淺談水利樞紐工程圍堰技術應用

陳 濤 王建忠 徐 全

(1、江陰市農(nóng)村水利服務中心,江蘇 江陰 214400 2、江陰市徐霞客鎮(zhèn)人民政府,江蘇 江陰 214407)

1 概況

某水利樞紐工程位于某大運河與長江交匯口處,主要包括雙向泵站、總凈寬48m 的節(jié)制閘及附屬引河等工程。臨時工程中,長江側(cè)臨時建筑物等同江堤標準為2 級,防洪標準按100 年一遇設計。

2 工程地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)條件

某水利樞紐工程施工場地周圍無較大規(guī)模斷裂通過,地質(zhì)資料顯示屬于晚第三紀以來的新構(gòu)造運動,主要以持續(xù)緩慢地沉降為主。地塊相對穩(wěn)定,地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性相對較好。

運河某水利樞紐土層主要由第四系全新統(tǒng)(Q4)、更新統(tǒng)(Q3)組成。

2.2 水文地質(zhì)條件

勘探深度范圍內(nèi)地層主要為黏性土和砂性土,地下水類型以松散巖土類孔隙型水為主。

A 層、②層、③2 層上部等淺部地層由于受人類活動影響,含水、透水,含孔洞、裂隙；②′、④1、④2 層以及⑧1 砂壤土及粉砂,室內(nèi)垂直向滲透試驗測得其滲透系數(shù)為A×10-4～A×10-5cm/s,中等透水,且連為一體。由于場地位于錫澄運河入江口,土層受長江河床切割,地下水連通長江水,故上述層為潛水含水層,下伏⑨層黏性土微～極微透水為相對不透水層,作為隔水底板。潛水主要受河流等地表水,以及當?shù)卮髿饨邓挠绊?比較明顯,雨季容易升高水位,旱季容易造成水位下降。

13 層砂壤土、粉砂通過室內(nèi)垂直向滲透試驗得到滲透系數(shù)大約為A×10-4cm/s,屬于中等透水,施工范圍內(nèi)構(gòu)成承壓含水層,⑩層黏性土為作為承壓含水層的隔水頂板。該層已經(jīng)埋藏較深,已經(jīng)基本不影響本工程。

3 施工要求

長江側(cè)施工期防洪最高水位取100 年一遇設計高潮位7.56m,按浪高0.5m,加高0.8m,圍堰邊坡1:3～1:4,圍堰底寬103.5m(防滲長度 L=10.56×9=95.04m)；圍堰在迎水面上設C20 模袋砼(厚20cm)加以防護。

4 圍堰設計和施工

4.1 設計洪水標準及導流方式

本工程等別為Ⅱ等；主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3 級。根據(jù)《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》,綜合確定長江側(cè)臨時建筑物等同江堤標準為2 級。防洪標準按100 年一遇設計。

4.2 圍堰設計

為滿足閘站主體陸上旱地施工條件,在長江側(cè)及內(nèi)河側(cè)設有施工圍堰,共兩道圍堰。施工主圍堰結(jié)構(gòu)型式一般采用均質(zhì)土梯形斷面圍堰及樁土圍堰,樁土圍堰一般用于水位差較小的內(nèi)河工程,對防滲長度要求較小,本工程緊臨長江且河底高程較低,施工期水位差較大,從圍堰抗滑及防滲安全角度出發(fā),本工程采用水中填筑均質(zhì)土梯形斷面圍堰。

4.2.1 圍堰位置的選擇

根據(jù)工程招標文件,長江側(cè)圍堰布置在長江側(cè)防沖槽外側(cè),與泵站、節(jié)制閘中心線呈一定夾角。我方經(jīng)縝密分析后,發(fā)現(xiàn)圍堰布置在魚嘴景觀帶內(nèi)側(cè),施工時不受影響,但是橋梁施工場地作業(yè)面小,魚嘴景觀帶駁岸加固需另做子堰施工。

4.2.2 圍堰斷面設計(圖1)

圖1

長江側(cè)施工期防洪最高水位取100 年一遇設計高潮位7.56m,按浪高0.5m,加高0.8m,圍堰邊坡1:3～1:4,圍堰底寬103.5m(防滲長度L=10.56×9=95.04m)；圍堰在迎水面上設C20 模袋砼(厚20cm)加以防護。

4.3 圍堰穩(wěn)定復核驗算

本工程采用瑞典條分法和有效應力法對圍堰的穩(wěn)定性復核分析計算。計算原理:通過對土坡極限平衡穩(wěn)定進行計算。自然界勻質(zhì)土坡失去穩(wěn)定,通常滑動面接近圓弧,滑動面呈曲面,可將滑裂面近似成圓弧計算。沿豎直方向?qū)⑼疗碌耐馏w分成若干個土條,再從土條中任意取出第i 條,側(cè)面上的作用力不考慮時,該土條存在以下內(nèi)容:

