貫流式機(jī)組汛期過流圍堰高效填筑關(guān)鍵技術(shù)研究

劉昌宇 舒磊 肖偉明

【摘要】新干航電樞紐工程處于贛江中游，4～6月為主汛期，二期泄水閘工程過流圍堰于7月進(jìn)行進(jìn)占，7月31日截流，施工期未脫離汛期影響，圍堰施工期過水頻繁。圍堰填筑工期緊，施工難度大。采取自潰式子堰設(shè)計(jì)、設(shè)置預(yù)備沖水口、過水堰護(hù)面結(jié)構(gòu)、裹頭挑流及集料平臺(tái)等施工技術(shù)，在汛期影響下，高效、安全完成過流圍堰填筑為類似工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】過流圍堰汛期填筑；自潰式子堰

1、工程概況

按照合同文件規(guī)定，新干工程采用分期導(dǎo)流方式，分兩期導(dǎo)流，一期工程分別圍左岸船閘及其相鄰9.5孔泄水閘工程、右岸電站廠房（含相鄰1.5孔泄水閘工程），二期工程圍右岸其余13孔泄水閘工程。

二期泄水閘工程圍堰截流須具備如下條件：

⑴ 一期泄水閘工程9孔弧形閘門可正常調(diào)度運(yùn)行；

⑵ 一期泄水閘工程及船閘圍堰已全部拆除完畢；

2017年7月初，項(xiàng)目具備二期泄水閘工程圍堰戧堤進(jìn)占條件，至2017年7月下旬具備二期泄水閘工程圍堰截流條件。

2、水文氣象地址條件

2.1 水文

贛江為雨洪式河流，洪水由暴雨形成。受天氣系統(tǒng)影響，4月～6月份洪水由鋒面雨形成，往往峰高量大；7月～9月份洪水一般由臺(tái)風(fēng)雨形成。一次洪水過程一般為7天～10天，長(zhǎng)的可達(dá)15天，最短的僅為5天。峰型與降水歷時(shí)、強(qiáng)度有關(guān)，多數(shù)呈單峰肥胖型，一次洪水總量主要集中在7天之內(nèi)。

2.2 氣象條件

贛江流域?qū)賮啛釒駶?rùn)氣候，東亞季風(fēng)區(qū)。贛江流域多年平均氣溫在17.2～19.3℃之間，極端最高氣溫41.6℃，極端最低氣溫-14，3℃。流域內(nèi)多年平均降水量在1300～1800mm之間，各站實(shí)測(cè)多年平均蒸發(fā)量為1294～1765mm，最大日暴雨量多出現(xiàn)在4～9月，5～6月以鋒面雨的形式出現(xiàn)使大暴雨更集中，7～9月主要是受臺(tái)風(fēng)影響產(chǎn)生暴雨。流域內(nèi)多年平均風(fēng)速為1.1～2.9m/s，最大風(fēng)速30m/s，相應(yīng)風(fēng)向?yàn)槲鳎╳）風(fēng)。流域多年平均相對(duì)濕度76%～82%，多年平均日照小時(shí)數(shù)l628～1875h，多年平均無霜期252～288d。

二期左岸縱向圍堰為混凝土縱向圍堰，由W3標(biāo)施工，目前已完成。

3、圍堰汛期填筑重點(diǎn)難點(diǎn)

本工程二期泄水閘閘壩屬于反季節(jié)施工，具有需要同時(shí)施工的部位多、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)控制性工期嚴(yán)、施工工藝要求高等特點(diǎn)；過水圍堰設(shè)計(jì)與汛期快速截流是項(xiàng)目成敗的重點(diǎn)，而施工任務(wù)繁重、有效施工時(shí)間短、工期壓力大、施工強(qiáng)度高且集中、施工風(fēng)險(xiǎn)大是二期泄水閘圍堰汛期施工最大難點(diǎn)。

根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃、氣象水情和目前施工準(zhǔn)備情況，二期圍堰填筑時(shí)段為2017年7月1日～2017年8月31日，截流時(shí)間擬確定為2017年7月31日，截流流量為選擇5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s，具有以下特點(diǎn)：

（1）進(jìn)占之前，必須掌握7～8月份工程上游地區(qū)的水情氣象預(yù)報(bào)，針對(duì)可能出現(xiàn)的水情做好相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)防措施；圍堰進(jìn)占的組織機(jī)構(gòu)、設(shè)備人員、技術(shù)方案、物資材料等準(zhǔn)備到位；

