江坪河水电站深厚覆盖层防冲桩板联合施工技术

杨大明，张玉平，刘 瑜，吴冬明，李先付

(1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.湖北能源集团溇水水电有限公司，湖北 恩施 445801)

1 工程概况

1.1 消能防冲工程

江坪河水电站下游河道消能防冲工程采用“大口径防冲板(桩)+边坡面板”措施，防护轴线左右岸各600 m。防冲板(桩)形式：①Ⅰ型。板桩联合结构，上部板厚2 m，深12～28 m，下部桩径2.0 m，桩长7～23 m，布置在冲刷重点防护区；②Ⅱ型。桩径1.5 m，桩长12～20 m；③Ⅲ型。防冲板厚1.5 m，板深7～16 m。防冲桩作用为保证边坡整体稳定，防冲板防护表层覆盖层、强风化岩体被冲(淘)刷；防冲桩基础深入冲坑底部1/3桩身长，防冲板深入弱风化岩体3～5 m，板(桩)顶布置混凝土连梁连接，使防冲设施具有较好的整体性。连梁间隔布置1 000 kN级长30～45 m预应力锚索，上接厚1.0 m护坡混凝土，防护上部边坡坡面。消能防冲结构断面见图1。

图1 消能防冲结构断面示意

1.2 工程地质

下游河道防护区范围内，河流流向为S73°E～S90°E，枯水期河水位约295 m，河面宽40～70 m，水深0.5～3 m。防护区两岸地形坡度左岸为40°～50°，右岸为35°～45°。根据物探地震波测试，覆盖层厚度为3～32 m，地震波波速为1 650～2 100 m/s，可分为2层，下部为堰塞湖沉积相灰黑色粘土夹砂或为砂砾石、块石夹黑色腐植质砂质粘土，上部为现代河流冲积物或堆积物，由砂砾石、弃渣及漂石组成，下伏基岩为强风化的灰绿色薄层钙质粉砂岩、板岩夹灰岩条带。左岸为斜交顺向坡，发育断层F134、F271等，边坡强风化及以上岩体内发育1组NE向的顺坡向中倾角节理面，还发育1组NW向的陡倾角节理面。这2组节理面在弱风化及以下岩体中发育少，连续性差。断层F134、F271等与层面、2组节理面切割形成的块体对边坡稳定不利，可能会出现小型楔体崩塌和滑动失稳。

1.3 工程水文

溇水流域属副热带季风气候区，雨量充沛，气候温和，四季分明，是长江流域著名的暴雨区之一。本流域年内降雨分配很不均匀，主要集中在4月～8月，此间降水量可占全年降水量的70%左右。降雨受山区地形变化的影响，分布不均，一般随地势增高雨量增加，陡涨陡落，防洪度汛风险高，压力大。

2 施工工艺

2.1 防渗方案选择

防冲桩板紧靠河床左右两侧施工，常年枯水位高程为293～295 m，左右岸人工挖孔桩板深达35 m，底部高程左岸为275 m，常水位以下施工深达20 m。覆盖层深厚，多为块石、砾石等弃渣堆积松散体，结构松散，架空现象明显，易塌方、透水、涌水；下部基岩完整性较差，断层、夹层、破碎带较多，裂隙、节理发育，渗水同样很大。采用抽排方式排水难以满足开挖作业要求，需防渗处理后才能保证挖孔桩板顺利进行。同时，还要保证边坡稳定，道路畅通安全，防洪度汛安全，作业人员人身安全和施工进度。因此，做好防渗处理是本工程桩板施工能否顺利进行的关键。

现场条件是河道狭窄(40～70 m)，边坡高陡，且施工部位上部左岸有电站1号交通要道，右岸有2号交通要道，结构不能内移，向外的施工平台不得影响防洪度汛安全，平台修建宽度极为有限。防渗施工为临时工程，必须尽快完成，以满足主体进度要求。防渗方案及其施工工艺必须满足现场条件和工期要求，保证桩板施工顺利进行。通过对防渗墙、固结灌浆、高压旋喷灌浆3种方案的对比分析(见表1)，最终确定本工程的防渗处理选采用“上部覆盖层高压旋喷灌浆[1]+下部基岩帷幕灌浆”相结合的方式。

