1、水塔施工简述
1.1取水塔式的取水为国内首例，与现行的取水方式相比，具有适应性强，进水口在水库死水位以下，可连续不断地为水库供水；供水系统可以在无水状态下检修，是一种先进的取水方式，为今后在现有的水库、湖泊等水源处引取水开辟了一种新的取水方式，有推广应用价值。
1.2预置布袋调平封固塔基技术，构思巧妙，完全避开了水下作业，使取水塔调平精度高，封固堵漏效果好，且该项技术施工工艺简单，速度快，不需专用大型机具，效益显著，对深水中沉井等构筑物的调平封固施工有参考、借鉴价值。预置布袋灌注砂浆调平封固塔基技术的关键是砂浆灌注量的控制，砂浆灌注量在施工前不易确定，水塔施工中仅靠潜水员水下观察，较难从量上准确控制。灌注量可按布袋充满量体积的70%-85%控制，各仓灌注量一致，按要求灌完砂浆后，立即加载，使布袋承受一定的压力，加载量控制在使塔身下沉量小于15cm以内，这样灌注量易于控制，但也要求灌注时间短（小于砂浆初凝时间）、布袋强度高。
1.3掺絮凝剂水下不分散混凝土及导管导向法混凝土封底水塔施工工艺，与传统的水塔施工方法相比，不受环境、设备等因素对水塔施工的制约，能够保证水下水塔封底混凝土的施工质量，是一种有推广价值的封底混凝土施工新技术、新工艺。由于本水塔施工工程封底混凝土体积大，混凝土水化热大，混凝土强度增长缓慢。因此，对于大体积水下混凝土施工，为保证混凝土质量，要解决处理好混凝土水化热问题，在选材宜选用水化热较小的水泥，并采取必要的降温等措施，确保水塔施工混凝土质量。
1.4塔底竖井采用“双液、分层、控压、限量”注浆固结止水技术，妥善地解决了注浆压力与塔身稳定的关系，固结止水效果好，确保了竖井开挖的顺利进行，为今后类似工程的水塔施工提供了宝贵的实践经验。
2、概述
深水取水塔是为某一大型火力发电厂供水而建造的。取水塔座落在水库中，距水库大坝260m．通过塔内竖井与库底水平引水隧洞连通，形成一整套完整的供水系统。
取水塔塔址处水深33m，水下地表层为砂砾石层，厚约3m，下层为片麻状岗岩。由于受F9断层影响，基岩裂隙发育，工程地质条件十分复杂。取水塔嵌入基岩1.8m。
塔式取水国内尚无先例，没有成功的水塔施工经验可供借鉴，且水深大，制约水塔施工因素多。该工程水塔施工必须解决好以下四个难题：
①深水基础开挖。砂砾石层可采朔抓斗结合吸泥机开挖，基岩开挖必须解决深水水下爆破及确保水库大坝安全。②塔基的调平封固。由于基岩在深水中不可能整平到使塔身座落其上不产生倾斜，且塔身刃脚与凸凹不平的基岩间的空隙也影响封底混凝土的质量，如何使塔身落底后既平稳又能使刃脚底与基岩间没有空隙，是本工程需解决的另一难题。③深水大体积混凝土封底。水深33m，封底面积72.4m2．一次灌注封底混凝土500m3．封底的成功与否，是本工程的成败关键之一。④塔底竖井开挖。如何在不髟响塔身稳定的前提下，解决好塔内封底混凝土与基岩接触面及塔底基岩破碎层的渗漏水问题，确保竖井安全、顺利开挖也是本工程的一大难题。同时由于水上作业，水塔施工场地受限，水塔施工工期问题也很突出。本文就有关注浆等新技术进行重点介绍。
3、水塔施工中注浆新技术的开发应用
3.1水塔塔基预置布袋灌注砂浆调平封固技术
