典型圍堰在小型水利工程中的應(yīng)用研究

李旭升

摘要：針對(duì)圍堰在水利工程中的重要作用，詳細(xì)分析說明了水利工程圍堰的作用和類型，以廣州市南沙區(qū)橫瀝工業(yè)園外江水閘泵站工程為例，對(duì)工程的外圍堰和內(nèi)圍堰進(jìn)行分析，對(duì)不同的圍堰方案進(jìn)行比選，最終選擇技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可靠者為推薦方案，為類似工程圍堰的選擇提供了參考。

Abstract： In view of the important role of cofferdams in water conservancy projects， the role and type of hydraulic cofferdams are analyzed in detail. The external water pumping station project of Hengli Industrial Park in Nansha District of Guangzhou City is taken as an example， the external and inner cofferdam are analyzed， and the different cofferdam schemes are compared. The final selection technique with feasible and the economical reliability is taken as the recommended scheme， which provides a reference for the selection of similar engineering cofferdams.

關(guān)鍵詞：水利工程;施工導(dǎo)流;圍堰

Key words： hydraulic engineering;construction diversion;cofferdam

0? 引言

近年來，由于部分地區(qū)極端天氣問題比較突出，尤其是沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨等嚴(yán)重危害人民生命及財(cái)產(chǎn)的安全的災(zāi)難性氣候，為此，國(guó)家也加大了對(duì)基礎(chǔ)水利設(shè)施的投入，用于改善現(xiàn)有的行洪、排澇能力不足的現(xiàn)狀。施工導(dǎo)流是水利工程中重點(diǎn)，而施工圍堰又是施工導(dǎo)流的重要組成部分，鑒于此，本文就根據(jù)典型圍堰形式在工程實(shí)例中的運(yùn)用展開討論，期望對(duì)相關(guān)工作起到參考作用。

1? 圍堰的作用和分類

圍堰是指水利工程中，為了建設(shè)永久水利設(shè)施，臨時(shí)修建的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。一般用于水工建筑中，用作臨時(shí)性擋水，因此大部分作為臨時(shí)工程，用完后拆除。

圍堰根據(jù)所用材料的不同，可大概分為以下幾種：鋼板樁圍堰、土石方圍堰、膜袋砂圍堰、草土圍堰、木籠圍堰、混凝土圍堰等。工程實(shí)施過程中還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐木唧w條件，在滿足圍堰的基本要求的前提下，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇最優(yōu)的圍堰種類。下面對(duì)鋼板樁圍堰、膜袋砂圍堰兩種圍堰形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究并根據(jù)工程實(shí)例進(jìn)行分析。

1.1 鋼板樁圍堰

鋼板樁圍堰是最常用的一種圍堰形式，鋼板樁是帶有鎖口的一種型鋼，其截面形式有直板形、Z形及槽形等。常見的有拉爾森式，拉克萬(wàn)納式等。其優(yōu)點(diǎn)為：材料強(qiáng)度高，容易打入堅(jiān)硬土層;可在深水中施工，且防水性能較好;因其由許多互相連接的單體所構(gòu)成組成，能按需要組成各種外形的圍堰，且可多次重復(fù)使用，因此，它的用途廣泛。在水工建筑中，一般施工面積很大，則常用以做成構(gòu)體圍堰。圍堰所圍護(hù)的范圍很大，不能用支撐支持堰壁，因此每個(gè)單體都能獨(dú)自抵抗傾覆、滑動(dòng)和防止聯(lián)鎖處的拉裂。鋼板樁圍堰適用于深水或深基坑，流速較大的黏性土、砂類土、碎石土及風(fēng)化巖等堅(jiān)硬河床。

1.2 膜袋砂圍堰

膜袋砂圍堰是一種比較新型的圍堰，施工的原理是先用土工布縫制成布袋，使用水力吹填的方法，將砂土充填進(jìn)入袋中，構(gòu)筑成定性的圍堰，隨著砂土的脫水固結(jié)，最后形成一道擋水圍堰，膜砂帶圍堰較其他形式的圍堰，有整體性強(qiáng)，自身穩(wěn)定性好，抗沖刷性強(qiáng)，抗水壓強(qiáng)，可適用于淤泥質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)軟土地基的變形和沉降適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于施工且施工速度相對(duì)較快等優(yōu)點(diǎn)。

