CN101245603B - 浮式拱围堰及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在水中可浮可沉拖动方便，能多次使用的浮式拱围堰及其施工方法。主要用于维修重建各种大坝或水利工程，可利用其将大坝上游面围住，挡住库水，排干围堰下游水，在大坝上游面创造干作业环境，围堰采用钢板和钢筋混凝土材料制成，圆拱形的围堰外形使外壁不用太厚就可以承受上游水压，横面两个以上的舱室设计，可以在浮运时通过控制各个舱室的注排水，更灵活的调整围堰在水中姿态。围堰施工在水上进行，但是基座与围堰主体密封止水，可以收集施工时产生的污水，完成施工后把污水净化处理后再排放，减少对水质的污染。另外施工时不需放空水库，只需要适当降低水位，从而避免由于放空水库而造成的损失。

Description

浮式拱围堰及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种水利围堰，特别给出一种在水中可浮可沉，方便移动位置，能多次使用的浮式拱围堰及其施工方法。

背景技术

《第十七届国际大坝会议论文译文集》中给出在加拿大Mactaquac电站修复中使用的一种如图1所示直径为2.75米的半圆形钢筒式的浮式围堰1及其施工方法，它由薄钢板制成，内部用钢板加强，在围堰1两终端上安装有灌浆包2，当围堰和水坝对齐后往灌浆包内加注混凝土，进行止水，然后利用围堰底部水泵4将围堰与水坝3间的水抽出，从而形成干作业施工区。围堰是在岸边焊接成型。

另一种在美国大约瑟夫坝加高工程中使用的如图2所示的浮式钢筋混凝土围堰5，采用凹形外形结构，内部分为20个舱室，用管道互相连接。浮式围堰是在干坞中施工，浇筑混凝土时平卧在干坞底面，干坞位于水库边的滩地上，干坞与水库间的横堤保护浮式围堰的施工场地。施工完毕，破堤放水流满干坞，以便浮运建成的围堰结构。先用拖轮将浮起的围堰拖入水库中，到达指定地点后，对围堰的各个压舱进行有选择的压沉工作，使围堰竖起。然后由拖轮将其拖到水坝附近，利用拖轮、绞车、吊杆使之定位，紧贴在水坝上。利用J形侧支撑6上的橡胶止水，然后用水泵将围堰与水坝间的水抽出，从而形成干作业施工区。

第一种钢筒式围堰虽然具有安装方便、水下作业少、多次利用等优点，但是由于其为全钢材料焊接而成，当跨度较大时，此类围堰就显示出其刚度不够，容易变形和工程难度大以及费用高等诸多弊端。

另一种凹形混凝土围堰，钢筋混凝土围堰内有一排20个舱室，由于其采用的是凹形的外形结构，所以围堰的正面需能承载强大的水压，因而其钢筋混凝土的厚度和品质有很高要求，而且水中拖运时因为用来控制围堰姿态的20个舱室是单排分布，导致拖运时围堰容易侧翻，并且在下个位置安装时耗费大量时间调整围堰姿态，仍有工程难度大以及费用高等诸多弊端。

此外，以上两种围堰均未涉及到水下基础的处理问题，其应用范围具有较大的局限性。

发明内容

为解决上述现有现技术中存在之问题本发明提供了一种浮式拱围堰及其施工方法。

浮式拱围堰，由钢板和钢筋混凝土材料制成，内部有舱室，采用圆拱形外形结构，在高度方向分隔为数层，每层水平面方向又分隔为数段，每段由拱内弧向拱外弧方向分布有至少两个舱室，舱室之间互不连通，每个舱室均通过管道连通控制开关和水泵，水泵与围堰外连通。可以通过充、排水调节拱围堰的漂浮状态和平衡状态。