水塔塔基开挖后，采用锤击法整平基底。鉴于深水中基岩整平难度大，取水塔又是处于深水中长细比较大的构筑物，对安装调平要求高，不允许塔底与基岩间有孔隙存在，因此，必须对塔基进行整平及堵漏处理。塔基的整平处理可采用在水下灌注混凝土台座，堵漏用袋装混凝土，但该方法水下作业量大，速度慢，成本高，本水塔施工工程不宜采用。经研究比较，借鉴日本桥梁建设经验，决定采用在塔身刃脚处予置布袋灌注浆调平封固塔基技术。预置布袋注浆调平封固塔基技术主要是借助砂浆的流动性及良好的可塑性，使砂浆充满布袋达到调平塔基及封堵空隙的目的。
图1塔基调平封固方案图
3.1.1水塔施工参数的设计及选择
(1)布袋的制做与安置
布袋材料宜选用强度高、柔软、透水性小的帆布、化纤等织物。帆布价格低，料源广，经测试其强度及透水性均满足要求，是理想的布袋材料。
取水塔基础整平相对误差为30cm，取水塔水中沉至刃脚距基础高点20cm时悬停开始灌注砂浆，此时刃脚距基础低点50cm。布袋缝成园筒形，直径80cm，展开长32cm。布袋上每隔64cm设一灌注浆孔口，孔口处安设法兰盘以利连接注浆钢管。两孔口管间用帆布设置横向隔断，使其分仓灌注砂浆，以保证灌注效呆。布袋外每隔50cm设纵横向尼龙绳加固布袋。
图2布袋结构尺寸图
(2)砂浆配合比
砂浆标号按M10设计。
水泥：425#普通硅酸盐水泥。
砂子：河砂，用中砂，用4mm筛子筛一遍。
絮凝剂：天津产丙烯系列UWB型絮凝剂。
由于砂浆为水下灌注，为使砂浆具有抗水冲刷能力，掺入2%絮凝剂拌制水下不分散砂浆。经室内试验及现场模拟试验，选用配合比如下：
水泥：砂：水：絮凝剂=1:3:0.52:0.02
(3)灌注量
布袋灌注砂浆量直接影响到调平塔基及堵空隙效果，因为灌多了布袋可塑性差，灌少了空隙充填不满，两者都达不到调平塔基封堵空隙的目的。灌注量以模拟试验布袋灌注量为参考，同时在灌注过程中要安排潜水员进行水下观测、检查，确保灌注量适中。
3.1.2灌注施工
首节双钢壳塔身制作好后下水前，用尼龙缉把布袋绑于刃脚处事先焊好的钢环上，同时用强度较低的细线把折叠好的布袋拢在刃脚上，以免挂破布袋，接好钢管后下水。
基础开挖整平达到要求后，用驳船牵引塔身就位，就位后塔身继续制做接高、下沉，始终保持2m高度。当水塔塔身刃脚距基底20cm时，塔身悬停开始向布袋内灌注砂浆。为减小水对砂浆灌注过程中的冲刷，确保砂浆灌注的饱满度，采用砂浆泵接Φ50软胶管，胶管由钢管内通入布袋中，向布袋内直接灌注砂浆。水塔施工时要按隔仓对称灌注，由潜水员在水下进行检查，当布袋饱满、空隙填实，即停止灌注砂浆。
3.1.3加载、检查
布袋灌注砂浆结束后，向双钢壳壁内注水加载，使塔身有小量下沉，下沉量控制在5cm以内，并严禁塔身晃动，以免砂浆没有达到相应强度受挤压破碎。当砂浆强度达到设计强度的40%以上时，向双钢壳壁内对称注水加载。加载后，由潜水员进行水下检查，确认布袋饱满，刃脚与基岩间无空隙，同时实测塔身垂直度误差仅有1‰（塔轴心偏斜值与塔高之比）。实践表明，调平、封堵空隙效果都很理想，达到了预期目的。
3.2水下不分散混凝土封底施工技术
取水塔封底混凝土施工水深达33m，封底面积刃脚底部达72.4m2，刃脚以上部分也有50.3m2，一次封底混凝土数量近500m3。封底混凝土设计强度为C20，要求混凝土整体性好，不漏水。
