口水库是以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖、城镇供水、拦沙等综合效益的大(2)型水利工程。
根据设计文件，趾板K1～K4段帷幕灌浆开孔高程在240.60～301.50m之间，低于施工期库水位(水位控制在305.00m)以下3.5～64.4m(含覆盖层)。因此,满足水下钻孔灌浆施工要求，在趾板K1～K4段应搭设水面作业平台进行水下帷幕灌浆施工。水面作业平台长162m，宽5m，平台上将承受静荷载及施工动荷载，并在上面进行超百米孔深的钻孔灌浆作业，所以必须保证水面作业平台的可行性、安全性和稳定性。
2.1 水面作业平台的基本要求
荷载要求：荷载主要是浮桥自重、钻孔灌浆设备及钻孔作业产生的冲击力和施工人员荷载，此外还应考虑风浪影响因素等。根据设计，钻孔设备平均按10m间距分布，每台钻机及其配套材料重量按3.5t计算。
结构要求：平台应架设简单、速度快，结构牢固、稳定。
定位要求：定位准确，并具有较强的抗风浪及在一定范围内适应水位变化能力。
水位要求：施工期要求水库水位降到305m以下，但不得低于304m。且在施工过程中库水位每天涨落不得超过±0.5m。根据水位要求，施工期拟定在当年11月—次年4月之间[1]。
水平位移调节要求：为了保证开孔孔位偏差满足设计要求，平台水平位移可灵活调节，当水平位移超过±10cm时，通过松(紧)限位钢缆进行调节；
当水平位移不超过±10cm时，通过调整钻机位置进行调节[2]。
2.2 水面平台结构形式
水面平台单个浮船的主尺寸：长4.0m，宽3.0m，高1.25m。
浮船采用6mm厚钢板焊接而成，作为浮体。浮船每2个组成1对，并垂直于帷幕灌浆轴线对称布置，中间预留1.0m间隙作为钻孔时钻具上下及孔口管安装空间。每对浮船沿作业平台轴线方向间距9m，共19对浮船，总长度162m。
两对浮船的甲板上，左右设桁架兼做栏杆，每个片体由3件标准321型贝雷片组成(长度为3m/节，高度1.5m)。在甲板上设桁架的固定装置及斜支撑。左右桁架间用22a工字钢作为横梁，工字钢与桁架间用横梁夹具连接，必要时焊接加固。在工字钢横梁上设纵向骨架(8号槽钢)，纵向骨架与横梁间用螺栓连接。纵向骨架上铺设50mm的木板(见图1、图2)。
图1 平台基本结构
图2 平台基本结构实际情况
水面作业平台分为3段，其中，K1～K2段长54.95m，由6个浮船组和19节贝雷桥组成；
K2～K3段长35.58m，由4个浮船组和12节贝雷桥组成；
K3～K4段长73.69m，由9个浮船组和23节贝雷桥组成(见图3)。
2.3 水面作业平台重量及吃水计算
计算水面作业平台重量及吃水深度见表1，如因特殊情况，出现局部荷载集中，可能存在浮箱组提供的浮力无法满足局部承载要求的情况。考虑在两个浮箱组之间预留钢套环，钢套环采用φ130钢管，钢套环长50cm，浮力不足时将橡胶气囊直接置入钢套筒内，并对气囊进行充气，以增加浮体整体承载力。单个气囊可提供的最大浮力为10.5t。
表1 水上作业平台重量及吃水深度计算
2.4 水面平台安装方法
水面平台安装在靠岸边的水面上进行。第一步：用25t吊车将浮体逐个吊到水面，并用绳索临时拴在岸边设置的固定物上。第二步：移动浮体，利用挂钩、钢绳等将两个浮体按尺寸要求连接在一起。第三步：将贝雷片、横梁等构件吊到浮体上，逐节进行组装。沿帷幕灌浆轴线垂直布置的两个对称钢浮体之间预留1m间隙(施工过程中该预留缝宽度可根据实际情况调整)。调整浮体对位后用螺栓与贝雷片固定牢固，最后铺设纵梁和桥面板。
直线段定位后，再进行平台转角处的连接，具体方法是：根据需要转角的长度和角度，用贝雷片改装成折弯形式，再通过销孔与相邻直线段连接，对平台轴线校正确认无误后利用10号工字钢焊接加固。
2.5 平台固定方法
在溢洪道导墙区域用架子管等材料组成限位支撑架，限制平台向下游端移动。同时限位架与平台之间采用柔性连接，保证水上作业平台在库水位上涨或下降时具备在设定范围内进行升降的条件[3]。安装方法：首先采用20a槽钢将φ110钢管与限位架焊接在一起，钢管长度30～50cm；
内部活动钢管为一根长1.6～1.8m的φ89钢管，采用φ200mm高强度法兰盘焊接于钢管两端，钢管外露15cm；
采用20A槽钢将φ89钢管两端与水上平台进行连接(见图4)。
图4 限位架与水上作业平台柔性连接示意图
为避免孔口管及水上平台受到水位升降、水流冲击的影响发生偏移，当拔出套管后，在孔口管外部套入一根长1.5～2m的φ110钢管作为导向管，并用φ28钢筋将导向管与水上平台固定在一起(见图5)。