2.2 高喷与帷幕灌浆结合施工

2.2.1布置方式

结合现场条件，采用“覆盖层内高压旋喷灌浆[2]+(桩下)基岩帷幕灌浆[3]”组合的形式。防渗处理断面见图2。高压旋喷灌浆和帷幕灌浆均为水泥浆灌注，布置方式为：

(1)靠河侧。在距桩板轴线2.3、3.05 m处覆盖层内布置2排高压旋喷灌浆，孔间距0.8 m，排距0.75 m，起喷高程305 m，深入弱风化岩层1 m。距>桩板轴线外侧3.05 m处的基岩内，沿高压旋喷灌浆孔下部布置1排帷幕灌浆孔，间距1.6 m，终孔深度比防冲桩深1.0 m。

表1 覆盖层3种防渗方式选择对比

图2 防渗处理断面(单位：m)

(2)靠山侧。利用高喷桩对内侧边坡覆盖层起到一定的固结作用，防止挖桩过程中井壁覆盖层发生坍塌而引起边坡不稳定。在距桩板轴线2.0 m处覆盖层内布置1排高压旋喷灌浆，孔间距0.8 m，起喷高程右岸为310 m，左岸为305 m，深入弱风化岩层1 m；基岩内沿高压旋喷灌浆孔下部布置1排帷幕灌浆孔，间距1.6 m，终孔深度比防冲桩深1.0 m，高压旋喷灌浆孔和其下部的帷幕灌浆孔钻孔角度外倾3°。

(3)横向设置。为使防渗结构形成一个封闭体，需在左、右岸桩板防渗部位的上、下游设置“覆盖层内高压旋喷灌浆+(桩下)基岩帷幕灌浆”，布置方式同靠山侧。

2.2.2覆盖层内高压旋喷灌浆

采用跟管钻机钻孔Φ150，孔内下Φ110PVC套管护壁，然后钻喷机下入高喷管进行高压旋喷施工。分2个工序进行施工。

(1)参数。旋转速度20～30 r/min，提升速度5～10 cm/min，喷嘴2.0～3.2 mm，压缩空气压力0.6～0.8 Mpa，喷浆压力25～40 MPa，高喷浆量70～100 L/min，高喷浆液密度1.4～1.5 g/cm3，回浆密度≥1.3 g/cm3。

(2)施工工艺流程。测量定位→钻机就位造孔→高喷机就位→制浆供浆→喷浆成桩→机具清洗→移机至下一孔位。

(3)质量控制。钻孔孔位、孔斜、间排距符合设计要求，各种材料满足规范要求。注浆管分段提升的搭接长度不得小于10 cm。高喷灌浆过程中，出现压力突降或骤增、孔口回浆密度或回浆量异常等情况时，立即查明原因并及时采取措施排除故障。如发现浆液喷射不足，影响设计直径时，应复喷。

(4)质量检查。高压旋喷灌浆是沿防渗桩板井周边布置了1圈高压旋喷孔，本身已形成了1个围井，高压旋喷灌浆完成后，进行桩板联合井下开挖时一并检查。

2.2.3基岩帷幕灌浆

靠河侧和靠山侧各布置1排帷幕灌浆孔，均位于已施工的高压旋喷灌浆孔基础上，孔距1.6 m。其中，靠河侧帷幕孔布置在最外排已施工的高喷孔部位。内、外侧帷幕灌浆均在首先完成其上部覆盖层内的高压旋喷灌浆，且待其凝固强度达到钻孔不被破坏时(一般7 d后，具体根据同条件试件和天气温度调整控制)再进行扫孔施工帷幕灌浆。帷幕孔深超过防冲桩底部1 m，分3序施工，采用自上而下分段灌浆法，分段长度不超过8 m。覆盖层全段埋设孔口管，内径90 mm。