水下封底混凝土采用导管法是项成熟的技术，但由于受水塔施工场地、混凝土灌注能力制约，无法保证几根导管同时灌注。如按单导管顺序灌注，若布置4根导管，经测算正常情况下每根导管灌注一遍的时间间隔达3h以上，当第二遍灌注时导管内混凝土的流动性已经消失，流动困难，无法保证混凝土封底施工的顺利进行。若采用预置砂石后灌水泥浆的灌浆混凝土，则无法保证混凝土的均匀、整体及抗渗性，会给塔底竖井开挖增加困难。
经分析，上述两种方法在本水塔施工工程中都不宜采用。为此，采用水下不分散混凝土技术进行封底水塔混凝土施工。
水下不分散混凝土就是在拌制混凝土时掺入一定量的絮凝剂，使混凝土的粘稠性、和易性得以改善，混凝土遇水冲刷时水泥与骨料基本不分散，在水中能自行沉实摊平。该项技术是70年代以来发展起来的一项新技术，它以其优越性能在水下水塔混凝土施工中得到了广泛应用。根据有关资料介绍，采用水下不分散混凝土技术施工水下混凝土构筑物时，有过水深9m时将混凝土从水面上直接倾入要灌注的部位，仍可确保混凝土灌注质量的实例。但在大水深(水深>10m)条件下，尚无实践经验。
本工程由于水深达33m，且封底面积大，为减小混凝土受水冲刷的程度及确保混凝土灌注部位，经研究分析，决定采用导管导向法新工艺，即导管不；看入混凝土中，始终与已灌好的混凝土表面保持一小段距离，混凝土通过导管落入要灌注的部位。
3.2.1水下不分散混凝土的试验研究
为充分掌握水下不分散混凝土的性能，为选定的水塔施工方案提供必要的参数，进行了大量的实验，试验情况如下：
(1)原材料
水泥：大连产五羊牌425#普通硅酸盐水泥。
砂：天然河砂，中砂。
粗骨料：河卵石，粒径0.5-4cm。
絮凝剂：天津产丙烯系列UWB型絮凝剂。
(2)配合比：
泥凝土设计标号为C20，设计陷度为18-22cm。根据混凝土设计及工作性能要求，选取的理论配合比为：
水泥：砂：粗骨料：水=1:1.665：2.498：0.56
絮凝剂掺量为水泥重量的2%。
(3)试验结果
a．相同配合比、水灰比条件下，普通混凝土与水下不分散混凝土有关性能及强度情况如表1。
由上表可见，相同条件下，水下不分散混凝土坍落度明显提高，和易性改善，强度略有降低。
b．用手握裹水下不分散混凝土易成团，松开时有抽丝现象，粘度大，手触有粘着滑腻感。手握混凝土在水中摆动，混凝土不分散，水泥浆不易被冲掉。
c．试验表明水下不分散混凝土陷度损失快，陷度与时间有如下关系见图3。
d．水下不分散混凝土具有一定的缓凝性，初、终凝时间为普通混凝土的1.3-1.9倍。
e．水下不分散混凝土在空气中与在水中下落1.5m做成的试件强度分别为23.6MPa和21.7MPa，可见一定的水流冲刷作用对水下不分散混凝土的强度影晌较小。
图3陷度与时间关系曲线
试验结果表明，水下不分散混凝土和易性很好，遇水冲刷有较强的稳定性，并由于其初凝时间的延长，使其能够用于大面积混凝土封底多导管逐个灌注施工。
3.2.2几个问题的分析、处理
深水中封底混凝土水塔施工采用导管导向法工艺为国内首次采用，没有经验可借鉴。水塔施工中必须处理好以下几个问题：
(1)混凝土通过导管落下时，由于活塞作用导管中的水对已灌好的混凝土有冲击作用，影响混凝土灌注质量。为减小冲击影响，每斗混凝土都要砍球，球用浮力较大的充气皮球，改变球的数量可调整冲击程度。实践表明，采用两个球冲击已经较小了。