（2）二期泄水閘工程圍堰填筑、圍堰防滲、泄水閘工程基礎(chǔ)開挖、基坑排水等存在平行施工問題，相互干擾較大；

（3）二期圍堰填筑時(shí)間短、工期緊，對(duì)設(shè)備的數(shù)量和性能要求高，配備滿足施工強(qiáng)度的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵；

4、過流圍堰關(guān)鍵技術(shù)

4.1 自潰式子堰

當(dāng)贛江來水超過圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)，二期圍堰需要過水與左側(cè)9孔泄水閘聯(lián)合泄流，子堰要求達(dá)到自潰標(biāo)準(zhǔn)，以降低庫區(qū)水位，不對(duì)贛江防護(hù)堤及兩岸居民造成危害。當(dāng)堰前洪水全部漫頂后，子堰自裹頭端至砼縱向圍堰端全部自潰，由于基坑提前已經(jīng)充水，漫頂時(shí)圍堰內(nèi)外水位落差不到2m，過堰水流較為平順。子堰自潰后，洪峰順利通過樞紐下泄，自潰式子堰結(jié)構(gòu)采用粘土填筑結(jié)合土工膜防滲、外部采用石渣護(hù)面。

汛后，堰體損失小，子堰潰決料被沖至圍堰下游邊坡，護(hù)面砼大部完好無損，上游面護(hù)坡塊石基本仍分布在主堰堰頂范圍，上下游恢復(fù)子堰填筑料小，子堰能快速修復(fù)。從基坑撤退洪峰來臨到基坑泄水閘恢復(fù)正常生產(chǎn)，預(yù)計(jì)僅需半個(gè)月。

4.2 充水口布置

當(dāng)贛江通過流量大于8670m3/s時(shí)，上游水位達(dá)到圍堰自潰子堰頂高程，圍堰過水，此時(shí)上游水位為29.5m，下游水位為27m，基坑高程13m，水位落差達(dá)16.5m，為減小圍堰過水帶來的堰體破壞，提前充水至上游主堰體堰頂高程29.5m以上，實(shí)現(xiàn)工程安全度汛。在二期泄水閘下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設(shè)置非常溢洪道作為基坑預(yù)充水缺口，明渠為梯形斷面，充水缺口寬度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，下部采用1.0m厚鋼筋石籠防護(hù)，滿足圍堰及基坑抗沖防護(hù)要求。此外結(jié)合原廠房縱向圍堰遺留的粘土心墻，開挖了一個(gè)充水槽，充水槽長(zhǎng)約25m，為板結(jié)粘性黃土，將水流導(dǎo)引至二期基坑，作為預(yù)備充水口。洪峰期間，基坑預(yù)設(shè)的2處充水口向基坑同時(shí)充水，預(yù)計(jì)充水達(dá)到29.5m高程歷時(shí)6h，充水即可達(dá)到預(yù)期效果。預(yù)充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時(shí)的應(yīng)急避險(xiǎn)措施，規(guī)避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當(dāng)時(shí)因充水口斷面小或位置選擇不當(dāng)?shù)葐栴}而導(dǎo)致圍堰潰決的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 過水堰護(hù)面結(jié)構(gòu)

本工程二期圍堰汛期導(dǎo)流建筑物為左岸9.5孔泄水閘及寬約250m的上下游圍堰過水體臺(tái)形堰，根據(jù)模型試驗(yàn)及基坑充水后的汛期水力學(xué)計(jì)算成果，在設(shè)計(jì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)條件下，堰面最大平均流速為2.9m/s，基坑最大平均流速1.4m/s。類似工程過水堰常采用較厚的混凝土護(hù)面或鋼筋石籠作為過流防沖消能結(jié)構(gòu)，甚至設(shè)置鋼筋砼消能工防沖，成本較大。石虎塘及長(zhǎng)沙樞紐采用噴射掛網(wǎng)混凝土與鋼筋石籠的方式，施工及搶修難度大，施工成本高，施工周期長(zhǎng)，本次設(shè)計(jì)結(jié)合模型試驗(yàn)成果及采取的充水保護(hù)度汛措施，上游圍堰大膽采用了薄層混凝土護(hù)面的結(jié)構(gòu)，在背水坡面采用石渣填筑料進(jìn)行坡腳蓋重，可取得理想的過流防沖效能效果。此外，在主堰體頂部設(shè)置砼齒墻，一定程度上也加了護(hù)面砼板的穩(wěn)定性。而上游圍堰迎水面及下游圍堰均采用適應(yīng)變形能力良好的拋投大塊石及石渣進(jìn)行護(hù)面。護(hù)面設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，施工速度快，總體經(jīng)濟(jì)效能及實(shí)際應(yīng)用效果良好。

