金沙江下游钢结构挡水墙施工技术研究

彭建军

摘 要：布置于深水急流河床内的设施设备进行水下安装时，一般需要采用丁坝或者顺坝进行水流整治以降低流速，为水下作业创造条件。文章介绍了由中铁五局承建的宜宾市普安水厂项目，其取水头的取水口位于距岸边80 m、水深9 m、最高流速达6 m/s的金沙江中，为加快施工进度、减少对生态环境影响，在施工方案深化阶段，摒弃了土石材料修筑丁坝的传统作法，创新采用了钢结构挡水墙作为丁坝，并顺利实施，为深水急流河床内取水设施水下作业创造了条件，为类似工程提供有益参考。

关键词：金沙江;安全防护;钢结构挡水墙

中图分类号：TV52                                   文献标识码：A                                   文章编号：2096-6903（2022）04-0013-03

0 引言

金沙江江畔普安水厂位于宜賓市叙州区普安镇，是一座总规模30万m3/d的大型水厂，项目位于四川省宜宾市Q21县道与金沙江之间的周坝村，项目占地约148.48亩（98 898 m2），设计生产能力为20 m3/d×104  m3/d。项目主要工程内容包括取水头、引水管、取水泵房、净水厂及配套管网工程，总工期14个月，根据设计文件，取水头及取水头至K0+060段引水管安装采用水下作业方式进行。创造性的采用了双排钢管桁架单壁挡水板的结构，降低了取水头与引水管水下施工区域流速，减少了急流河床内水流对安装作业的冲击冲刷影响。

1 技术优点

①钢结构挡水墙采用钢桁架+钢面板型式，结构轻巧，占用空间小，布置灵活，对周边环境影响小，且使用的材料能回收利用，材料消耗少，对环境污染小。

②钢桁架和钢面板分步实施，在水中拼装，利用水流冲击荷载维持组合，结构简单、拆除方便。

③钢桁架上下弦杆采用内外柱组合型式，内柱通长设置并下锚上拉，外柱分段与腹杆制作成桁架，施工时无需大型设备，从而施工方便、快捷、安全，能有效节省施工工期。

④钢桁架上下弦杆内柱分阶段施工，消除因内柱施工误差而导致桁架拼装困难的隐患，降低施工难度。

2 施工技术

作者带领的团队通过验证摸索出了一种金沙江下游深水急流河床内钢结构挡水墙施工技术，其核心是一种深水急流河床内的挡水防护结构，是在山区深水急流河床内施工嵌岩钢管支撑桩，组合成双排钢管桁架单壁挡水板的结构，迎水面急速水流的冲击力通过挡水钢板进行抗力分解，下部通过嵌岩的支撑桩将抗力传递至基岩，上部通过钢丝绳将冲击力拉锚到地锚上。以达到为下游水中构筑物提供一个安全稳定的水下施工环境。消除了急流对于水中施工的冲刷、冲击造成的安全隐患。同时也解决了原设计中施作丁坝或顺坝的困难，再国家环保、水保、资源配置和使用上均有利于工程实体。

2.1 施工流程

施工准备→河床清理→支撑桩钻孔及安装→挡水桁架安装→平联安装→挡水板安装→取水头、引水管施工→挡水墙拆除。

2.2 施工方法

2.2.1 施工准备

①根据工程数量，安排型钢、钢管等原材料的采购和型钢加工厂建设。

②熟悉施工流程及质量控制标准，安装操作规程，并进行安全培训和施工操作规程培训。

③对拟定取水头位置上、下游100 m范围内进行水下地形测量，获取河床砂砾石覆盖面积、厚度、地形坡度，地层层厚分布等数据。

④检查施工机具，机械设备配备，小型机具、船舶是否到位，所有设备性能需达标，且能保证正常运转。

⑤与航道管理主管部门（如海事局）取得支持联系，按照行业规定签订相关安全协议，派遣交通船值守，设置航标船防护等措施。

⑥河床清理：水下施工前，采用挖泥船对河床卵石和漂石等水下障碍物进行清理，否则钻孔时无法成孔，亦或成孔后难以达到成桩。

2.2.2 上游侧支撑桩（桁架弦杆内柱）施工

①上游侧支撑桩钻孔前，在打桩船上焊接固定间距的钻机平台，然后采用液压钻机在测设的点位施工钢管支撑桩，钻孔采用“三管两钻”法跟管钻进，钻机钻头为偏心钻。

②钻孔方法：“三管两钻”法跟管钻进，钻机钻头为偏心钻。操作过程是：船舶定位，先下导向管，再放下套管→根据岩石表面情况，如果比较破碎，则先对套管进行合金钻进（偏心钻头，通过承压旋转钻头将稍微扩大，以利于套管跟进）→合金钻进至完整基岩后，提起有关钻具→下钻杆进行冲击回转钻进至设计底标高→量孔深，如不够深，则重复上述步骤，如图1所示。

③支撑桩采用圆形的无缝钢管，内径不小于16.8 cm，壁厚不小于1 cm;采用丝扣接长，车丝长度不小于10 cm，丝扣宜在2.3～2.8 mm/丝之间;采用标准型内车丝套管进行接长;支撑桩入岩深度应根据水深、流速确定，深入基岩中不宜小于2 m，支撑桩的管壁应与基岩嵌固紧密。

