嶂山閘除險(xiǎn)加固工程導(dǎo)流擋水圍堰設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)控制

潘德洲吳 海王建新原 亮

嶂山閘除險(xiǎn)加固工程導(dǎo)流擋水圍堰設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)控制

潘德洲1吳 海1王建新1原 亮2

嶂山閘除險(xiǎn)加固工程于2006年汛后開工建設(shè)，2008年汛后全部完成。工程主體工程大部分安排在非汛期施工，施工期間利用擋水圍堰將施工區(qū)上游水源截?cái)?，采用干場作業(yè)。擋水圍堰主要施工內(nèi)容為圍堰填筑施工及圍堰防滲及運(yùn)行保護(hù)等。擋水圍堰施工期擋水高達(dá)8.0m，設(shè)計(jì)填筑方量大、土質(zhì)差（粘土中夾雜大量的砂礓石），還需兼顧主體工程水下部分工程完工前的泄洪，故其安全運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)加固工程能否順利實(shí)施。為此，設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)單位對擋水圍堰進(jìn)行了充分論證驗(yàn)證，保證了加固工程如期順利完成。

一、擋水圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)初設(shè)報(bào)告中地質(zhì)勘察成果建議值及圍堰壩址和斷面，在工程開工前對施工現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，現(xiàn)場取土樣測定填筑土壤力學(xué)性質(zhì)，對其進(jìn)行抗滑和滲流穩(wěn)定驗(yàn)算。臨時(shí)建筑物圍堰按設(shè)計(jì)等級標(biāo)準(zhǔn)3級設(shè)計(jì)。特征值設(shè)計(jì)水位圍堰上游（駱馬湖側(cè)）23.5m，下游水位新沂河側(cè)（閘室底板頂高程）15.0m。

1.堰體填筑料設(shè)計(jì)

土料的填筑質(zhì)量需具有足夠的抗剪強(qiáng)度和較小的滲透性、壓縮性。填筑質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)是土的密實(shí)度和均勻性。對不同等級不同土料填筑的土石壩確定合理的壓實(shí)度，才能使土壩斷面設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)實(shí)際情況，就近選擇上游左右岸邊原興建閘時(shí)的廢棄料場，對土料進(jìn)行取樣復(fù)核各力學(xué)指標(biāo)，確定圍堰工程壓實(shí)度值0.93。

2.圍堰高程

依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式堤頂超高等于波浪爬高加風(fēng)雍水高度加安全加高（Y=R+e+A）確定堤頂高程。風(fēng)速采用汛期多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，水深采用水域平均深度沿計(jì)算風(fēng)向斷面平均水深，風(fēng)浪要素計(jì)算采用了蒲田試驗(yàn)站公式計(jì)算。根據(jù)上述參數(shù)確定及計(jì)算得出代表性斷面超高值即風(fēng)浪爬高1.3m，圍堰安全超高取0.7m，則設(shè)計(jì)圍堰頂高程為25.5m。

3.圍堰布置及斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘察綜合成果建議值表、相關(guān)圖紙，計(jì)算比選確定了該段面。

圍堰下游壩腳距閘底板上游側(cè)300m，圍堰壩址河床底高程15.5m，地質(zhì)土層為粉質(zhì)粘土，含少量砂礓和鐵錳質(zhì)結(jié)核，滲透系數(shù)為6.9×10－8cm/s，為弱透水層。通過現(xiàn)場探測淤泥層很少，壩基條件良好，對堰體穩(wěn)定有利。

上游圍堰選型橫截面為梯形，圍堰軸線距閘底板上游側(cè)350m，長度為460m，頂寬 10m，圍堰頂高程為25.50m，工程圍堰選用土石圍堰。圍堰高程23.5m以下坡比為1∶5.0，高程23.5m以上坡比為1∶3.0。圍堰迎水面鋪設(shè)350g/m2覆膜土工布防滲，并向上游河底鋪進(jìn)10.0m，土工膜幅間搭接1.0m。為防風(fēng)浪波擊破壞采用0.2m×0.2m×0.1m預(yù)制混凝土塊壓蓋，預(yù)制塊中間預(yù)留φ50mm圓孔，用8#鉛絲連接成網(wǎng)，壓護(hù)土工膜，預(yù)制塊縱橫間距均為2.0m。在圍堰迎水面壩肩處高程坡肩處，首先打4m木樁固定，間距2.0m，用于固定預(yù)制混凝土塊。堰頂采用草袋裝土填筑0.4m×0.5m防浪墻。背水側(cè)壩腳設(shè)兩層砂石反濾，反濾層高程為20.0m。圍堰水面以上壓實(shí)度不低于0.93。堰頂做8.0m寬50cm厚泥結(jié)碎石路面，供左右岸交通需要。