(1)施工工艺流程。钻机定位→钻孔→钻孔冲洗→高喷桩内阻塞→裂隙冲洗(简易压水防渗) →灌浆→封孔。

(2)灌浆压力。采用0.1 ～1.0 MPa。

(3)灌浆结束标准。①在规定的压力下，注入率不大于0.4 L/min时，继续灌注60 min，或注入率不大于1.0 L/min时，继续灌注90 min，灌浆可以结束。②灌浆过程中如发现回浆失水变浓，应改稀一级新浆灌注，效果不明显继续灌注90 min可结束。③当长时间达不到结束标准时，应报请监理人共同研究处理措施。

(4)封孔。每孔灌浆结束后，验收合格的灌浆孔才能进行封孔。采用置换和压力灌浆封孔法。

(5)质量检查。在灌浆施工过程中，做好各道工序的记录、质量控制和检查，以过程控制保证工程质量。

2.3 防渗效果

经过对防渗部位覆盖层开挖检查，其防渗和固化效果较好，作业井内渗水较小，满足正常施工。高喷体对井壁周围覆盖层松散体固结良好，减少了塌方发生，减少了混凝土回填工程量，降低了井挖安全风险。

3 防冲桩板联合施工技术

3.1 设计方案

3.1.1招投标阶段

江坪河水电站下游河道防护工程左右岸主冲刷区防冲桩板在招投标阶段设计方案是：直径2 m的桩+直径2 m的板间隔布置，桩深16～35 m，板深5～22 m。防冲桩板相间方案见图3。采用人工挖孔法施工，衬砌混凝土采用C20，厚20 cm。此方案存在以下不利施工的因素：

图3 防冲桩板相间方案(单位：m)

图4 防冲桩板联合方案(单位：m)

(1)防冲桩板分别单独施工，分割单元太小，结构整体性较差。

(2)防冲桩板轴线较长，需安排多个作业面同时施工。按照相关安全规范要求，挖孔桩相邻作业面必须具有一定安全距离(相邻2根桩施工间距不小于4.5 m)，由于防冲桩直径仅2 m，需分序间隔施工，最少得分4序施工，施工周期很长，工期无法满足下闸蓄水要求。

(3)由于防冲桩板采用人工挖孔法施工，直径2 m空间狭小，开挖出渣时作业人员避让空间有限，且防冲桩深达35 m，长期超高受限空间下作业，安全风险太高。

3.1.2施工阶段

基于工程工期、结构整体性和安全性等因素，对本工程防冲桩板采用“上部宽竖井[4]+下部圆形桩”相结合的桩板联合施工建议优化方案。将防冲桩板结构优化调整为：上部防冲板8 m×2 m(长×宽)+下部直径2 m的圆形桩。上部板深7～28 m，下部桩深6.2～20 m。防冲桩板联合方案见图4。施工工序由原来的最少4序变为2序，加快了施工进度，满足下闸蓄水要求；增强了桩板结构的整体性及抗冲能力；防冲板施工作业面加大，有了可躲避空间，施工安全风险有效降低。

图5 桩板联合施工示意(单位：m)

3.2 防冲桩板联合施工

3.2.1施工程序

防冲桩板联合结构分为Ⅰ序和Ⅱ序相间施工，先进行Ⅰ序桩板施工，施工开挖完成并进行桩板结构混凝土浇筑完成后，再进行Ⅱ序桩板施工。桩板联合施工示意见图5。施工程序见图6。

