万家寨引黄阳曲原水直供穿汾河钢管沉管工程管基处理方法

李江深，王彦奇

（1.万家寨水控集团阳泉水务有限公司，山西 阳泉 045000；2.山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西 太原 030012）

1 工程概述

山西省万家寨引黄入晋工程阳曲原水直供穿越汾河段，位于太原市尖草坪区，太岚线跨越汾河铁路桥上游约2.45 km 处，桩号K4+601.09—K4+949.09，方位为由西南向东北穿越，穿越汾河段长约348 m。河槽总宽约360 m，其中河东侧为河滩地，地面高程788.59～793.00 m，河西侧为过水段，该段现状为早年采砂后形成的沙坑，U 型断面，最低处河底高程774.00 m，河道内水位约790 m。

本次穿越汾河采用整体水下钢管沉管方案，是山西省第一次成功实践，主要内容包括DN1400 钢管沉管、汾河堤防拆除及恢复、滩地段管沟开挖和回填，主河槽回填段利用河道开挖料回填及施工围堰的填筑和拆除，管底基土工格栅铺筑、钢管顶部回填砂砾石后进行抛石压顶、完工后施工损毁的河岸或河堤恢复及防护、岸坡加筋土填筑等。

2 沉管管基处理方案

管基处理主要包括：汾河河底段西侧水下深坑填筑段管基处理，汾河河底段东侧滩地水下开挖段管基处理，汾河东西两侧水下混凝土支墩。

2.1 水下深坑填筑段管基处理

汾河河底段西侧采砂深坑低于管基底高程10 余m，回填主要施工区域为桩号4+622.856—4+794.658 段，长度约为172 m。利用开底式泥驳船运输合格料进行回填，回填时利用水上浮球标定出回填区域，开底式泥驳船按照浮球标定区域进行准确填筑。深坑回填段回填料采用河道开挖料回填，其水位线以下管沟回填技术要求为：

（1）采用水上挖泥船的长臂挖掘机对深坑表面进行水下整平，再派潜水员进行水下检查以及配合水下测深仪进行验收。

（2）管底-2.4 m 以下的深坑采用河道内开挖的混合料进行回填。管底-2.4 m～-1.0 m 则通过开底式泥驳船将外购的单块质量＞36 kg 的块石进行准确抛锚定位，人工定点定量抛填，测量人员和潜水员定时检查抛投质量，发现漏抛处进行补抛。

（3）对抛石顶部水下整平验收合格后，即进入700 mm 厚的开挖混合料回填，主要以汾河施工区域范围内的河道开挖料作为回填材料。

（4）混合料回填到位并水下整平验收合格后，进行细料回填，当回填至管底-300 mm 标高处则立即进行整平，然后铺设6 m 宽的一层土工格栅护底，铺设土工格栅护底采用潜水员配合挖泥施工船进行施工。

（5）第一层土工格栅护底水下铺设完成后，接着回填300 mm 厚的细料层，整平完成再铺设第二层土工格栅护底（即到沉管底标高位置）。

（6）水下填筑边坡坡比为1∶3。详见图1。

图1 水下深坑填筑断面、管基图

2.2 水下开挖段管基处理

水上挖泥施工船停在河面上（船舶采用尾部2 根定位桩定位，施工时依靠2 根定位桩进行移动），船上配置长臂挖掘机进行水下沟槽开挖。移动定位时，严格按照开挖轴线进行施工，然后利用开底式泥驳船运输至指定弃土位置。

当水下沟槽开挖至管底标高-300 mm 处，管基沟槽验收利用水下测量仪器测量沟槽底高程、底宽、边坡是否满足设计要求（水下边坡1∶2.5，水上边坡1∶1）。验收合格后采用双层土工格栅护底（格栅宽6 m）、两层格栅中间为300 mm 的细料回填（粒径≤20 mm），见图2。

图2 水下开挖断面、管基图

2.3 水下混凝土支墩

水下混凝土支墩布设两处，分别位于河西岸、东岸坡脚的管道弯头处见图3。按照《水电水利工程水下混凝土施工规范》（DL/T 5309-2013）进行水下混凝土浇筑。

图3 沉管纵断面、水下混凝土支墩图

2.3.1 水下混凝土配合比

现场水下混凝土支墩采用C20 商品混凝土。施工前，先在监理工程师的监督下从商品混凝土厂将水泥、黄砂、碎石、外加剂等原材料进行取样，送往指定的试验检测单位进行配合比设计和原材料试验。根据试验检测单位出具配合比送到商品混凝土厂，商品混凝土厂根据实验室出的配合比进行混凝土拌合施工。根据《水电水利工程水下混凝土施工规范》（DL/T 5309-2013）规定，水下混凝土配合比在配制强度时，其胶凝材料≥360 kg/m3。经过现场试验，本次C20 水下混凝土配合比确定为1∶0.44∶2.17∶2.99∶0.022（水泥∶水∶砂∶碎石∶外加剂）。

含砂率43%，质量密度2 389.9 kg/m3，混凝土坍落度在180～220 mm 范围内。

2.3.2 水下混凝土钢筋施工

水下混凝土支墩底部均匀分布着一层钢筋网，钢筋可采用12 mm 的圆钢，钢筋间距20 cm，混凝土保护层厚度为5 cm。水下混凝土镇墩钢筋施工时，考虑到单个混凝土镇墩钢筋数量较少，则采用先在陆地将钢筋网绑扎制造完成，陆地验收合格后，潜水员在水下安装钢筋网。