4.圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）壩身滲透穩(wěn)定分析

由地勘報(bào)告可知，最大滲透系數(shù)為6.9×10-8cm/s，壩基主要由粉質(zhì)粘土組成，最大滲透系數(shù)為6.9×10-8cm/s，屬于弱透水層，狀況良好，故按不透水壩基均質(zhì)土壩滲流情況計(jì)算滲透穩(wěn)定。

參照地質(zhì)剖面圖，選取一典型斷面為代表，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算程序采用理正巖土系列軟件中《滲流分析計(jì)算程序》，進(jìn)行滲流有限元分析計(jì)算。

計(jì)算條件：上游水位23.50m；下游水位15.50m，圍堰填筑土方的滲透系數(shù)為6.9×10-8cm/s。

滲透穩(wěn)定計(jì)算成果：ho=3.653m，Jab=0.200＜[J]=0.256，壩身的滲透穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿足要求。

（2）壩身抗滑穩(wěn)定分析

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）要求，對壩的迎、背水坡進(jìn)行不同工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)地勘資料，取典型斷面，利用簡化畢肖普法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算程序采用理正巖土系列軟件中的《邊坡穩(wěn)定分析程序》。特征設(shè)計(jì)洪水位23.5m，地震烈度8°。

用簡化畢肖普法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算程序采用理正巖土系列軟件中的《邊坡穩(wěn)定分析程序》。圍堰應(yīng)分別進(jìn)行上游下游邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

式中：K—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；b—單個(gè)土條的寬度（m）；W—條塊重力（kN），浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；U—條塊所受到的浮力；D—條塊所受的滲透力；θ—條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角（°）；α—條塊的滲透力與水平線的夾角（°）；C—土的粘聚力（常數(shù)）；Φ—土的內(nèi)摩擦角（常數(shù)）。

各斷面的計(jì)算結(jié)果見表1。

結(jié)論：各種工況下，壩防抗滑穩(wěn)定計(jì)算均滿足規(guī)范要求。

5.截滲設(shè)計(jì)

根據(jù)水文資料顯示，嶂山閘施工區(qū)域冬季多偏北風(fēng)，吹程較大。為防止風(fēng)浪破壞圍堰，以及增加圍堰截滲效果，在圍堰迎水面鋪設(shè)350g/m2覆膜土工布防滲，并向上游河底鋪進(jìn)10m。土工膜幅間搭接 1m，用 0.2m× 0.2m×0.1m預(yù)制混凝土塊對防滲膜壓蓋，預(yù)制塊中間預(yù)留φ50mm圓孔，用棕繩穿過圓孔鏈接成網(wǎng)以壓護(hù)土工膜，預(yù)制塊縱橫間距均為2m，在圍堰迎水面壩肩處打4m木樁固定。堰頂采用草袋土填筑0.4m×0.5m防浪墻。

二、圍堰填筑施工

上游圍堰于2006年8月20日開始填筑，采用了從兩岸向中間推進(jìn)的進(jìn)占法施工，至2006年10月1日圍堰合龍。圍堰填筑土料從監(jiān)理工程師和業(yè)主指定的閘上游左、右岸毗鄰河道之土場中采取，土料開采深度4.00～5.00m。左岸總?cè)⊥亮?3萬m3，右岸總?cè)⊥亮?7萬m3。

上游圍堰填筑量25.3萬m3，分三期施工，第一期左右岸填筑圍堰至高程23.5m，長度各100m，填筑量約為10萬m3，一期圍堰完成后，修整邊坡及裹頭，宣泄洪水，調(diào)節(jié)駱馬湖水位。泄水過后，清理一期圍堰裹頭，填筑二期圍堰，二期圍堰填筑量約為12.5萬m3。

