小清河復航工程濱州段倒虹工程施工導流設計

紀詩聞

（青島市水利勘測設計研究院有限公司,山東 濟南 250013）

1 項目概況

小清河復航工程濱州段位于山東省濱州市鄒平縣和博興縣境內,受復航影響的倒虹有5 座,分別為魏橋倒虹、西碼頭倒虹、胡樓干渠倒虹、道旭過清倒虹、一干過清倒虹,均為穿越小清河的引黃灌溉倒虹。以上5 座均建成于20 世紀80 年代,倒虹本身存在洞身破損、止水失效、滲漏嚴重等情況；航道開挖后,航道底高程降低較大,穿河洞身將高于復航后的河底高程；道旭倒虹、一干過清倒虹處河道采用直立式擋墻護坡,擋墻緊靠大堤堤腳,將會破壞倒虹兩岸進出口及連接段。綜合以上情況,擬對濱州段涉及的5 座倒虹在原址進行重建。

濱州段倒虹結構基本類似,倒虹自上至下依次為進口連接段、進口閘室段、洞身段、出口控制段、出口連接段。

2 施工特點

倒虹工程橫跨小清河主河槽,施工期導流問題較為突出,且倒虹擔負著供水任務,施工期間需同時滿足供水任務不中斷要求,為確保施工期間供水任務不中斷,倒虹拆除前需修建完臨時供水設施,以滿足施工期間調水需求。因此本工程具有施工難度大,任務重,難以在一個非汛期內完成,施工技術要求高等特點。

3 工程條件

3.1 水文氣象

小清河流域屬華北暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,年內四季分明,溫差變化較大。冬季多東北風和西北風,寒冷干燥,降水量稀少；夏季高溫炎熱,多東南風和西南風,冷暖空氣活動較頻繁,為暴雨洪水主要發生期。流域內較大的暴雨洪水多發生在7月、8月。

小清河多年平均降雨量為641.5 mm,主要集中于汛期（6月～9 月）,多年平均開始封凍日期為12 月23 日,多年平均最后開河日期為2 月3 日,多年平均實際封凍天數為14 天,歷年最大冰厚為0.20 m。小清河流域多年平均日照總時數達到2700 h左右,多年平均氣溫12.6℃,極端最高氣溫42.8℃,極端最低氣溫-25.1℃,歷年最大風速22 m/s,最大凍土深度為55 cm,多年平均水面蒸發量為1000 mm～1200 mm,無霜期在200 天以上。

3.2 地形、地貌與工程地質

小清河流域地形復雜,屬于山丘平原混合型。南部為低山丘陵區,除魯山海拔為1108 m外,其余均系800 m以下的低山丘陵。各支流下游至小清河干流之間主要由山前沖積洪積扇和黃河沖積平原組成。地勢由南向北傾斜,地面坡降由1/500 逐漸減小為1/1500～1/3000。

工程區地層主要為第四系全新統地層,主要巖性特征為沖積層,其巖性為粉質黏土、粉土、粉砂、粉細砂、細砂、黏土。

4 施工導流設計

4.1 導流標準

依據《水利水電工程施工組織設計規范》[1],并考慮導流建筑物保護對象、失事后果、使用年限及工程規模確定本工程導流建筑物級別為4 級,相應的土石結構導流建筑物洪水重現期范圍為20 年～10 年,考慮到導流建筑物失事后僅對建筑物的施工產生影響,確定導流建筑物采用10 年一遇洪水標準。

4.2 導流時段

本工程所處流域內年降水量集中在汛期,需要滿足防汛調度的要求,為避免阻礙行洪,受水位影響的主體工程安排在非汛期完成,根據工程規模和施工進度的安排,同時結合導流流量計算成果,考慮到非汛期的10 月和5 月屬于汛前和汛后的過渡期,常有較大洪水,確定施工導流時段為非汛期的11 月～次年4 月。

4.3 導流方式

5座倒虹采取的施工導流方式為分期導流,均采用一次攔斷河床的明渠導流方式。考慮到5 座倒虹工程施工期間還需要繼續承擔現狀灌區供水任務,故拆除重建前需修建臨時供水倒虹,替代施工期間原倒虹的供水任務。因此,倒虹工程安排于兩個非汛期內完成,第一個非汛期主要施工臨時供水倒虹,第二個非汛期主要施工5 座跨河倒虹工程。

