技术领域
[0001] 本发明涉及排水改造技术领域，尤其涉及钢筋混凝土水池不停水开孔接管施工方法。
相关背景技术
[0002] 在污水处理厂提标改造过程中，保证原有水处理工艺正常运行不停水施工是经常会碰到的难题；特别是在满水运行的钢筋混凝土水池池壁上进行不停水开孔接管施工尤为困难。
[0003] 本发明通过对在某污水处理厂扩容改造工程中，试图应用一种钢筋混凝土水池池壁不停水开孔钢围堰的施工工艺，并进行系统性分析研究，为今后同类型施工作业提供可靠的经验借鉴。
具体实施方式
[0015] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0016] 1.项目介绍洪江排水扩容改造工程一阶段——洪江排水四期提标改造工程位于洪江排水有限公司厂区内现状滤布滤池及加氯接触池东侧池体。为了将加氯接触池出水分流至新建人工湿地，需从加氯接触池东侧混凝土池体（壁厚500mm）开孔新建一根DN1200焊接钢管（管道已接至加氯接触池东侧），同时在加氯接触池池壁内侧安装Φ1200手电两用镶铜铸铁圆闸门1套。
[0017] 加氯接触池现状排放口排水规模22.5万m³/d，无旁通管路，因此在改造过程中无法停水施工，给改造工程带来极大困难，如何将混凝土池内大量来水与池壁有效阻隔开来是本改造工程顺利进行的关键。
[0018] 2.传统施工工艺与本项目特制钢围堰施工的优劣分析2.1水利工程常规阻水围堰
水利工程常规阻水围堰型式有土石围堰、草土围堰、木板桩围堰、木笼围堰、钢板桩围堰、锁扣管桩围堰、钢筋混凝土围堰等。
[0019] 本工程需要在已建成的混凝土水池（作业区域混凝土单格水池长36.8m，宽2.5m，深5.5m，来水量22.5万m3/d）内部进行阻水，不能对原有池体造成损坏，同时来水水质已经处理达标能够直接排放，施工作业不能造成二次污染，因此常规阻水围堰从工艺匹配性和经济效益等方面都不适合应用在本工程。
[0020] 2.2池外新建附属混凝土结构井在对混凝土水池不停水改造接管时，增设附属混凝土结构井也是常见的施工工艺。此施工工艺利用原有混凝土水池池壁作为新设结构井的一面井壁，在池壁对应位置植入钢筋，现浇出结构井井底及另外三面井壁，待排出管及相应的控制闸门（安装在原有池体侧）安装完毕后，在现有混凝土池壁上进行开孔（即先在拟开孔混凝土池壁上用膨胀螺栓安装钢索固定环，将钢丝绳一端与固定环牢固连接，另一端固定在结构井外；然后用φ100水钻沿开孔轮廓线将原有混凝土池壁钻入9/10深度，待钻孔交接后用长撬棍将混凝土块撬掉取出），进而完成不停水池壁开孔作业。
[0021] 此种施工工艺钻孔深度过深，容易导致在钻孔过程中池壁渗水后续作业难以进行；钻孔过浅，容易导致混凝土块难以撬掉；混凝土块撬掉后池内水就将孔洞淹没，无法对开孔后的池壁做防水防腐作业，长期运行难免会造成钢筋腐蚀，影响结构安全；不合适用在水位高的池体；增加结构井，经济投入大，同时与周边环境不协调，影响美观。
[0022] 2.3本项目特制钢围堰针对本项目混凝土池体结构不能损坏、池水不能二次污染、池外周边环境不因改造而影响美观等要求，采用特制钢围堰。
[0023] 钢围堰设计尺寸 ，主体框架采用10#槽钢，堰壁采用 钢板，用5#角钢进行加固补强，钢围堰与混凝土池体间采用30mm厚橡塑条进行阻水密封；用潜水泵将围堰内水分多次抽除，在水位每次下降的同时使用 热镀锌膨胀螺栓将钢围堰固定在混凝土池壁上；最终钢围堰内水被全部抽除，形成独立的无水空间；然后从池体外部准确定位后使用φ100水钻完成混凝土池池壁的开孔作业，相关管道及闸门完成安装后，将钢围堰拆除，完成整个改造工程的施工。
[0024] 相比新建附属混凝土结构井的施工工艺，特制钢围堰施工人员不用在池内作业，保证了安全；池壁开孔后能做好切断钢筋的防水防腐施工，确保结构长期使用安全；没有混凝土结构井的施工养护期，施工周期短，经济投入少，环境影响小。
[0025] 3.钢围堰受力分析本项目实施的重难点是钢围堰的制作和安装，而钢围堰的受力分析是整个工作的重中之重：我们需要保证制作的钢围堰能够承受池水的水压而不变形受损，同时还要克服浮力对钢围堰上浮造成的影响。
[0026] 改造池体结构总深度5.7m，池内液位高度经现场测量；钢围堰结构尺寸 ，即a=2m，b=0.8m，h1=5m，自重质量m=1429kg，挂在混凝土池顶；钢围堰安装后围堰内最大液位深度h=5m‑1m=4m。
[0027] 3.1水压力对钢围堰的作用力校核分析3.1.1钢围堰主迎水面受力分析
参照图1，浸入水中钢围堰高度h=4m；
钢围堰主迎水面受力面积 ；
形心位置 ；
惯性矩 ；
