青弋江干流節(jié)制閘工程施工導(dǎo)流設(shè)計

葉 森 曹 波 李堰洲

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010;2.長江水利委員會長江工程建設(shè)局，湖北武漢 430010)

青戈江分洪道工程由三部分組成:分洪河道及兩岸堤防工程，青弋江干流節(jié)制閘工程、八尺口排水閘(站)、支叉河連通閘及分洪道沿線受影響的排水泵站和排水涵閘等建筑物工程，跨越分洪道的交通工程。青弋江干流節(jié)制閘工程作為分洪道工程的主要樞紐建筑，將使分洪道工程防洪作用更為顯著、更為有效。

1 導(dǎo)流方案比選

青弋江洪水主要由暴雨形成，汛期流量大。結(jié)合該工程實際情況，通過對施工進度進行分析，決定采用枯水期圍堰擋水的導(dǎo)流方式。青弋江干流節(jié)制閘為2級建筑物，相應(yīng)地導(dǎo)流工程建筑物等級為4級。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》(SL303-2004)［1］，枯水期圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)取 10 ～ 4月10%頻率洪水2120 m3/s。結(jié)合工程特點和地形地質(zhì)條件，提出了導(dǎo)流明渠泄流方案(方案1)和分洪道泄流方案(方案2)進行比選。

(1)方案1。閘址的兩岸地形不對稱，左岸為河灘地較平緩，導(dǎo)流明渠布置于左岸，明渠總長約880 m，進口高程6.0 m，出口高程5.5 m，底寬160 m;明渠內(nèi)最大平均流速約2 m/s，明渠開挖邊坡為土質(zhì)，因此需采取防沖保護措施。在明渠壩軸線以上50 m及以下400 m范圍內(nèi)的底板、兩側(cè)邊坡及開口線外10 m灘地，布置厚30 cm的鋼絲石籠護墊。

(2)方案2。節(jié)制閘施工待三埠管以上分洪道設(shè)計過流量為2500 m3/s、滿足枯水期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，且分洪道施工完成并具備分流條件后，可利用已建分洪道泄流，導(dǎo)流建筑物僅需布置上、下游土石圍堰。

經(jīng)比較，兩方案在枯水期的圍堰規(guī)模相當(dāng)。方案1增加了75.5萬m3的明渠開挖，石籠護墊10.5萬m2;方案2則充分利用永久分洪道，工程量較小，雖然需待分洪道具備分流條件后才能實施節(jié)制閘，工程總工期延后約6個月，但分洪道分流后已具備一定的防洪能力，對工程發(fā)揮效益影響有限。經(jīng)綜合比選，推薦采用方案2，即節(jié)制閘施工安排在三埠管以上分洪道施工完成并具備分流條件后進行;采用在枯水期圍堰保護下于10～4月施工節(jié)制閘至高程16.5 m以上、分流建筑物為已建成分洪道的導(dǎo)流方案。

2 導(dǎo)流程序及標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工程施工總進度計劃，施工導(dǎo)流程序如下:

(1)第1年7月開始施工準(zhǔn)備，修建場內(nèi)外交通道路、營地等;8月施工分洪河道及兩岸堤防工程、八尺口排水閘(站)、支叉河連通閘及分洪道沿線受影響的排水泵站和排水涵閘等建筑物工程。第4年9月底完成三埠管以上分洪河道及兩岸堤防等工程。

(2)第4年10月施工干流節(jié)制閘枯水期圍堰和基坑抽水;第4年10月下旬～第5年1月底，完成水泥土攪拌樁施工;第4年11月下旬～12月下旬進行船閘、水閘基礎(chǔ)開挖，隨后進行船閘引航道及水閘消力池等部位開挖，至第5年2月第完成。第4年12月下旬～第5年4月底進行船閘、水閘高程16.5 m以下混凝土澆筑。第5年5月初開始圍堰拆除，同時繼續(xù)進行船閘、水閘高程16.5 m以上混凝土澆筑，至第5年8月中旬完成。第5年8月中旬開始進行閘門及機電設(shè)備安裝，至第5年12月中旬前完成，工程完建。

根據(jù)采用的導(dǎo)流方案，上游圍堰按上游來流量為2120 m3/s時，分洪道過流對應(yīng)的上游水位12.26 m設(shè)計。考慮到區(qū)域內(nèi)水網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜，下游圍堰則按上游來流量2120 m3/s時對應(yīng)水位10.77 m設(shè)計。導(dǎo)流建筑物設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及其特征水位見表1。