拱围堰上游面厚度随水深不变或逐渐加厚，拱围堰下游面为逐渐加厚、不变或台阶状。还包括设于浮式拱形围堰底部的基座，基座是顶面开口的拱形壳体结构，壳体内容置围堰的混凝土主体，且基座的底面有两条拱形钢质刃脚，钢质刃脚与围堰外侧平齐，两条钢质刃脚下边向内为小角度锐角，两条钢质刃脚形成一个止水间，止水间顶部设有灌浆管连至围堰预。两个钢质刃脚扎入河床后，拱围堰与河床之间的空间可通过预设的钢管浇注水下不分散混凝土从而进行止水处理。

拱围堰两端与大坝结合部设有拱座，拱座的大坝接触面与大坝外形相合，并安装有软模袋，拱座与拱围堰结合面也设有软模袋，软模袋连接有浇筑管通向堰顶。

浮式拱围堰的施工方法，包括下列步骤：

一、水底清除杂物并找平基础：采用大型挖泥船进行挖掘覆盖层和基坑作业找平基础，如有突出的不平岩面则在水中以定高程的方式***后再挖掘。

二、水面组装浮游平台和门形起重塔：在需设立围堰之处水面上组装浮游平台，拼接完成的浮游平台呈拱形，其中部作业区贯穿连通形成一水面作业区，作业区上有数个门形起重塔，起重塔固定在浮游平台，可利用吊钩起落成型钢模。

三、在作业区组装围堰基座和外模钢板：将在工厂定制的基座在工作区完成拼装，外模钢板与基座密封连结构成箱体结结构，并利用门形起重塔将基座和外模不断下放入水中，以减轻浮游平台所负载重力。

四、绑扎钢筋浇筑混凝土：拱围堰的外壁和隔板内的钢筋均在特制的胎具上绑扎成形，然后分别吊装入模，并设置塑料垫块，以保证钢筋外混凝土保护层的厚度，随后安装内模钢板，内模钢板为液压分段式结构。拆除采用收缩法，用卷扬机牵引脱出，混凝土为分层浇筑，当下层混凝土达到80％设计强度以上后，再浇筑上一层混凝土，可利用门形起重塔将施工中围堰不断下放入水，始终保持围堰浮力与吊钩拉力大于转堰自重。

五、拱围堰就位与封闭止水并完成干工作区：在地面预制拱围堰两端拱座，侍拱围堰混凝土浇筑完成后，分别拖运安装两端拱座，并通过导管向两侧软模袋中灌注C₃₀一级配混凝土其中掺入塑化剂及早强剂，利用卷扬机和绳索将拱围堰和拱座向大坝靠紧，同样通过灌浆管向拱围堰底座刃脚间止水间内灌注混凝土进行围堰底部封水，最后从围堰顶向外排干围堰与水坝空间内的水，完成干工作区。

本发明的有益效果是：围堰采用钢筋混凝土材料，圆拱形的围堰外形使围堰外壁不用太厚就可以承受上游水压，横面两个以上的舱室设计，可以在浮运时通过控制各个舱室的注排水，更灵活的调整围堰在水中姿态，不会侧翻还可以使对齐更快，围堰施工虽在水上进行，但是底座和外模钢板在浇筑前就已密封完成，可以收集施工时产生的污水，完成施工后把污水净化处理后再排放，能减少对水质的污染。施工时不需放空水库，只需要适当降低水位，从而避免由于放空水库而造成的经济和社会效益的损失。

