禹門口東擴(kuò)工程預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道穿越汾河關(guān)鍵技術(shù)研究

王 忠

（山西省汾河灌溉管理局 山西太原030002）

禹門口提水東擴(kuò)工程是山西大水網(wǎng)建設(shè)工程項(xiàng)目之一，工程位于山西省中南部，是向臨汾、運(yùn)城兩市的新絳、稷山、襄汾、候馬、曲沃、翼城六縣（市）工、農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年供水1.61億m3，包括農(nóng)業(yè)和汾河生態(tài)用水8 095萬 m3，工業(yè)供水 8 030萬m3。

提水工程采用內(nèi)徑2 m的PCCP管道，在襄汾段穿越汾河，穿汾工程包括導(dǎo)流、排水、開挖、安裝、回填五大部分。由于此段河道常年流水不斷，地下水位高，附近農(nóng)田一年澆地3次至4次，對(duì)地下水補(bǔ)給充足，加之基礎(chǔ)為流砂，所以工程的導(dǎo)流、排水和圍堰直接關(guān)系到工程的成敗，是工程的關(guān)鍵技術(shù)。

1 自然條件

1.1 地形

PCCP管道工程穿越汾河，長度為340 m。河堤頂高程為402.66 m(左)、402.89 m（右），河心高程為 393.28 m，漫灘高程399.5 m，地形呈U形。

1.2 地質(zhì)

汾河沿線主要地貌為山前沖積傾斜平原區(qū)、汾河河谷、漫灘及階地，地下水位393.55 m。本段河內(nèi)主要發(fā)育一級(jí)階地和三級(jí)階地。地層是新生界第四紀(jì)中更新統(tǒng)，上更新，以及人工堆積層（Qs）。在河道斷面內(nèi)探測三個(gè)孔2K09-5、2K09-6、2K09-7。2K09-5孔深 15 m，地面高程 402.66 m，0～6 m為雜填土、黏土，6～7.2 m砂土、粉細(xì)砂，7.2～15 m中細(xì)砂、砂土；2K09-6孔深15.6 m，地面高程398.15 m，0～1 m為低液粉土含少量礫石，1～2.6 m低液粉土、粉細(xì)砂，2.6～15 m中細(xì)砂、砂砂；K09-7孔深15.6 m，地面高程 402.89 m，0～6 m為粉細(xì)砂，6～7.2 m砂土、粉細(xì)砂，7.2～15 m中細(xì)砂含鐵質(zhì)。

1.3 水文與氣象

根據(jù)當(dāng)?shù)?970年-2000年氣象資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫為13℃，年平均降水量504.8 mm，最大降水多發(fā)生在當(dāng)年7月、8月，年蒸發(fā)量在1 669～1 771 mm。

2 導(dǎo)流

2.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

禹門口提水東擴(kuò)工程等級(jí)為Ⅱ等，根據(jù)水電水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)導(dǎo)則其導(dǎo)流建筑物等級(jí)為Ⅳ等，則土石類型的洪水重現(xiàn)期10～20年。鑒于汾河汛期洪峰流量較大（10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 500 m3/s），多發(fā)生在7月、8月、9月、10月，故工程施工安排在非汛期。非汛期10年一遇的流量286 m3/s，相應(yīng)水位為397.51 m。

2.2 導(dǎo)流方式

管道工程穿越汾河段河寬340 m，岸坡平緩且有可以利用的舊河槽，故采用分段圍堰法導(dǎo)流，就是分期束窄河床，挖引渠進(jìn)行導(dǎo)流。施工中分兩期施工，第一期是在原河槽上游和下游處建圍堰保護(hù)施工，在河上游河槽挖引河到下游；第二期利用原河槽導(dǎo)流。

2.3 引河確定

因工程施工期短，故選在非汛期施工，施工時(shí)河內(nèi)實(shí)際流量為Q=15 m3/s，挖引河將當(dāng)前流量引入下游。根據(jù)現(xiàn)場情況確定引渠為梯形斷面，底寬b取7 m，挖深h取2.3 m,邊坡m取1.5，底坡 i為 3×10-4。

2.4 圍堰設(shè)計(jì)

圍堰是保護(hù)主體工程施工的臨時(shí)性建筑，本工程導(dǎo)流采用兩期兩段朿窄河床修建圍堰。根據(jù)工程條件，為充分利用當(dāng)?shù)夭牧喜捎猛潦瘒?，迎水面坡度?：1.5，為防止沖刷在迎水面鋪設(shè)雙層土工膜，并用50 cm厚的土工編織袋裝土防護(hù)。圍堰的頂高程=設(shè)計(jì)流量286 m3/s的相應(yīng)水位為397.51 m+束窄河床的壅水高度+圍堰的安全超高（取1m）。

束窄河床的壅水高度Z接下式計(jì)算：

式中φ為流速系數(shù)，隨圍堰的平面布置型式而定，為梯形時(shí)取 0.80；ν0為行進(jìn)流速 2.26 m/s；g 為重力加速度，9.81m/s2；νc為束窄河床的平均流速，m/s；Q為導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量取286m3/s；ε為側(cè)收縮系數(shù)，單側(cè)收縮取0.95；A為束窄后的過水面積取170 m3。

經(jīng)計(jì)算壅水高度為1.5 m。因圍堰高度為7 m，屬低土石壩，為便于施工,確定壩頂寬為5 m。

2.5 導(dǎo)流施工要點(diǎn)