表1 青弋江干流節(jié)制閘導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

3 導(dǎo)流建筑物設(shè)計

3.1 圍堰斷面設(shè)計

根據(jù)計算水位，上游土石圍堰、下游土石圍堰的堰頂高程分別取14.0 m和12.5 m，堰頂寬均為10 m，上、下游土石圍堰兩側(cè)邊坡坡比均依次為1∶3、1∶6，其中上游土石圍堰迎水側(cè)和背水側(cè)平臺高程均為9.0 m，平臺寬度均為15 m;下游土石圍堰迎水側(cè)和背水側(cè)平臺高程均為7.5 m，平臺寬度均為15 m;為防止水流對圍堰邊坡的沖刷，在上、下游圍堰迎水側(cè)高程6.85 m以上布置30 cm袋裝壤土防護。上游土石圍堰與左岸灘地相接的子堤用袋裝壤土加高至14.0 m。

由于圍堰地基承載力較低，為確保圍堰施工期的穩(wěn)定性，在施工過程中圍堰各部分應(yīng)均衡上升。

3.2 圍堰邊坡穩(wěn)定分析

(1)計算方法及工況。參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)，圍堰穩(wěn)定計算選用簡化畢肖普法［2］。

(2)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)取值。根據(jù)地質(zhì)建議值，圍堰填料及其基礎(chǔ)各土層的物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

(3)計算斷面。根據(jù)本工程地形地質(zhì)條件、圍堰高度及基坑深度，選取河床段最大堰高剖面進行圍堰邊坡穩(wěn)定分析，如圖1，圖2。

表2 圍堰填筑料及堰基土層設(shè)計參數(shù)

圖1 上游土石圍堰典型斷面

圖2 下游土石圍堰典型斷面

(4)計算工況及結(jié)果。參照《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274-2001)及圍堰的施工、運行條件，核算以下工況的邊坡穩(wěn)定性:①穩(wěn)定滲流期的背水坡;②水位降落期的迎水坡。各計算工況及穩(wěn)定分析內(nèi)容見表3。

表3 圍堰邊坡穩(wěn)定計算工況

根據(jù)上述計算參數(shù)、水位等，圍堰典型斷面的穩(wěn)定計算結(jié)果見表4、圖3～圖6。

表4 圍堰穩(wěn)定計算成果

圖3 上游圍堰擋水期背水坡穩(wěn)定計算成果

圖4 上游圍堰水位降落期迎水坡穩(wěn)定計算成果

圖5 下游圍堰擋水期背水坡穩(wěn)定計算成果

圖6 下游圍堰水位降落期迎水坡穩(wěn)定計算成果

從表4可知，各工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，圍堰邊坡穩(wěn)定滿足要求。計算結(jié)果表明，堰基中淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土的摩擦角只有5.5°，對圍堰邊坡穩(wěn)定的影響較敏感，圍堰布置了多級反壓平臺，但基坑開挖不當(dāng)仍會導(dǎo)致圍堰失穩(wěn)。因此，基坑內(nèi)開挖起坡線距圍堰背水側(cè)坡腳應(yīng)控制在15 m左右，基坑開挖保證5m一級平臺，平臺寬度為20 m，開挖坡比大于 1∶6(或采取壓坡措施)［3］。

3.3 圍堰填料設(shè)計

圍堰填筑料為利用料，分別為開挖的層砂層壤和淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土。填筑土料分水上和水下兩部分，水上部分填筑層砂層壤，并要求分層碾壓，壓實干容重大于1.65 t/m3(最終應(yīng)根據(jù)壓實實驗確定);水下部分填筑淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土。

4 結(jié)語

(1)青弋江干流節(jié)制閘工程采用枯水期圍堰擋水、已建分洪道泄流的導(dǎo)流方案施工，充分利用了永久建筑物的泄流能力，在枯水期內(nèi)施工節(jié)制閘至水面高程16.5 m以上，汛期繼續(xù)澆筑完成。如本工程安排在三埠管以上分洪道完成前施工，則需增加導(dǎo)流明渠，該導(dǎo)流方案省去了明渠開挖及防護，節(jié)省了工程投資。

(2)對軟土地基上采取利用料填筑圍堰，利用力的平衡原理，通過設(shè)置反壓平臺，并充分考慮基坑開挖對圍堰穩(wěn)定的影響，經(jīng)過理論計算以論證其結(jié)構(gòu)的合理，可為類似工程設(shè)計提供參考。

［1］ SL303-2004.水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 馬永鋒，石 裕，萬啟宣.淤泥地基上模袋砂圍堰設(shè)計與關(guān)鍵性施工技術(shù)［J］.人民長江，2007(2):32～33.