(2)混凝土在导管中基本不受水冲刷，混凝土一出了导管就有水的冲刷问题了。为此，导管与混凝土面越近越好，但考虑导管中水对混凝土的冲击及一斗混凝土的锥体高度，导管口与混凝土的表面距离以1.0-1.5计算为宜。
(3)混凝土灌注时间间隔最长为多少方能保证两次灌注的混凝土形成良好的整体。要保证两次灌注混凝土整体性，后灌混凝土必须在已灌注的混凝土初凝前进行灌注。试验表明，由于絮凝剂有缓凝作用，两次混凝土灌注的时间间隔最长不超过4h。
3.2.3封底混凝土施工
(1)导管布置
导管选用Φ325无缝钢管，根据混凝土扩散半径，布置4根导管，导管等间距地布置在半径（以取水塔中心为园点）为3.1m的圆周上。
(2)灌注作业
在灌洼水下混凝土前，对基底先进行清洗，确保封底混凝土与基岩的良好结合。作业时，4根导管要对称、轮流灌注。施工中要经常测量混凝土面的标高，当管口与混凝土面高差小于30cm时，要及时上提导管。
取水塔封底混凝土灌注完半个月后，抽干水检查，封底混凝土不漏水，整体性及强度指标均满足设计要求。
3.3塔底竖井注浆固结止水开挖技术
塔底竖井穿过封底混凝土及塔下基岩与水平引水隧洞连通，由于封底混凝土与基岩接触面及塔底基岩受F9断层影响部位，裂隙发育，透水严重，开挖竖井前必须要进行注浆止水处理。取水塔自重虽近3500t，但基底平均压应力仅0.115MPa，因此在注浆时既要满足固结止水的要求，又要不扰动塔身。根据塔所处地质情况及取水塔自身特点，采用了“双液、分层、控压、限量”的注浆施工方案。
3.3.1注浆参数设计
(1)注浆材料：
水泥、水玻璃、缓凝剂配合比（体积比）为：水泥：水玻璃=1：0.5；水泥浆水灰比为0.8。
(2)注浆孔布置
单孔浆液扩散半径按2.5m计算。
(3)注浆量
单孔注浆量按下式计算：
Q=πR2Lna
式中Q——单孔注浆量(m3)
R——单孔浆液扩散半径(m)
L——注浆段长(m)
n-岩层裂隙率
a-浆液在岩层裂晾内的充填系数，取0.3-0.9
(4)注浆压力
接触面及扰动层注浆对塔身稳定有影响，其单孔注浆压力所产生的合力应小于取
水塔自重力与浮力的差值，即：
p.s.α
s——单孔浆液扩散面积(1112)
α——浆液在岩层裂隙中的充填系数，取α=0.6
W——取水塔自重力(N)
F——取水塔所受浮力(N)
扰动部位以下部分注浆时，由于其对塔身稳定已无影响，故采用高压注浆，注浆压力取2.0MPa。
3.3.2注浆施工
按设计孔位埋设孔口管，孔口管为巧56，长约3.5m的无缝钢管，灌注50cm厚混凝土止浆墙，管外露10-20cm。由于注浆孔为垂直孔，为防止钻孔浮渣回落造成堵孔，钻孔时留20-50cm余量。接触面注浆孔钻至接触面下0.7m，第二层注浆孔钻至接触面下3．0m，第三层注浆孔钻至接触面下15m，钻孔注浆顺序是先中间孔，再6#-*7#--8#--9#--2#--3#--4#--5#孔，每钻好一个孔后，即按注浆参数进行注浆。由于采用了钻一孔，注一孔的方法，后钻的孔起到了对前孔注浆效果的检查作用，因而省去了专设检查孔。
3.3.3量测监控
为监控取水塔的稳定，注浆前在取水塔的顶部设置了两根互相正交的透明水平连通管，管内有彩色液体，通过液面的变化来监测取水塔稳定；还在塔顶设置了四个相互对称的水准点，注浆时用水准仪观测其绝对高程的变化。
抽干水后经开挖检查，注浆固结止水效果理想，堵水率达93%，固结体7d单轴抗压强度达5.2MPa。