根據(jù)施工現(xiàn)場的工況條件，圍堰填筑過程中，施工截流期間新沂河水為靜水，圍堰填筑采用進(jìn)占法施工，由兩岸取土區(qū)取土，向河心推進(jìn)。上游圍堰一期填筑頂高程23.50m，典型斷面填筑方量為496m3/m，填筑時(shí)，加強(qiáng)取土區(qū)排水，定期檢測不同開挖深度土料含水量，控制上壩土料的含水量。

圍堰合龍時(shí)，由中間向兩側(cè)填筑，即先填筑圍堰軸線部分，再填筑堤肩部分，將前期壩頭飽和的軟弱土層逐步擠出。

在圍堰合攏后，用長臂挖掘機(jī)座在壩肩按照設(shè)計(jì)坡比對一、二期圍堰進(jìn)行坡面整平后，再分層填筑三期圍堰至25.50m，三期圍堰典型斷面方量32m3/m，填筑時(shí)鋪土厚度25cm，75kW拖拉機(jī)壓實(shí)，排壓時(shí)沿軸線方向由壩肩向中心碾壓，直到面層在全寬、全深度范圍內(nèi)都均勻壓實(shí)。

三、防滲土工膜施工

為增強(qiáng)圍堰的防滲效果，在上下游圍堰迎水面鋪設(shè)防滲土工膜。上游河水深度為8m，土工膜、砂袋和預(yù)制混凝土塊鋪設(shè)一次完成，潛水員將覆膜土工布在堰頂上通過卷軸機(jī)加重芯卷成軸，使一端在堰頂固定，潛水員沿坡面潛入水中進(jìn)行鋪設(shè)。預(yù)制混凝土塊壓重通過水中駁船吊放，潛水員水中作業(yè)連接及碼放。水上部分利用人工鋪設(shè)，外邊在修筑泥結(jié)碎石路面時(shí)，直接壓入墊層下面。

四、堰頂泥結(jié)碎石路面施工

因工期緊，閘室拆除工程和圍堰填筑必須同期施工，且上游圍堰兼顧了左右岸臨時(shí)道路，所以按臨時(shí)施工道路工程進(jìn)行施工控制，選定標(biāo)準(zhǔn)為圍堰頂泥結(jié)碎石路面寬8m、厚80cm。材料選用原閘拆除的混凝土廢渣，按比例摻入1/3的粘土，用挖掘機(jī)在取土場拌和，把拌和好的混合料用運(yùn)輸車運(yùn)至圍堰頂，然后用推土機(jī)分層攤鋪平整并調(diào)整含水量，碾壓方法同施工道路。

五、圍堰設(shè)計(jì)參數(shù)核定

上游圍堰填筑完成后，委托權(quán)威部門對圍堰設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了核定，用地質(zhì)鉆機(jī)在典型斷面壩段的軸線處分4個(gè)鉆孔鉆取土樣（從高程23.50～15.50m），送試驗(yàn)室進(jìn)行分析，驗(yàn)證圍堰設(shè)計(jì)中各種參數(shù)是否準(zhǔn)確，對圍堰安全做出全面評價(jià)。經(jīng)驗(yàn)證，勘探成果與圍堰設(shè)計(jì)中選取的物理力學(xué)參數(shù)非常接近，所以，圍堰的設(shè)計(jì)是合理的、結(jié)論是可靠的，圍堰的抗滑穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定是安全的。

六、結(jié)語

嶂山閘除險(xiǎn)加固工程建設(shè)經(jīng)參建各方共同努力，工程得以順利完成。圍堰工程雖屬臨時(shí)工程，但其安全運(yùn)行對關(guān)鍵線路起到了不可替代的作用。其充分論證的關(guān)鍵技術(shù)、嚴(yán)格的質(zhì)量控制、運(yùn)行期間維護(hù)觀測及相關(guān)的應(yīng)對措施，可為以后類似工程提供參考

表1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

（作者單位：1.淮委沂沭泗局駱馬湖水利管理局 223800 2.南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局天津直管建管部 300000）