1）本工程施工期短，只要綜合考慮避開汛期、灌溉期，合理安排施工，就可提高工程的安全，減少工程投資，保證工程施工質(zhì)量。

2）圍堰要安全可靠，能滿足穩(wěn)定、防滲、抗沖的要求；堰基處理切實(shí)可行，堰體便于與岸坡或已有建筑物連接。導(dǎo)流時(shí)，一期圍堰對(duì)河床的束窄度宜小于60%，縱橫圍堰軸線宜布置成梯形。

3）引河施工應(yīng)和基坑保持一定的安全距離，以保證施工安全和減少基坑內(nèi)水量補(bǔ)給。引河的進(jìn)、出口要加大，其轉(zhuǎn)彎角度因大于直角，以保證水流通暢。引河開挖宜采用最佳斷面法，這種斷面的特點(diǎn)是窄深。由于河道來水不定，當(dāng)來水大于設(shè)計(jì)流量時(shí)可以人工引導(dǎo)水流淘刷岸坡，增大引河的過水能力。

3 基坑排水

目前工程上常用的基坑排水方法有：人工排水、機(jī)械排水和井點(diǎn)排水。人工排水就是將人工基坑內(nèi)的水移出排走；機(jī)械排水就是將基坑中的水體用水泵抽走。這兩種適用于小流量，是排基坑明水。第三種為井點(diǎn)排水，它的適用范圍廣，尤其是流砂地層效果更好，它包括輕型井點(diǎn)、噴井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、深井井點(diǎn)和其它井點(diǎn)等。

3.1 排水方式

本工程基坑水的來源主要是汾河來水通過圍埝側(cè)向補(bǔ)給，基坑周邊的地下水補(bǔ)給，雨水以及工程排水等補(bǔ)給。基坑的特點(diǎn)是：1）滲透性好，基坑處深度15 m內(nèi)大部分是中砂、細(xì)砂、粉細(xì)砂，滲透系數(shù)大、透水性良好，基坑來水有好的通道，給施工排水造成巨大困難；2）地表水補(bǔ)給面積大，基坑用圍堰封閉，上游、下游、側(cè)面都不同程度上有地表水；3）基坑深，基坑從漫灘高程399.5 m到基坑底高程385.44 m，基坑深為14.36 m?；由?，地面來水大，滲透條件好，地下水通道暢通，管道按裝質(zhì)量要求嚴(yán)格，施工中為了實(shí)現(xiàn)干開挖，經(jīng)分析采用深井排水法。

3.2 排水設(shè)計(jì)[1]

3.2.1 確定基坑涌水量

基坑的應(yīng)排水量包括：圍堰和基坑的滲水、降水以及基礎(chǔ)施工廢水等。因施工安排在非汛期，降雨少，圍堰沒有擋水，所以圍堰滲水量和降水量不予考慮，本工程為PCCP管道工程，基礎(chǔ)內(nèi)施工砼少，廢水也少，所以施工廢水量也不予考慮。按下式計(jì)算基坑涌水量：

式中：Q為滲透流量，m3/d，k為滲透基數(shù)，取2 m/d;H為含水層的厚度，取13.5 m；h為基坑內(nèi)水深，取8 m；R為地下水位下降曲線的影響半徑，取200 m；r為基坑面積化為圓井時(shí)的化引半徑，矩形基坑L=200 m,B=50 m,按下式計(jì)算化引半徑：

3.2.2 計(jì)算單井出水量

式中：q為單井出水量；l為濾管（無沙管）有效長度，為1m；r為井管半徑，為0.15 m；V為流速為81.89 m/d。

3.2.3 確定井?dāng)?shù)

據(jù)此，確定井?dāng)?shù)10眼。在基坑左右兩邊均勻布置。

3.2.4 水泵和電源的配備

單井出水量q為77 t/d，應(yīng)選取揚(yáng)程為20～25 m，出水量在2～10 m3/h的潛水泵。因不同地段單井出水量有差異，所以在實(shí)際工作中選用揚(yáng)程為20～30 m，出水量在2～10 t/h的潛水泵。

由于工程線路長，比較分散，所以電源的配備要根據(jù)工地現(xiàn)場的情況確定，接線方便的地方以接線為主，沒有固定電源要配備發(fā)電機(jī)。

3.3 基坑排水施工要點(diǎn)

1）管井安排要科學(xué),在處理基礎(chǔ)地下水位時(shí)，主要是如何確定降低地下水位的方法，本工程采用了管井法降水。這種辦法是否成功，關(guān)鍵取決于施工時(shí)間、井的深度、數(shù)量和位置的布置、泵的抽水量等要素。這些要素成為保證基礎(chǔ)安全施工的必要前堤。

2）井內(nèi)抽水要控制，就是要掌握平衡狀態(tài)，水位降的過快會(huì)造成塌方，過慢又影響施工。在基礎(chǔ)處理和上部建筑物施工中，要科學(xué)正確地掌握排水量，使之既能保證地下水相對(duì)平衡狀態(tài)，又不會(huì)給施工造成不便。

3）施工期間抽水不停。

在整個(gè)工程回填覆蓋前，應(yīng)保持地下水位低于建筑基礎(chǔ)0.5 m以下，這是嚴(yán)格的要求，直到回填后方可停止抽排地下水。

［1］武漢水利電力學(xué)院，成都科學(xué)技術(shù)大學(xué).水利工程施工[M]，北京：水利電力出版社，1983：49-53.