(1)土條自重；

(2)土條弧面上的法向反力；

(3)土條圓弧面上的切向阻力。

安全系數(shù)采用抗剪強度引起的極限抗滑力矩和滑動力矩的比值,安全儲備的大小按照《規(guī)范》要求,安全系數(shù)要滿足≥1.15 四級堤防和安全系數(shù)要滿足≥1.25 二級堤防的要求(圖2)。

圖2

采用理正邊坡穩(wěn)定分析程序中瑞典圓弧法進行圍堰穩(wěn)定計算。

長江側(cè)圍堰穩(wěn)定復核:

長江側(cè)圍堰布置在長江側(cè)防沖槽外側(cè),采用土堰體,軸線長176m,堰頂高程▽9.0m,頂寬7.0m,迎水坡坡比1:4；在背水坡在高程▽3.5m 處放置6m 寬的平臺,平臺往上坡比1:3,往下坡比1:4。

圍堰土源采購自江峰路取土區(qū)和通渡路取土區(qū)的土源料場,我方經(jīng)了解,系當?shù)乇韺覣 層土。

長江側(cè)圍堰邊坡穩(wěn)定性理正邊坡穩(wěn)定分析程序中瑞典圓弧法進行計算,以長江側(cè)圍堰迎水面坡腳為原點,計算參數(shù)見圖3-5。

圖3 圍堰坡面設置參數(shù)圖

經(jīng)計算(計算結(jié)果見圖6),長江側(cè)圍堰邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.585,其圍堰邊坡穩(wěn)定系數(shù)大于《水利水電工程圍堰設計規(guī)范》(SL645-2013)6.5.1 條規(guī)定的允許安全系數(shù)1.20。因此圍堰的坡比滿足要求。

圖4 圍堰土層設置參數(shù)圖

圖5 圍堰迎水面設置參數(shù)圖

圖6 計算結(jié)果圖

4.4 圍堰施工

本工程長江側(cè)和內(nèi)河側(cè)圍堰是在河中倒土填筑圍堰,填筑前,先測量放線,確定圍堰的坡腳位置,用挖泥船對河底進行清淤,清淤至高程-3.0m 時,再次進行測量放線,確定圍堰的坡頂線、坡腳位置。上游圍堰填筑完成后采用模袋砼進行防護。

4.4.1 施工圍堰的施工順序

施工過程中,為盡可能保留公園已建設施,長江側(cè)圍堰施工時,計劃從圍堰的西側(cè)向東側(cè)推進；內(nèi)河側(cè)圍堰施工時,計劃從由兩側(cè)向中間推進。合攏后,水位以上圍堰施工按分層分坯的要求進行填筑。施工方法:采用挖掘機開挖,汽翻斗運輸,推土機推平壓實。

長江側(cè)圍堰計劃分兩期進行,一期施工至高程▽7.00m處,2020 年汛期來臨時,如需加高圍堰,再進行長江側(cè)圍堰的二期施工；內(nèi)河側(cè)圍堰直接施工至設計高程。

施工圍堰作為臨時擋水堰體,對確保工程順利施工、施工安全有著非常重要的作用。同時在施工過程中,嚴格控制圍堰的設計斷面尺寸和圍堰的填筑施工,逐層碾壓密實,及時檢測,最終達到施工規(guī)范要求。

4.4.2 圍堰合攏措施

本工程所在的施工區(qū)域緊鄰長江。江陰一天之內(nèi)受兩次潮汐影響。

長江水位潮漲潮落對圍堰的合攏會造成較大的影響。為此,我方采用如下措施確保圍堰合攏成功。

4.4.2.1 選擇好合攏時機。時間選擇:收集好每日漲落潮情況,對以往歷年的潮位情況做全面的了解。合攏的時機安排在漲潮前3 小時開始,計算并備好充足的土方量,確保4小時內(nèi)斷流,并在高潮位到來前,加固到位。

4.4.2.2 備好充足的機械,以及合攏所需的土源。合攏前,在攏口附近堆放充足的土方,準備推土機、挖機等,合攏最佳時機到后,及時將土方推入攏口,及時斷流,及時加固。