图6 桩板联合施工程序

3.2.2井口布置及防护

桩板联合部位在进行锁口施工时，Ⅰ、Ⅱ序桩板井统一施工，锁口施工层高1.0～1.5 m。井口周边浇筑混凝土高出井口20 cm(宽15～20 cm)作为拦水埂兼踢脚板，完成井口锁口施工3～7 d后回填Ⅱ序桩板井口，进行Ⅰ序桩板井的垂直运输提升系统安装和调试，并进行井口防护安装。出渣侧(临河侧)由于经常进行作业活动，为便于操作和保证安全，此处设计为可自由开合的伸缩式防护栏，且伸缩栏杆在开合的任一位置均能保持稳定，其他三面采用固定栏板，高度均为1.2 m。

3.2.3覆盖层开挖支护

桩板井在开挖过程中为保证作业面安全，需对桩板井进行开挖支护[5]。桩板井每开挖1层即支护1层，每层高度为0.6～1.5 m。在覆盖层内防冲板的结构净截面尺寸为8 m×2 m，开挖护壁衬砌厚50 cm，防冲板开挖尺寸9 m×3 m，布置双层钢筋，竖向筋Ф18@250，横向筋Ф20@200。在衬砌混凝土上安装I20a工字钢支撑，间排距为1.6 m×1.2 m，钢支撑两侧支座处竖向设置I16槽钢，连接固定钢板厚度为10 mm。桩板联合开挖区域内的覆盖层为松散堆积体或冲积体，采用人工开挖，2 t卷扬机配0.2 m3渣斗吊运出渣。利用中间的钢支撑，在其上部铺设防护板进行遮盖，为井下人员在出渣过程中提供避让空间。

开挖施工过程中做好安全监测工作，并检查桩板井中心轴线及尺寸、标高，以桩板孔口的定位线为依据，逐节校测，符合设计要求，逐层往下循环作业，将桩板井开挖至设计深度，经验收合格后进行下道工序施工。

3.2.4岩石开挖及支护

桩板井内的覆盖层开挖完进入基岩后，井内石方开挖采取自上而下分层爆破开挖，分层厚度为1.5～2.2 m，根据开挖岩层地质情况进行调整。手持式风钻钻孔，孔径Φ40，人工出渣。

基岩段的桩板井开挖采用小炮眼、密孔、小药量、周边光面爆破的松动爆破方式，减少超挖和对支护混凝土结构的损伤。桩板井开挖至完整基岩或弱风化岩石内时，根据岩层地质情况，采用锚杆(Ф22，L=1.5 m)+挂钢丝网或素喷混凝土方式支护，喷护混凝土为C20，厚7～10 cm。井内空间狭小，喷混凝土作业时，作业工人必须穿戴好防护用品，并佩戴好防护面罩和护目镜，确保作业安全。

3.2.5通风散烟

爆破后会排出有害气体和灰尘，采用适当洒水降尘和5.5 kW压入式鼓风机送风。当桩板井深超过10 m后，孔底空气自然流动条件较差，为安全和提高工效，用鼓风机连续向孔内送风。经检查无有害气体后，施工人员方可下井继续作业。

3.2.6衬砌混凝土横向侧壁拆除

Ⅰ序防冲桩板混凝土浇筑完成后7 d左右开挖Ⅱ序桩板井施工。按照设计要求，横向衬砌混凝土护壁(防冲板与板之间)需要拆除。采用“静爆剂+风镐”破碎拆除。开挖Ⅱ序桩板井过程中，随分层开挖随拆除Ⅰ序横向衬砌混凝土护壁。为保证衬砌混凝土横向护壁拆除时不损坏已浇筑的相邻桩板结构混凝土，Ⅰ序桩板结构混凝土浇筑前，沿横向衬砌混凝土护壁铺贴满厚2 cm的泡沫板，将衬砌混凝土与桩板结构混凝土分隔开。