2? 實(shí)例分析

本文以廣州市南沙區(qū)橫瀝工業(yè)園外江水閘泵站工程施工導(dǎo)流圍堰為例，進(jìn)行分析。

根據(jù)廣州市南沙區(qū)橫瀝工業(yè)園外江水閘泵站工程地勘資料，本工程場(chǎng)址范圍內(nèi)為厚度較深的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層和淤泥質(zhì)粘土層，地基承載力較低，并且由現(xiàn)狀外江河底面高程較低造成圍堰高度較大。因此，圍堰需采取必要的工程措施以確保一次能安全填筑至設(shè)計(jì)高程。

目前軟土地基處理方法很多，從改善地基狀態(tài)的效果上來說大致可以分為兩類：一種是對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，如排水固結(jié)法、強(qiáng)夯碎石樁法、水泥土攪拌樁和爆破擠淤，這幾類方法通過提高地基土層的強(qiáng)度參數(shù)或形成復(fù)合地基提高地基承載力;另一種是利用力的平衡原理，通過改善地基土體受力狀態(tài)維持圍堰穩(wěn)定，如換填墊層法和反壓平臺(tái)法，具體方案應(yīng)根據(jù)天然地層的條件、地基處理要求和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及施工進(jìn)度等方面進(jìn)行選擇。

根據(jù)沿海地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程外圍堰適合的堰型有鋼板樁圍堰和土工織物模袋充填砂土圍堰。本工程外江圍堰即采用此兩種堰型進(jìn)行比選，選擇技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)可靠者為推薦方案。

2.1 圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算公式

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013），堤身整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧滑動(dòng)法，基本公式如下：

2.2 外圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算工況

本工程外江圍堰穩(wěn)定計(jì)算分兩種工況：

①水位降落期迎水坡穩(wěn)定，水位由施工期外江設(shè)計(jì)水位1.85m降落至多年平均低潮水位-0.65m。

②穩(wěn)定滲流期背水坡穩(wěn)定，計(jì)算在施工期設(shè)計(jì)水位1.85m形成穩(wěn)定滲流的情況下背水坡穩(wěn)定情況。

2.3 外圍堰兩種堰型整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2004），第3.4.12條規(guī)定4級(jí)～5級(jí)土石圍堰，其穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.05，本工程圍堰級(jí)別為4級(jí)，因此其穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.05即滿足要求。根據(jù)設(shè)計(jì)堰型結(jié)構(gòu)和布置，本工程兩種方案堰型穩(wěn)定計(jì)算成果見表1和表2所示。

2.4 堰型方案選定

2.4.1 外江圍堰堰型選定

從表1和表2圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算成果可知，兩種堰型在技術(shù)上均可行，均能保證基坑安全。因此，堰型選擇的因素就可以排除技術(shù)上的可行性，根據(jù)本工程外江地形地質(zhì)條件，影響堰型選擇的決定性因素為圍堰布置和圍堰工程造價(jià)兩方面。

本工程四座外圍堰均需填筑在相應(yīng)內(nèi)河涌出口處，圍堰已伸入外江河道，空間受很大限制，且出口處即為洪奇瀝水道河床岸坡，洪奇瀝水道為航道，常有千噸級(jí)船只通行，若采用土工織物模袋充填砂土圍堰需修筑在岸坡上，輪船通過之后形成的波浪對(duì)圍堰沖擊很大，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，極易失穩(wěn)，為保證穩(wěn)定，土工織物模袋充填砂土圍堰填筑坡度較緩，占地面積過大，對(duì)洪奇瀝水道有較大縮窄，造成水流流速增大，易對(duì)河床造成沖刷，危及兩岸堤防安全，在本工程主體工程修建于內(nèi)河涌出口的情況下，圍堰的填筑還要考慮對(duì)附近建筑物的影響，二涌西出口右岸建有糧食儲(chǔ)備中心高樁碼頭，左側(cè)建有馮馬廟水文站，土工織物模袋充填砂土圍堰占地范圍廣，圍堰軸線需向外河凸出很多，強(qiáng)行實(shí)施填筑圍堰，占地范圍必定影響碼頭和水文站，輕微滑動(dòng)即可造成碼頭和水文站破壞，損失難以估計(jì)，本堰型難以實(shí)現(xiàn)。相比之下鋼板樁圍堰軸線可向內(nèi)河大幅度移動(dòng)，占地范圍大大縮小，能克服土工織物模袋充填砂土圍堰遇到的困難，且所用砂土吹填量少，在兩種堰型施工均需要在水上作業(yè)的情況下，鋼板樁圍堰施工難度并不明顯。造價(jià)方面，經(jīng)計(jì)算，三座鋼板樁外圍堰工程直接費(fèi)為721.62萬(wàn)元（其中一涌西154.70萬(wàn)元、二涌西227.01萬(wàn)元、三涌西339.91萬(wàn)元）;三座土工織物模袋充填砂土圍堰工程直接費(fèi)為1667.44萬(wàn)元（其中一涌西127.87萬(wàn)元、二涌西556.76萬(wàn)元、三涌西982.81萬(wàn)元），鋼板樁圍堰能節(jié)省投資1227.12萬(wàn)元，優(yōu)勢(shì)明顯。因此，從工程布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，鋼板樁圍堰優(yōu)勢(shì)較大，本階段外圍堰選定堰型為鋼板樁圍堰。外圍堰詳見圖1。