1）臨時供水倒虹

為確保濱州段5 座倒虹施工期間供水任務,倒虹拆除前需修建完成臨時供水倒虹,以滿足施工期間調水需求。

本工程供水倒虹擬采用在現狀的倒虹上游或下游修建臨時供水管涵或箱涵方式,魏橋倒虹工程和西碼頭倒虹工程設計流量分別為10 m3/s、5 m3/s,設計流量相對較小,擬采用臨時供水涵管方案,進口和出口與原渠道相連。胡樓干渠倒虹工程、道旭過清倒虹工程及一干過清倒虹工程設計流量分別為35 m3/s、15 m3/s、20 m3/s,設計流量相對較大,擬采用臨時箱涵倒虹方案,進口和出口與原渠道相連,5 座臨時供水涵管和倒虹進口與出口均設進出口閘與原供水工程連接。

采用此方案修建的臨時供水倒虹不再拆除,可作為以后永久倒虹備用檢修工程,臨時供水倒虹施工前需在主河槽修筑圍堰,一側灘地開挖導流明渠的導流方式。

臨時供水倒虹先期安排在第一個非汛期11 月~1 月,完成主河槽段臨時供水涵洞,施工前在小清河主河槽內的臨時供水涵洞上下游修筑圍堰擋水,利用左岸開挖的導流明渠下泄上游來水。

由于臨時導流明渠布置在左岸,明渠過水期間,其下部涵洞無法實施,左岸臨時供水涵洞工程施工只能安排在非汛期2 月~4 月,施工期來水通過小清河主河槽泄流。

2）永久倒虹工程

永久倒虹工程施工前也需在主河槽修筑圍堰,采用明渠導流方式。具體導流措施與臨時涵管基本相同。

第二個非汛期11 月~1 月,先施工主河槽段及左側部分倒虹,在主河槽段倒虹上下游修筑圍堰擋水,利用右岸開挖的導流明渠下泄小清河上游來水,同時5 座倒虹施工時需在進出口位置修筑擋水圍堰,防止渠道水倒灌基坑,5 座倒虹下游供水需求均通過新修建的臨時供水設施調水。

第二個非汛期2 月~4 月,主要施工河道右側部分倒虹及進出口部分閘門的施工,施工期小清河內的水通過主河槽下泄上游來水。

5 導流建筑物設計

1）圍堰斷面設計

5 座倒虹工程臨時涵管第一個非汛期一期上下游圍堰堰體全部采用土圍堰填筑,堰頂頂寬3.0 m,迎水面、背水面水上部分邊坡均為1∶2.0,水下邊坡為水中倒土自然坡,約為1∶4。為防止迎水面風浪沖刷破壞圍堰邊坡及堰體,迎水面鋪設兩布一膜復合土工膜防護。上游護面采用編織袋裝土護砌,厚度為0.3 m。

根據本工程確定的導流方式,各倒虹主體工程施工需要考慮灌溉期引水問題,進出口閘門拆除后,為防止進出口渠道內的水倒灌基坑,需在進出口修筑擋水圍堰,圍堰采用編織袋裝土壘砌,圍堰底高程按現狀渠道渠底高程為準,圍堰擋水位按引黃渠道調水位控制,考慮到安全超高0.5 m后作為圍堰頂高程,堰頂寬3.0 m,迎水坡、背水坡邊坡均為1∶0.5,迎水面鋪設兩布一膜復合土工膜防護。

2）導流明渠設計

根據水力學計算,導流明渠設計指標見表1,導流明渠開挖頂高程按現狀平均灘地高程控制。

表1 導流明渠設計指標表

3）臨時供水設施設計

臨時供水倒虹功能主要是為了滿足主體工程倒虹施工期間調水,不因施工中斷輸水,且作為以后的主體倒虹維修備用,該臨時供水設施設計需考慮小清河航道擴挖后斷面底高程,不影響以后通航,還需滿足原倒虹輸水流量,綜合以上信息,臨時供水設施設計規模采用永久建筑物規模。

魏橋倒虹工程及西碼頭倒虹工程臨時設施采用臨時涵管方案,魏橋臨時涵管直徑采用Φ2.0 m雙管,西碼頭臨時涵管直徑采用Φ2.0 m單管。現狀胡樓干渠倒虹工程、道旭過清倒虹工程及一干過清倒虹工程供水規模較大,采用管道的結構型式,造成溝槽開挖斷面較大,且需管材較多,投資費用較高,故臨時供水設施采用主體工程結構相同的暗涵布置型式。

6 結語

本工程具有施工難度大,任務重,難以在一個非汛期內完成,施工技術要求高等特點。根據地形、地質條件、建筑物布置型式以及倒虹工程施工期間調水任務不能中斷的具體情況,并考慮導流流量的大小等諸多因素,本工程采用修建臨時供水倒虹的方案,施工導流分期進行,采用一次攔斷河床的明渠導流方式。該導流方案設計合理、安全、可靠,可為相關工程提供參考。