5、導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

按照合同文件規(guī)定：二期泄水閘工程枯期圍堰設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按枯期（8月～翌年3月）5年一遇洪水，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為8610m3/s，相應(yīng)上游水位為33.0m，下游水位為31.0m，圍堰堰頂高程按照設(shè)計(jì)水位加波浪爬高值和安全超高值確定，由此確定上下游三枯枯水圍堰堰頂高程分別為34.2m及32.2m。

二期圍堰截流戧堤斷面為梯形斷面，頂寬10m，可滿足3輛20t汽車同時(shí)卸料，戧堤頂高程按不低于截流后的上游最高水位。由此確定截流戧堤頂部高程為▽29.5m；截流戧堤頂寬10m，兩側(cè)邊坡坡比均為1：1.5。

5.1導(dǎo)流工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

⑴ 圍堰布置

泄水閘工程圍堰均為枯水圍堰，包括三枯及四枯枯水圍堰。二期泄水閘工程圍堰包括上游橫向圍堰、下游橫向圍堰、右側(cè)土石縱向圍堰、左側(cè)混凝土縱向圍堰。橫向圍堰右側(cè)與廠房縱向圍堰連接，左側(cè)與縱向混凝土圍堰連接。

上游圍堰起點(diǎn)在廠房縱向圍堰上游側(cè)距壩軸線約125m處，圍堰軸線長(zhǎng)度約283m；下游圍堰從廠房下游圍堰終點(diǎn)向前延伸直至縱向混凝土圍堰，圍堰軸線長(zhǎng)度約270m。

⑵ 圍堰結(jié)構(gòu)

① 三枯上下游枯水圍堰結(jié)構(gòu)

迎水側(cè)及背水面邊坡坡比均為1：2，上下游枯期迎水側(cè)均采用0.6m厚塊石護(hù)坡，下設(shè)0.3m厚過渡層。

按照招標(biāo)文件規(guī)定的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)與模型試驗(yàn)成果，為節(jié)約施工工期，保障汛期度汛安全，參照類似地質(zhì)條件的湖南湘江土古塘航電樞紐工程，采用自潰式子堰代替圍堰拆除的方式：當(dāng)河流上游水位達(dá)到圍堰自潰子堰頂高程，主堰體堰頂高程以上子堰在上游過水時(shí)自潰，圍堰過水。在設(shè)計(jì)導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)條件下，通過適當(dāng)?shù)难呙婕盎臃雷o(hù)措施是可以確保安全度汛的。當(dāng)汛期河水流量在8610m3/s以下時(shí)可繼續(xù)進(jìn)行二期泄水閘工程施工。要求自潰式子堰應(yīng)在汛期河水流量達(dá)到8610m3/s時(shí)能夠自潰，以滿足度汛要求。上游子堰高4.7m，堰頂寬度3m；下游子堰高5.2m，堰頂寬度3m。子堰采用黏土填筑，迎水面邊坡坡比為1：1.5，背水面為1：2，子堰兩側(cè)均采用0.5m厚石渣護(hù)坡。

截流戧堤設(shè)置在上游圍堰，頂寬10m，戧堤頂高程▽29.5m，戧堤邊坡坡比均為1：1.5。

二期右岸縱向圍堰上游側(cè)約60m、下游側(cè)約100m利用原廠房縱向全年圍堰（廠房縱向全年圍堰上游側(cè)拆除至▽34.20m、下游側(cè)拆除至▽32.20m）作為堰體，其余部分采用砂礫料與黏土填筑。

考慮到本工程河床砂礫石覆蓋層較厚，且強(qiáng)透水性強(qiáng)，泄水閘工程枯期圍堰堰基擬采用高噴防滲墻防滲，高噴防滲墻深入強(qiáng)分化巖石以下0.5m。

② 四枯枯水圍堰結(jié)構(gòu)