為此合攏前,我方將詳細調(diào)研水文水量等情況,確定攏口的位置、寬度等,制定好合攏實施方案,并預先進行演練,確保圍堰一次合攏成功。

4.4.3 施工圍堰填筑措施

4.4.3.1 圍堰填筑前,為了確保填筑的圍堰與堰基和填筑的接合面有良好的結(jié)合,利用挖泥船進行圍堰基底清淤,保證圍堰的防滲性能。

4.4.3.2 為了確保圍堰的填筑質(zhì)量,所用圍堰填筑土料選用粉質(zhì)粘土。

4.4.3.3 圍堰內(nèi)積水抽干過程中,堰體的邊坡穩(wěn)定情況進行24 小時觀察,同時對堰體持續(xù)進行加固后戧,防止出現(xiàn)險情。堰內(nèi)積水抽干后,土方機械立即對圍堰內(nèi)側(cè)坡加寬加高,并逐層碾壓。

4.4.4 圍堰與現(xiàn)狀擋墻接頭的處理

根據(jù)選擇的長江側(cè)圍堰位置,圍堰施工時,圍堰與現(xiàn)狀擋墻接頭處如不加處理,則可能造成滲水等安全隱患。故我方對圍堰與現(xiàn)狀擋墻接頭處采取灌漿處理,使接頭更加穩(wěn)固、防滲。施工位置為長江側(cè)圍堰與現(xiàn)狀擋墻接頭處,施工范圍為圍堰頂至長江側(cè)圍堰閘塘側(cè)坡腳處。灌漿施工底高程為-5.0m,頂高程高出現(xiàn)狀擋墻1m。我方配備一臺套SYB50-45II 型注漿機進行灌漿施工,水泥采用P.O42.5 水泥,水灰比為0.6-0.8。

4.5 圍堰防護及維護

4.5.1 圍堰維護

施工期間對施工圍堰采取以下維護措施:

在圍堰填筑完成后,為了防止影響圍堰遭受雨水沖刷、風浪沖刷等,在長江側(cè)圍堰迎水面采用模袋砼進行防護,在圍堰背水坡腳采取導滲防護措施。

長江側(cè)施工期防洪最高水位取100 年一遇設計高潮位7.56m,按浪高0.5m,加高0.8m,則圍堰頂高程為9.00m,圍堰頂寬7m,圍堰邊坡1:3～1:4,圍堰底寬103.5m(防滲長度L=10.56×9=95.04m)；圍堰在迎水面上設C20 模袋砼(厚20cm)加以防護。

4.5.2 圍堰觀測、防護

4.5.2.1 圍堰填筑完成后,將在外河側(cè)及內(nèi)河側(cè)設置水位標尺,在圍堰上設置穩(wěn)定觀測監(jiān)控點,正常擋水期內(nèi)定期觀測和記錄圍堰外側(cè)的水位、圍堰的位移、沉降、邊坡的穩(wěn)定性,若發(fā)生位移、沉降、裂縫等現(xiàn)象,將對圍堰進行加寬,對裂縫處開挖、分層夯實,必要時將在圍堰的內(nèi)側(cè)施打阻滑樁。

4.5.2.2 由于施工期間可能因臺風、暴雨等原因?qū)е潞铀蠞q,項目部成立防臺搶險突擊隊,同時配備足夠的塊石、草包、木樁等搶險物資,并安排專人對圍堰進行觀測檢查,并做好包括內(nèi)外河水位的觀測記錄,并及時匯報發(fā)現(xiàn)的意外情況。及時在圍堰頂采取施打子堰加高等應急措施,在臺風或高水位期間確保圍堰萬無一失。

4.5.2.3 施工期間,在長江側(cè)圍堰外側(cè),設置警示燈,在距圍堰外側(cè)20m 處設置航標指示燈,防止船舶撞擊圍堰。

4.6 圍堰的拆除

拆除前,等待河道內(nèi)灌水達到圍堰內(nèi)外水位基本持平,利用挖掘機等施工設備將圍堰水上部位的土方挖出,棄土運至于棄土區(qū)內(nèi)；對圍堰水下土方,采用2m3抓斗式挖泥船進行拆除,圍堰拆除土方全部作棄土處理,運至棄土區(qū)堆放。

5 結(jié)論

5.1 加強施工圍堰監(jiān)控

本工程主體施工時在長江側(cè)及內(nèi)河側(cè)設有施工圍堰,施工圍堰填筑完成后,認真落實圍堰的觀測和維護加固措施。

5.2 認真做好汛前檢查,組織抓緊實施汛前工程項目

汛期來臨前,對已開工圍堰工程認真進行一次復查。

5.2.1 對圍堰內(nèi)外側(cè)防護進行全面檢查,修補。

5.2.2 對工程施工排出水口進行加固,確保不對圍堰形成沖刷。

5.2.3 施工期間對施工場地范圍內(nèi)的防護及排水設施進行全面建成,對已破壞和有安全隱患部位進行修復和加強,疏通排水溝等排水設施,保證暴雨來臨時基坑排水順暢。