附图说明

图1是现有围堰之一的结构简图。

图2是现有围堰之二的结构简图。

图3是本发明浮式拱围堰总体结构简图。

图4是本发明的立体分解示意图。

图5a-c是本发明浮式拱围堰竖剖面结构简图。

图6是本发明舱室A-A剖面图。

图7是本发明底座止水间剖面图。

图8a-b是本发明浮游平台上施工分步图。

其中：

1现有钢筒式围堰        2灌浆包        3大坝

4水泵                  5现有混凝土堰  6混凝土堰侧支撑

7浮式拱围堰            8工作区        9舱室

71外壁        72隔板        10拱座

11基座        12钢质刃脚    13灌浆管

14外模钢板    15内模钢板    16袋装混凝土

17河床        23作业区      19浮游平台

20门形起重塔  21水          22止水间

具体实施方式

如图3、图4所示，本发明浮式拱围堰7是由钢板和钢筋混凝土材料制成，主体可采用普通混凝土，外层为薄钢板制成的外模钢板；由于拱围堰所受水压力是随水深度变化的，所以从结构角度来看，拱围堰宽度厚度可以随水深而变化。一般可以由深及浅逐步变小，如图5a及图5b所示，拱围堰上游面厚度随水深不变，拱围堰下游面为随水深逐渐加厚、不变或台阶状，其上游面也可像下游面一样随水深逐渐加厚。但从施工工艺和内部舱室9使用来考虑，竖剖面应选择如图5c所示上下同样宽度，只是外壁71厚度随水深由浅及深逐步变厚。

如图3、图4、图6所示在其内混凝土主体在高度方向分隔为数层，每层高度一般为1-3米，隔板72以及外壁71的厚度应为200-500毫米，每层水平面方向又分隔为6-10段，每段内由拱内弧向拱外弧方向分布至少两个舱室9，舱室9之间互不连通，每个舱室9均通过管道连通控制开关和水泵，水泵与围堰外连通。通过水泵向各个舱室9内注水和排水来实现围堰的沉下和浮起以及调整在水中的平衡姿态。

另外沿围堰外圆相切点配置体外预应力拉索，体外预应力拉索采用高强低松弛钢绞线，钢绞线外包环氧树脂涂层，全部钢绞线集结成束，外包双层高密度聚乙烯护套。

如图7所示浮式拱形围堰底部装有基座11，基座11是顶面开口的拱形壳体结构，壳体内容置围堰的混凝土主体，基座11与围堰主体止水密封，基座11的底面有两条拱形钢质刃脚12，钢质刃脚12与围堰外侧是平齐，类似为围堰的裙边，两个钢质刃脚12下边向内为小角度锐角，刃脚高度1.0～1.5m，在刃尖部位约0.5m高度范围内钢板需加厚至15～20mm，内部需用C50细石混凝土填实。两条钢质刃脚12扎入河床17后中间就形成一个止水间22，止水间22顶部设有灌浆管13连至围堰顶，灌浆管13为沿整个半圆拱围堰中心线预埋的钢管，间距1-3米。拱围堰平面尺寸很大，而且平面上呈圆弧细条状，一般来说，河床17底部总会是高低不平的，尽管下面浇筑有缓凝的水下不分散混凝土层，但围堰底部范围内基础仍有正负0.5m的高差，个别部位受到突出岩石的顶托力也是有可能的，所以应当考虑底层拱围堰遭遇偶然因素的作用，在钢质刃脚12的背部应设置加劲梁承受支撑力和重力的作用，不使拱围堰底部遭受破坏。同时，加劲梁应具有一定刚度，能够保证拱围堰在施工过程中的整体形状。实际上，加劲梁就是拱围堰最底层结构混凝土的一部分或钢模壳，能够满足下层拱围堰施工过程中载荷所要求的强度和刚度。

拱围堰两端与大坝3结合部设有拱座10，拱座10和大坝3接触面与大坝3外形相合并安装有软模袋，由于发电引水坝段、溢流坝段和挡水坝段的上游坝面并非是垂直的光滑平面，而拱围堰的两拱端又是标准的与垂直平面对接结构，所以拱座10是设置在大坝3上游面和拱围堰两拱端之间的过渡结构拱座10与拱围堰结合面也设有软模袋，软模袋连接有浇筑管通向堰顶，可浇筑混凝土结合止水。