2.2.3 挡水桁架分节安装

①挡水桁架安装分为岸上按榀加工与水面船舶吊装拼接两部分，岸上加工，水面兜接避免了水下焊接。

②挡水桁架为贝雷梁式桁架结构，由弦杆（即外柱）、直腹杆、斜腹杆和筋板焊接而成，挡水桁架上下弦杆的外柱内径应与内柱外径配套（大0.5～1 cm），桁架高度1.5 m，按长度不大于3 m进行分段，减少安装过程中对内外柱平直度的要求，如图2所示。324E6EBE-7361-4F1F-9753-56761C0697B4

③根据桁架安装位置处河床清理后的水深确定桁架分段制作方案，工厂定制后采用小型浮吊吊运至安装位置，人工配合下将弦杆（外柱）套住支撑桩（内柱），然后利用桁架节段自重下沉到位，桁架平面位置在水流作用下自动调整至平行水流方向。底节桁架安装完成后，顺序安装上部各节桁架。

2.2.4 下游侧支撑桩（桁架弦杆内柱）施工

①下游侧支撑桩钻孔时，首先调整好已安装桁架的下游侧弦杆，使其各节完全对齐，再在弦杆内穿入套管，然后利用上游侧支撑桩施工时的机械设备，采用相同的施工方法进行钻孔锚固。

②下游侧支撑桩锚固完成后，在内外柱内灌入M30水泥砂浆，将内外柱间缝隙填充密实。

2.2.5 平联安装和地锚施工

①平联安装于挡水桁架顶部，处于水面以上，直接按设计位置进行焊接连接。

②地锚将承受的水中钢结构挡水墙顶部传递过来的水平力，设置8根嵌岩支撑桩和12 m×8 m×1.5 m钢筋混凝土承台，顶部设置3～4个锚桩利于捆绑钢丝绳。挡水墙平面布置示意图如下图3。

2.2.6 挡水钢面板安装

钢面板长度一般为2.5 m（较桁架间距大0.5 m），高度2 m，一端预先焊接与钢桁架弦杆配套的U型钢件。挡水钢面板安装前，先检查验收平联（含拉锚受力横梁）的焊接加固情况，以及钢面板安装处两侧的拉锚情况，然后从挡水墙的一端往另一端逐孔顺序安装钢面板。

①第一孔钢面板安装时，利用浮吊吊起钢面板，外侧靠近拉锚锚链，内侧将U型钢件套住钢桁架弦杆，利用钢面板自重（河床中心位置时增加配重）将第一块钢面板下沉到河床面，然后逐块安装直至钢面板顶露出水面。

②按第一孔鋼面板安装方法进行后续各孔钢面板安装，钢板加长部分与前一孔进行搭接。当完成安装的孔跨内设置有拉锚时，先安装锚锚链，然后拆除设置的过渡拉锚锚链，安装至后一个过渡拉锚锚链位置处，再进行后续孔跨钢面板安装，如图4—7所示。

2.2.7 挡水墙拆除

随着工程项目进展，待主体完工后，需进行河面河床工完料清，钢结构挡水墙应当拆除，应当遵循以下步骤：

①钢结构挡水墙先拆除钢面板，按照安装的反向顺序拆除。

②单孔钢面板拆除前，首先由潜水员从背水面下水，将每块钢面板穿上两根吊索，然后一根吊索绑在浮吊上，另一根吊索挂在拖船上，由拖船将钢面板拖离桁架，并在水流作用下旋转方向后，采用浮吊吊起。

③钢面板拆除后，即可采用拖船配合人工拆除拉锚锚链。

④钢桁架采用潜水员下水切割后浮吊吊起方式拆除。

3 技术进步性

该技术特别针对山区深水急流河床内自来水厂取水头、引水管水流降速施工安全防护，具有施工速度快，符合高环保要求，最大限度的降低了材料、机械费用等优点，避免了资源的浪费，有利于项目成本控制及避免了经济效益的流失。本技术的成功经验将在山区深水急流河床中的自来水厂建设中逐步得到推广。

4 结语

由我公司承建的宜宾市普安水厂采用本技术，项目于2017年10月开工、预计2019年1月30日竣工，其中水中作业时段为2017年10月至2018年6月，在河底地质情况较为复杂（为：1.8 m厚卵石，1 m厚强风化砂质泥岩，其下为中风化砂质泥岩），距离岸边80 m、水深9 m、流速6 m/s的金沙江中，于取水头及引水管布置位置的8.52 m上游布置了一道双排钢管桁架单壁挡水板结构，解决了水头水下作业安全防护难的问题，消除了急流对于水中施工的冲刷、冲击造成的安全隐患。同时也解决了原设计中施作丁坝或顺坝的困难。创新提出采用钢结构挡水墙丁坝作为水流调整措施，作为水下作业专项方案的一部分进行专家评审时，得到了在座专家的一致认可，并经过精心组织，钢结构挡水墙得到顺利实施，并达到了预期效果，受到了业主、设计及监理单位的一致好评。也为以后类似工程的施工提供了一个思路和参考。324E6EBE-7361-4F1F-9753-56761C0697B4