四枯枯水圍堰在三枯枯水圍堰基礎(chǔ)上重建，結(jié)構(gòu)與三枯枯水圍堰一致。

二期泄水閘工程圍堰三汛期間基坑過水需考慮充水保護(hù)措施，擬在二期泄水閘工程下游橫向圍堰靠混凝土縱向圍堰處設(shè)置非常溢洪道作為基坑預(yù)充水缺口，充水缺口寬度初定20m，充水缺口高程▽26.0m，采用0.5mC15混凝土護(hù)面，滿足圍堰及基坑抗沖防護(hù)要求。

汛期過后，抽排基坑內(nèi)積水，恢復(fù)子堰，在圍堰保護(hù)下進(jìn)行后續(xù)工程施工。

5.2二期圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

⑴ 圍堰邊坡穩(wěn)定分析

圍堰填筑料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圍堰邊坡穩(wěn)定分析一般采用圓弧法和折線法，現(xiàn)采用折線法進(jìn)行分析。

對(duì)于干坡或全部浸于水中的邊坡穩(wěn)定計(jì)算如圖。（過流標(biāo)準(zhǔn)10年一遇）

設(shè)坡上一土粒重為Q，其滑動(dòng)力為Qsinα，抗滑力為Qcosαtgψ，則穩(wěn)定安全系數(shù)為

對(duì)于坡比為1：2砂礫石料邊坡，α=26.5650 ，ψ=300

圍堰填筑材料穩(wěn)定系數(shù)見表2。

對(duì)于部分浸水的邊坡滑動(dòng)面，其計(jì)算方法有考慮和不考慮土塊間的作用力兩類，不考慮土塊間的作用力傳遞時(shí)，計(jì)算偏于安全，各土塊的抗滑力En和滑動(dòng)力Ea的水平分力總和為

計(jì)算成果見表3，結(jié)果表明二期泄水閘圍堰邊坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

⑵ 填筑料選取

根據(jù)模型試驗(yàn)，填筑二期圍堰戧堤時(shí)束窄過流斷面水流流速在1.19m/s～2.36m/s之間，戧堤填筑完畢后通過右側(cè)船閘與9孔泄水閘工程的明渠過流。綜合考慮棱體填筑的防沖指標(biāo)，選取粗卵石及中漂石進(jìn)行填筑較為安全。

各種水深情況下多種填筑材料允許抗沖流速見表4。

6、圍堰汛期高效施工

6.1 確定圍堰高噴參數(shù)

新干泄水閘上下游圍堰體高噴防滲墻上部為人工回填土料、砂礫料、卵石等混合料，下部基巖為紅色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，高噴墻底部伸入基巖深度不低于0.5米。河道基巖地址條件較差，考慮河流施工期長(zhǎng)時(shí)間沖刷，與截流拋填料粒徑影響，戧堤同時(shí)進(jìn)占，戧堤布置于下游減少對(duì)高噴質(zhì)量的影響，同時(shí)對(duì)高噴試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行提高，提升整體防滲墻施工質(zhì)量。

6.2 汛期截流

泄水閘工程三枯圍堰施工重點(diǎn)是河床截流。

① 截流標(biāo)準(zhǔn)

三枯河道截流于2017年7月31日實(shí)施，截流流量為5年一遇7月下旬旬平均流量1750m3/s。相應(yīng)水位為26.5m。

② 截流方式

二期圍堰由于截流前混凝土縱向圍堰已形成，左岸無施工道路至混凝土縱向圍堰，故只能從右岸單向進(jìn)占，截流材料及戧堤進(jìn)占材料均由右岸提供。截流采用上下游戧堤同時(shí)進(jìn)占的截流方式，截流龍口設(shè)置在上游戧堤，從右岸（廠房縱向圍堰）向縱向混凝土圍堰推進(jìn)，由于截流前左側(cè)砼縱向圍堰已經(jīng)形成，截流后左岸9孔泄水閘工程過流，為避免截流時(shí)高速水流對(duì)左岸混凝土縱向圍堰底腳的淘刷，在左岸混凝土縱向圍堰上下游混凝土刺墻處按設(shè)計(jì)斷面各提前預(yù)進(jìn)占20m，作為截流龍口的位置，以降低截流難度，做好堤頭裹頭塊石防護(hù)，下游戧堤略滯后上游圍堰戧堤，以降低水位落差，平衡龍口上下游水位。最后在上游由右岸進(jìn)占立堵合龍。