3.2.7防冲桩板结构钢筋混凝土施工

防冲桩板联合开挖完成，经监理工程师验收后，进行桩板结构混凝土浇筑施工[6]。先进行钢筋安装，下部桩体钢筋在钢筋加工厂制作完成钢筋笼后，采用25 t汽车吊吊装入井内，并辅助以人工井内安装绑扎相结合的方式完成；防冲板钢筋采取人工在井内进行安装。钢筋连接主要以套筒机械连接为主，焊接(搭接)为辅的相结合的方式施工。防冲板钢筋在井内安装时从下向上顺序绑扎，绑扎时架设脚手架(竹跳板)并拴好安全带，严禁攀扶钢筋上下。在桩井下进行钢筋焊接作业时，采用5.5 kW的鼓风机向井内压入空气，确保井内的通风供氧排烟。

桩板钢筋制安完成，相关的埋件、监测设施等均已安装完毕，再次清理桩板井内浮渣杂物，排除积水，经监理工程师检查验收后方可开始浇筑混凝土。桩板井内混凝土尽可能一次连续灌注完毕，若施工缝不可避免时，在板底以上3 m设施工缝。桩板混凝土浇筑至桩顶连梁底部。自孔底及孔壁渗入的地下水上升速度较大时(参考值>6 mm/min)，采用水下灌注混凝土桩的方法，将混凝土导管埋入水中灌注混凝土。

3.3 防冲板结构相互衔接施工

防冲板结构缝为32 m一道。为保证安全，开挖和浇筑时为8 m一段，设置竖向临时施工缝。为使板与板接缝处衔接紧密，在防冲板开挖衬砌时将护壁混凝土钢模板制作成键槽形式，使护壁混凝土浇筑后形成键槽形状。浇筑Ⅰ序防冲板结构混凝土时，在临时施工缝处，将结构水平钢筋一端安装钢筋连接套筒紧贴分隔泡沫板进行预埋，并保护好套筒，保证在混凝土浇筑时内部不进水泥浆。Ⅱ序防冲桩板开挖拆除横向护壁后，对已浇筑的Ⅰ序防冲板结构混凝土施工缝混凝土面人工凿毛，凿出套筒并清理干净，部分未保护好而进入混凝土的个别套筒，采用专用清理工具进行清理，便于Ⅱ序防冲板结构混凝土施工时钢筋能和Ⅰ序板相连接，形成整体。

3.4 质量控制

施工前做好技术交底，施工过程中加强测量检查控制，保证桩身开挖垂直度符合要求。严格材料检验、检测验收程序，杜绝不合格材料进场。强化质量过程管控和验收程序，做好钢筋加工等成品或半成品的质量检查。通过监理及有关单位验收，并做隐蔽验收记录。

浇灌桩身混凝土前应再次清理孔底虚土，排除积水，经监理验收签证后，方可开始浇筑混凝土。在透水层区段预留的护壁泄水孔，在浇灌桩身混凝土前予以堵塞或妥善引排至结构混凝土外，不得影响浇筑质量。混凝土浇灌必须采用溜管或导管(Φ250)接到孔底，并认真做好记录。桩板混凝土浇灌完成应严格控制每根桩的顶面标高，并在护壁上刻画出标高控制点。

横向护壁混凝土拆除时，钻孔要控制好角度，不得穿越护壁或深入已浇筑防冲板混凝土内，避免拆除时损伤防冲板结构混凝土。临时竖向施工缝要进行人工凿毛，做好缝面处理；过缝钢筋的每根套筒必须凿出并清理干净，保证钢筋连接可靠。

4 结 语

江坪河水电站下游河道防护工程在人工开挖的桩板联合部位周边采用“覆盖层内高压旋喷灌浆+(桩下)基岩帷幕灌浆”相组合防渗的形式，适应现场多种受限的外部地理环境，解决了深厚覆盖层的防渗和开挖塌坍的问题，降低了度汛和生产作业风险。经第三方质量检测，防冲桩板97.7%为Ⅰ类桩，其他为Ⅱ类桩，质量满足设计要求[7]。

采用“上部宽竖井+下部圆形桩”相结合的桩板联合施工方式，施工工序由原来的最少4序变为2序，保证了安全、质量和工期，满足下闸蓄水要求。同时，增强了桩板结构的整体性及抗冲能力，提高了施工效率。