设作用在主迎水面钢围堰上的静水总压力为Fp，则
；
——式中hC为受压平面形心点C在自由表面下的深度
静水总压力的方向垂直于钢围堰平面，并指向钢围堰。
[0028] 压力中心D距自由表面的位置。
[0029] 3.1.2钢围堰侧迎水面受力分析参照图2的钢围堰侧迎水面受力分析示意图：
浸入水中钢围堰高度h=4m；
钢围堰侧迎水面受力面积 ；
形心位置 ；
惯性矩 ；
设作用在侧迎水面钢围堰上的静水总压力为 ，则
；
——式中 为受压平面形心点 在自由表面下的深度
静水总压力的方向垂直于钢围堰平面，并指向钢围堰。
[0030] 压力中心 距自由表面的位置。
[0031] 3.1.3钢围堰底面受力分析钢围堰底面主要受向上浮力和自身重力双向作用，设定钢围堰所受最大浮力为，钢围堰自身重力为 ，通过计算可得：
，
，
钢围堰底面受力为 ，则
。
[0032] 3.2浮力对钢围堰的作用力校核分析由以上3.1.1钢围堰底面受力分析计算过程可知
，
，
由上述计算可知， ，不考虑摩擦力及池内水压影响，在钢围堰内抽
水时需采取防止钢围堰上浮的固定措施。
[0033] 钢围堰开始上浮的条件为水泵抽出钢围堰的水重力大于钢围堰的自重，设定水位降为△h抽；则：由此可得第一次钢围堰内最大安全水位降
，
设定钢围堰内水全部排除后，钢围堰承受最大向上作用力为 ，则：
，
本项目采用4.8级 镀锌膨胀螺栓固定钢围堰，查相关手册可知，
镀锌螺栓允许剪力为 ，
由此可得需要膨胀螺栓数量 ，取整
数得知最少要用7颗M12镀锌膨胀螺栓进行固定。
[0034] 4不停水开孔接管施工步骤4.1工艺流程
钢围堰制作→钢围堰安装→土方开挖→池壁铣孔→管道安装→闸门安装→闭水试验→钢围堰拆除
4.2操作要点
4.2.1钢围堰制作
（1）需根据钢围堰受力分析及校核结果制作焊接钢围堰，在主要受力部位进行加固处理；
（2）钢围堰的焊接人员需持证上岗，确保焊接质量；
（3）粘贴橡塑防水胶条时须做好接触面的除锈工作，使用强力胶黏剂，防止因水压作用形成通路。
[0035] 4.2.2钢围堰安装使用起重机进行钢围堰的吊装工作，先将钢围堰缓慢安全吊到池内待安装部位，然后使用潜水泵将围堰内水抽除。由“3.2浮力对钢围堰的作用力校核分析”章节可知，在未用膨胀螺栓固定钢围堰第一次抽除钢围堰内存水时，最大安全水位降为0.89m，最少需使用镀锌膨胀螺栓数量为7颗。
[0036] 堰内液位总深为4m，为了确保安全，采取分多次抽水及时固定的安装方案：1）第一次液位下降0.52m时停止水泵抽水，在钢围堰两侧各安装3颗 镀
锌膨胀螺栓进行固定；
2）第二次液位累计下降0.9m时停止水泵抽水，在钢围堰两侧各安装2颗
镀锌膨胀螺栓进行固定，此时已用10颗 镀锌膨胀螺栓对钢围堰进行
固定，消除最大浮力对钢围堰上浮的影响；
3）继续抽水液位累计下降2.8m时停止水泵抽水，在钢围堰两侧各安装3颗镀锌膨胀螺栓进行固定，此时钢围堰每侧使用8颗，共计使用16颗 镀
锌膨胀螺栓进行固定，完全满足钢围堰的安全使用要求；
4）继续抽水直到钢围堰内余水抽除干净，观察钢围堰与混凝土池壁间的密封情况。
[0037] 此时钢围堰的安装工作已经完成，为了确保安全万无一失，需观察钢围堰至少24小时，查看在水压作用下的变形情况及渗水漏水情况，若不存在变形及渗水超出水泵的抽排能力的情况，即可开始后道工序的施工。
[0038] 4.2.3混凝土池壁铣孔钢围堰成功将池壁和池水隔绝开之后即可开始混凝土池壁开孔作业，铣孔选用φ
100水钻，铣孔前应对开孔位置准确进行定位。
[0039] 4.2.4闸门、管道安装铣孔完成后进行闸门和管道的安装，为防止池壁孔洞和管道间渗漏，管道外壁焊接止水翼环，管道对接内外焊，做好防腐，使用灌浆料对孔洞进行封堵；闸门框使用化学螺栓固定在混凝土池壁上，支模使用灌浆料进行浇筑，需保证闸门安装垂直度。
[0040] 4.2.5钢围堰拆除在闭水试验合格确保闸门渗漏满足要求后，开始钢围堰的拆除工作；拆除步骤与安装步骤相反，即：
1）向围堰内注水至液位降2.8m处，拆除围堰两侧底部3颗膨胀螺栓；
2）继续向围堰内注水到液位降0.9m处，拆除围堰两侧底部2颗膨胀螺栓；
3）继续向围堰内注水到液位降0.5m处，拆除围堰两侧剩余全部3颗膨胀螺栓；
4）使用起重机将钢围堰缓慢安装吊出水池，完成拆除工作。
[0041] 5.结论经过理论计算及实际施工效果表明，特制钢围堰在满水混凝土池池壁开孔作业中安全可靠、经济效益好、对水体和环境影响小，是目前钢筋混凝土水池池壁不停水开孔改造施工的最优工艺。
[0042] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