2.4.2 內(nèi)河圍堰堰型選定

本工程內(nèi)河河底均比較平緩，河口寬度較小，且河底高程普遍較高，內(nèi)圍堰工程量小很多，兩種圍堰軸線平行或重合，圍堰軸線長(zhǎng)度相差無(wú)幾，雖然土工織物模袋充填砂圍堰依然比鋼板樁圍堰填砂量要大，但因圍堰高度基本一致，且鋼板樁單價(jià)較貴，鋼板樁圍堰在造價(jià)方面相比土工織物模袋充填砂圍堰就無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，再者內(nèi)河場(chǎng)地開闊、施工方便，模袋砂圍堰的施工更方便快捷，因此，初步設(shè)計(jì)內(nèi)圍堰選定堰型為土工織物模袋充填砂圍堰。內(nèi)圍堰詳見圖2。

2.5 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水文計(jì)算成果，外圍堰的枯水期20年一遇設(shè)計(jì)洪水位為1.85m;根據(jù)圍內(nèi)地面高程確定內(nèi)圍堰的設(shè)計(jì)水位為1.00m。除四涌西水閘采用現(xiàn)狀水閘作為施工期外江圍堰外，其余建筑物施工期外江圍堰均采用鋼板樁圍堰。結(jié)合本工程施工場(chǎng)地實(shí)際情況，參照相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程外圍堰考慮采用鋼板樁圍堰，其型式為采用2排拉森Ⅳ型鋼板樁圍閉，中間用鋼管對(duì)撐，鋼筋對(duì)拉，兩樁內(nèi)填充砂形成擋水結(jié)構(gòu)。外圍堰，其設(shè)計(jì)擋水位為1.85m，考慮波浪爬高（0.54m）及安全超高（0.50m），堰頂高程計(jì)算得為2.89m，設(shè)計(jì)取圍堰頂高程為3.00m。內(nèi)圍堰除一涌西水閘采用封堵現(xiàn)狀內(nèi)河二閘作為施工期內(nèi)河圍堰外，其余建筑物施工期內(nèi)河圍堰均采用土工織物模袋充填砂圍堰。內(nèi)圍堰，其設(shè)計(jì)擋水位為1.00m，考慮波浪爬高及安全超高，內(nèi)圍堰的堰頂高程取為1.50m。根據(jù)本工程布置，結(jié)合水閘出口不同的地形條件，除四涌西水閘采用現(xiàn)狀水閘作為外圍堰外的其余三座外圍堰的主體結(jié)構(gòu)型式一致，均為鋼板樁圍閉內(nèi)填砂。根據(jù)外河河床地形，為保證圍堰穩(wěn)定，分別采用不同的壓腳、護(hù)腳型式。

3? 結(jié)語(yǔ)

總之，圍堰的選擇最終還是根據(jù)工程的具體情況，進(jìn)行方案的可行性比較，充分考慮工程的技術(shù)方案以及工程造價(jià)等綜合因素決定圍堰的種類?？偟膩碚f對(duì)于施工時(shí)間短，深水或深基坑，流速較大地質(zhì)情況較好的堅(jiān)硬河床，建議使用鋼板樁圍堰;對(duì)于施工工期長(zhǎng)，水深較淺，流速較小，河床滲透性較小，地質(zhì)條件為較差的工程，適合使用土石圍堰;對(duì)于水深淺，砂源充足，淤泥質(zhì)軟地基基礎(chǔ)的工程適合采用膜袋沙圍堰。

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