2.3.3 水下混凝土模板施工

水下混凝土支墩模板采用钢模板，材料采用3mm的钢板加工而成，模板在水下混凝土浇筑完成后，不进行拆模，跟水下混凝土一起作为固定钢管的材料。钢模板材料运至施工现场后，先在岸边按施工图要求加工成钢模板形状，待沉管完成后利用潜水员进行水下安装钢模板。潜水员水下安装钢模板时，由挖机船全程配合潜水员进行安装施工。

2.3.4 水下混凝土浇筑

C20 水下混凝土采用商品混凝土，拌制好后的商品混凝土用罐车运送至水下混凝土镇墩施工处，再通过专用泵车浇筑水下支墩混凝土。

灌注水下混凝土时，采用导管法进行施工，导管均匀的分布在水下支墩钢模板内部两侧中间。开始灌注时，将混凝土隔水塞吊放于临近浆面处，导管底端到钢模板内底的距离为0.4 m，混凝土运输车将水下混凝土直接灌入导管斗里，开塞的同时及时灌入水下混凝土，并始终保持导管内充满混凝土。开始浇筑前，导管底部接近地基面0.2 m，并安置在地基低洼处。随着水下混凝土的上升，要适当提升导管，严禁把导管底端提出混凝土面，详见图4。

图4 水下混凝土浇筑导管法

3 管基处理质量控制要点

3.1 水下开挖及填筑

（1）控制水下开挖及填筑的轴线。承包人须利用测量仪器通过测量控制点在河道东西岸两侧布设管轴线定位导标，全程由定位导标和岸侧全站仪全程对管轴线程进行测量定位，确保施工轴线准确。

（2）全程控制水下开挖（或填筑）断面尺寸。利用船载水下超声波测深仪等水下测量高精度仪器测量管基距离水面的高度来测算沟槽开挖（或填筑）高程、宽度、厚度、边坡是否满足设计要求，对不符合设计的地方采用挖泥船上长臂挖掘机和潜水员配合进行水下整平（整平后基础顶面高程：允许偏差0～-200 mm；整平后基础平整度：砂基础：50 mm，砾石基础：150 mm）。

（3）控制土工格栅（层间距、拉伸强度）、块石（单块质量、强度等级、软化系数）等原材料满足设计要求。

3.2 水下混凝土支墩

（1）吊装前对导管进行了试拼装；导管的接口部位牢固，严密封闭，开始封水试验；拼装导管的长度依据水深确定，升降吊装试验在浇筑前进行。

（2）水下浇筑混凝土作业必须由作业组长指挥；浇筑前作业组长应检查各项准备工作，确认合格后，方可发布浇筑混凝土的指令。

（3）采用水下直升导管法施工时，导管底距实际钢模板底0.5 m，要求混凝土面上升速度≥3 m/h，钢模板内混凝土面上升高差＜0.3m。混凝土在水下自由落下时，水下自由落差≤0.5 m。

（4）水下混凝土一经开始灌注，须连续进行，任何中断不得超过30 min，以保证混凝土的灌注质量。一般严禁中途停灌，尽量缩短拆导管的间断时间，避免造成堵管或埋管。

（5）每个支墩现场取样制作试块三组，即3 d、7 d和28 d 混凝土试块各一组；试块现场随机从混凝土料车中抽取，现场制作；混凝土试块养护同水下混凝土支墩同条件养护，将混凝土试块放置在汾河河水中养护。

3.3 水下实体检测

本次穿汾河沉管工程基础处理于2018 年圆满完成，并经质量评定合格，资料齐全完整，工程完工3 年后，委托青岛海大工程勘察设计开发院有限公司对万家寨阳曲原水直供工程穿汾河钢管沉管工程进行了水下测绘和电磁探测。检测结果显示：河床局部有不同程度的淤积；水下管顶覆土填筑体未发生明显沉降和冲刷破坏，管顶覆土厚度无明显减少；水下管道、基础、支墩等基本未产生位移、沉降、变形，沉管整体质量满足原设计要求，各项指标符合设计预想。

4 结语

2018 年10 月穿汾河沉管工程静水压试验成功。2022 年7 月1 日万家寨阳曲原水直供工程全线初次充水成功，2022 年7 月9 日万家寨阳曲原水直供工程第二区段1.773 km 管线（包含穿汾河沉管）水压试验合格。目前工程已完工近5 年时间，经受了汛期及供水等严峻考验，经过多年运行观察，工程运行良好，充分说明本工程采用的水下沉管法穿越汾河基础处理方法是可行的、有保证的。

综上所述，地基处理一直是关系到大型管道引水工程运行质量的关键环节，对于水下管道工程尤为重要。阳曲原水直供穿汾河钢管沉管工程是山西省首次利用管道沉管法进行施工的工程，借助这次成功的实践对钢管沉管法地基处理技术进行总结和深入研究（对管道穿越河道区域进行定期水下监测，从而掌握回填区可能产生的沉降、滑坡等变形情况的数字化信息），将对下一步山西乃至北方地区水利、热力、燃气以及供排水等穿越河流管道工程有一定的借鉴意义。同时，对今后北方河流复杂水文地质条件下管道沉管技术推广应用有一定指导意义。