图5 孔口管与水上作业平台柔性连接示意图
在平台下游端距离岸边较近处用φ50钢管或10号工字钢设置刚性支撑杆，将平台与岸边刚性连接，使其不能沿水平方向移动[4]。考虑到施工期间水位会有一定的波动范围，连接支撑杆应能上下活动(见图6)。
图6 刚性连接固定示意图
平台与岸边距离较远的部位采用大致对称布置的“八”字形钢丝绳(d=10～11mm)抗风缆与岸边及另一个平台进行固定。抗风缆的一端与钢浮箱组或贝雷桥固定，另一端与岸上锚杆固定。抗风缆的长度和松紧度可通过其上的绞盘或手拉葫芦调整，以保证定位精度和适应水位涨落变化。为防止施工过程中发生位移，应经常性用仪器进行检查，并随时纠正。
2.6 抗风缆强度验算
水上平台运行中主要受到风浪的影响，相对来说，风荷载对平台的影响要比波浪大。至于波浪对平台的影响大小计算比较困难，一般可通过适当加大安全系数来解决[5]。
横向风力计算公式为
Pw=WA
(1)
式中Pw——桥梁结构所承受的横向风力,N；
W——横向风压,Pa；
A——桥梁结构的有效迎风面积,m2。
横向风压计算公式为
W=K1K2K3K4W0
(2)
式中W0——基本风压，Pa；
K1——设计风速频率换算系数；
K2——风载体型系数；
K3——风压高度变化系数；
K4——地形、地理条件系数。
W0按6级风考虑，其值为76～124，此处取中间值为100；
K1对于大、中桥梁采用1.0，其他桥梁采用0.85，此处取0.85；
K2查表得0.9；
K3查表得0.62；
K4取1。
按式(1)、式(2)计算：按每30m左右长桥段设置两对抗风缆考虑，则浮体与上部结构部分的有效迎风面积A=22.5m2，故横向风力Pw为1067N。
查表φ10钢丝绳破断力为52200N，因而即使考虑波浪因素，其强度完全可以满足要求。
3.1 应用水面平台作业的主要内容
水底趾板范围清淤、钻孔定位、水下辅助钻灌(开孔、灌浆塞安装等)、水下孔口管安装辅助、水下孔口管固定、水下抬动装置安装、水下孔口管割除、水下清理等。
3.2 编制水面作业平台应用各专项施工方案
编制水下帷幕灌浆安全专项施工方案，内容包括施工平面布置、施工要求及技术保证条件、施工计划(包括边界条件、施工与设备及材料计划等)、施工工艺技术(包括钻孔与灌浆技术参数、施工工艺流程、施工方法、质量检查与验收等)、施工安全保证措施(包括组织机构、人员职责、安全保证体系、安全生产检查制度、水下作业安全保障措施等)、水质安全保护措施、技术保证措施(包括钻杆的断折防止处理措施、遇溶蚀渗漏处理措施、趾板抬动控制措施等)[6]。
编制应急预案，内容包括危险事件的处置措施，临边作业落水处置措施，机械运转伤人处置措施，施工用电触电伤人处置措施，潜水作业放漂、供气中断、绞缠、溺水处置措施，灌浆施工中漏油造成的水污染处置措施等[7]。
编制危险源辨识及控制措施。
3.3 检查监测与应用情况
浮箱密闭性检查：定人、定时检查每个浮箱是否出现浸水或渗水现象，一旦出现浸漏情况立即采取相应措施处理。在整个施工期间，浮箱密闭性较好，无浸水、漏水现象[8]。
浮箱吃水深度观测：水面作业平台浮箱设计吃水深度一般为0.75m，最大吃水深度1.0m。检查结果表明，浮箱吃水深度在0.51～0.73m之间，均小于设计吃水深度。
水平位移监测：在大坝设置前视与后视点，在平台设置5处监测点，采用GPS及全站仪三角网法定期监测施工过程中浮船的位移情况，结果表明，垂直和水平位移变化值在设计范围之内。
水位观测：专人定时观测，控制库水位变化在304～305m之间。
附属结构(主要有支撑架、钢丝绳、焊接点、栏杆等)检查监测：定时观测，施工期间其附属结构完整无损、支撑牢固[9]，满足了水下帷幕灌浆工程的施工需要。
设备检查：对水面作业平台的所有设备进行经常性检查、维护，确保施工安全。
所有检查观测项目均安排专人，按规定时间、规定程序、规定项目进行检查观测，并记录在规定的检查观测表中。施工单位和监理部有关人员签字确认[10]。
所有检查监测资料当时检查记录，当时统计分析，当时评价水面作业平台运行情况，其结果报送监理等有关单位备查。
西北口水库水下帷幕灌浆水面作业平台从施工准备到平台加工、组装、定位及平台验收等历时2个月，平台应用从试验研究到水下帷幕灌浆施工任务完成历时5个月。实践证明，水下帷幕灌浆水面作业平台在承受施工设备、人员、材料及平台自重的同时，承受了施工过程中各类动荷载；
水面作业平台在竖直方向一定范围内随水位上下浮动，在水平面确保相对位置不变；
在随帷幕灌浆轴线布置存在拐点的情况下，不遮挡孔位，可一次进行水下钻孔施工，为顺利完成西北口水库水下帷幕灌浆的施工任务做出了贡献。