浮式拱围堰的施工方法，包括下列步骤：

一、水底清除杂物并找平基础：由于历次修补大坝，致使大量木头垃圾、石碴和混凝土块体积聚在坝踵附近，木材和其他大块杂物可用桔瓣式抓斗机清除，用吊车吊住抓斗挖掘木头、石碴等杂物，然后使用高压水泵将高压水通过进水管分别送进围堰内的高压水枪和水力吸泥机，利用高压水枪射出的高压水流冲刷碎石和淤泥，使其形成一定稠度的泥浆，由水力吸泥机或空气吸泥机将泥浆吸出。然后采用大型挖泥船进行挖掘覆盖层和基坑作业找平基础，如有突出的不平岩面则在水中以定高程的方式***后再挖掘，这样基础可以控制为只有正负0.5m的高差。

二、如图8所示水面组装浮游平台19和门形起重塔20：在需设立围堰之处水面上组装浮游平台19，拼接完成的浮游平台19呈拱形，其中部作业区7宽度约为6米，贯穿连通形成一水面作业区7，作业区7上有数个门形起重塔20，门形起重塔20的支撑脚紧固于浮游平台19上，门形起重塔20可利用绳索起落成型钢模，构成悬吊浮力法建造围堰。

三、在作业区7组装基座11和外模钢板14：在浮游平台19上组装最下部外模钢板14，钢板厚度6-20mm，在工厂内制作，并分解为若干部件，以便运上浮游平台19。底层外钢模板14的拼装、焊接是在浮游平台19上拼焊成整体。在整体钢箱起吊后入水前的空隙时间内，浮游平台19上的支撑梁才可以撤去。为了增加基座11刚度，在底部焊有加劲肋，这种方法在桥梁安装中已有丰富的经验，应用到拱围堰施工中不致有原则性困难，外模钢板14与基座11密封连结构成箱体结结构，可利用门形起重塔20将基座11和外模钢板14不断下放入水减轻浮游平台19所负载重力。

四、绑扎钢筋浇筑混凝土：拱围堰的外壁71和隔块72内的钢筋均在特制的胎具上绑扎成形，然后分别吊装入模，并设置塑料垫块，以保证钢筋外混凝土保护层的厚度，随后安装内模钢板15，内模钢板15为液压分段式结构。拆除采用收缩法，用卷扬机牵引脱出，另外还要沿整个半圆拱围堰中心线预埋钢管，间距1-3米除浇筑混凝土外，兼作灌浆管13使用。如图8所示，混凝土为分层浇筑，当下层混凝土达到80％设计强度以上后，再浇筑上一层混凝土。浇筑时采用连续浇筑，斜向分段，水平分层的浇筑方法，水平分层厚度控制在40cm以内，先后两层混凝土的间隔时间不超过初凝时间；混凝土入模下料要均匀，布料与振捣相配合；隔板72浇筑完成后，分别向两侧对称位置浇筑内外壁71混凝土，防止两边混凝土面高差悬殊，造成倾斜。每层拱圈采用一次性连续浇筑成型。施工缝必须经过凿毛、吹洗干净处理后，铺上高强度等级的水泥砂浆后再浇筑混凝土。分层浇筑，分层下沉。这种施工方法须始终利用浮力和吊钩提升力调整拱围堰的平衡。周而复始，直至达到设计高度。可利用门形起重塔20将施工中围堰不断下放入水，始终保持围堰浮力与吊钩拉力之和大于围堰自重。

五、拱围堰就位与封闭止水并完成干工作区：在地面预制拱围堰两端拱座10，侍拱围堰7混凝土浇筑完成后，分别拖运安装两端拱座10，并通过导管向两侧软模袋中灌注C₃₀一级配混凝土其中掺入塑化剂有早强剂，利用卷扬机和绳索将拱围堰7和拱座10向大坝3靠紧，同样通过灌浆管13向拱围堰底座钢质刃脚12间止水间22内灌注混凝土进行围堰底部封水，最后从围堰顶向外排干围堰与水坝空间内的水，完成干工作区。