截流水力學(xué)指標(biāo)見表6

單寬功率=水體容重×龍口單寬流量×龍口水位落差

根據(jù)模型試驗(yàn)成果，截留期最終截流落差為0.3m，最大平均流速2.36m/s。

④ 非龍口段進(jìn)占

從2017年6月開始，先從左岸混凝土縱向圍堰刺墻預(yù)進(jìn)占20m，堤頭采用塊石料進(jìn)行保護(hù)，塊石料采用左岸泄水閘圍堰拆除料。同時(shí)在右岸從電站廠房上游全年圍堰沿二期圍堰戧堤軸線向左岸預(yù)進(jìn)占110m至龍口，并做好防沖裹頭，下游戧堤跟進(jìn)。

⑤ 龍口段拋石及預(yù)制砼六面體拋填

根據(jù)模型試驗(yàn)成果，在設(shè)計(jì)截流標(biāo)準(zhǔn)下的龍口流速將達(dá)到1.15～2.36m/s，因此需在龍口部位用大塊石護(hù)底，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算成果，塊石粒徑為30～50cm。為確保截流成功，通過預(yù)制60個(gè)單重7t的砼六面體在流速和水位落差較大的情況下拋填。每6個(gè)砼六面體串聯(lián)成整體后進(jìn)行拋投，最初流速較大沖刷嚴(yán)重，最終經(jīng)歷了6個(gè)小時(shí)的連續(xù)努力，圍堰成功截流。

6.3 實(shí)施情況

2017年7月21日二期泄水閘圍堰進(jìn)占，2017年8月10日圍堰截流，2017年9月15日圍堰閉氣，2017年11月20日，圍堰加高培厚完畢，具備驗(yàn)收條件。在7月贛江漲水的情況下，成功實(shí)現(xiàn)了汛期圍堰高效施工，樞紐二期泄水閘提前具備施工條件，圍堰進(jìn)占至圍堰閉氣僅僅用了55天，船閘與左岸一期泄水閘閘壩提前蓄水抬高了上游庫區(qū)水位，保證了后續(xù)贛江通航。二期導(dǎo)截流搞工程施工技術(shù)的成功應(yīng)用，泄水閘提前具備施工條件，相比原施工計(jì)劃提前13天進(jìn)行泄水閘底板混凝土澆筑，目前已經(jīng)完成二期13孔底板覆蓋，減少了工程度汛風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)后續(xù)盡快恢復(fù)贛江生態(tài)、增加贛江流域水運(yùn)能力、改善贛江兩岸居民生活環(huán)境，降耗節(jié)能，減少碳排放，優(yōu)化社會(huì)產(chǎn)能結(jié)構(gòu)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展均有積極意義。

7、結(jié)語

采用自潰式圍堰汛期填筑施工技術(shù)后，二期泄水閘混凝土澆筑較合同工期提前13天具備施工條件，預(yù)充水與增加充水口的方式屬于大流量洪峰來臨時(shí)的應(yīng)急避險(xiǎn)措施，規(guī)避了石虎塘船閘圍堰及株洲泄水閘圍堰當(dāng)時(shí)因充水口斷面小或位置選擇不當(dāng)?shù)葐栴}而導(dǎo)致圍堰潰決的風(fēng)險(xiǎn)。自潰式圍堰可以進(jìn)一步優(yōu)化圍堰結(jié)構(gòu)，減少圍堰施工難度，適用于汛期快速施工。繼湖南土古塘自潰式圍堰后再一次成功應(yīng)用，具有施工快，安全的特點(diǎn)，同時(shí)也帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)影響，為類似航電樞紐工程積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2004）；

[2]《水電水利工程圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DL/T5087-1999）；

[3]《江西贛江新干航電樞紐工程施工導(dǎo)流、截流水工模型試驗(yàn)研究》；

作者簡(jiǎn)介：

劉昌宇，（1989.08—），男，湖北宜昌，助理工程師，現(xiàn)從事水利水電工程現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)管理，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)08級(jí)水利水電工程專業(yè)。

肖偉明，（1982.10-），男，湖北宜昌，助理工程師，現(xiàn)從事水利水電工程現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)管理，三峽大學(xué)水利水電工程02級(jí)水利水電工程專業(yè)