本发明主要适用于不放水维修重建各种大坝和水利工程以及其它水下工程，但如将本发明两个组装为一起成为圆形，再加钢桩固定就可以形成一个圆形干工作区，从而可用于各种跨江桥墩的基础建设或修复工程，也可以应用为一些浅海、湖的水底的勘探和开发中，以及其它需要水中干作业的工程。

Claims (9)

1.一种浮式拱围堰，其特征在于：由钢板和钢筋混凝土材料制成，整体为圆拱形，在其内高度方向分隔为数层，每层水平面方向又分隔为数段，每段内由拱内弧向拱外弧方向分布至少两个舱室，舱室之间互不连通，每个舱室均通过管道与控制开关和水泵连通；

还包括设于浮式拱形围堰底部的基座，基座是顶面开口的拱形壳体结构，基座的底面有两条拱形钢质刃脚，钢质刃脚与围堰外侧平齐，两条钢质刃脚下边向内为小角度锐角，两条钢质刃脚形成一个止水间，止水间顶部设有灌浆管连至围堰顶。

2.根据权利要求1所述浮式拱围堰，其特征在于：拱围堰上游面厚度随水深不变或逐渐加厚，拱围堰下游面为随水深逐渐加厚、不变或台阶状。

3.根据权利要求1所述浮式拱围堰，其特征在于：浮式拱围堰两端与大坝结合部设有拱座，拱座的大坝接触面与大坝外形相吻合，其与大坝接触面安装有软模袋，拱座与浮式拱围堰结合面也设有软模袋，软模袋连接有浇筑管通向堰顶。

4.权利要求1所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于包括下列步骤：

一、水底清除杂物并找平基础；

二、水面组装浮游平台和门形起重塔；

三、在作业区组装基座和外模钢板；

四、绑扎钢筋浇筑混凝土；

五、浮式拱围堰就位与封闭止水完成干工作区。

5.根据权利要求4所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于：水底清除杂物并找平基础是采用大型挖泥船进行挖掘覆盖层和基坑作业找平基础，如有突出的不平岩面则在水中以定高程的方式***后再挖掘。

6.根据权利要求4所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于：水面组装浮游平台和门形起重塔，在需设立围堰之处水面上组装浮游平台，拼接完成的浮游平台呈拱形，其中部作业区贯穿连通形成一水面作业区，作业区上有数个门形起重塔，起重塔固定在浮游平台，可利用吊钩起落成型钢模。

7.根据权利要求4所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于：在作业区组装围堰基座和外模钢板是将在工厂定制的基座在工作区完成拼装，外模钢板与基座密封连接构成箱体结结构，并利用门形起重塔将基座和外模不断下放入水中，以减轻浮游平台所负载重力。

8.根据权利要求4所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于：绑扎钢筋浇筑混凝土是将拱围堰的外壁和隔板内的钢筋均在特制的胎具上绑扎成形，然后分别吊装入模，并设置塑料垫块，以保证钢筋外混凝土保护层的厚度，随后安装内模钢板，内模钢板为液压分段式结构，拆除采用收缩法，用卷扬机牵引脱出，混凝土为分层浇筑，当下层混凝土达到80％设计强度以上后，再浇筑上一层混凝土，可利用门形起重塔将施工中围堰不断下放入水，始终保持围堰浮力与吊钩拉力大于转堰自重。

9.根据权利要求4所述浮式拱围堰的施工方法，其特征在于：浮式拱围堰就位与封闭止水并完成干工作区步骤是先在地面预制浮式拱围堰两端拱座，待浮式拱围堰混凝土浇筑完成后，分别拖运安装两端拱座，并通过导管向两侧软模袋中灌注混凝土其中掺入塑化剂及早强剂，利用卷扬机和绳索将拱围堰和拱座向大坝靠紧，同样通过导管向拱围堰底座钢质刃脚间止水间内灌注混凝土进行围堰底部封水，最后从围堰顶向外排干围堰与水坝空间内的水，完成干工作区。

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