周口市東新區(qū)引黃調(diào)蓄工程土方處置方案設(shè)計(jì)研究

和翔

摘 要：調(diào)蓄工程能夠解決需水來水過程不匹配、用水引水不協(xié)調(diào)的局面。在開挖調(diào)蓄水庫的過程中往往存在大量的土方作業(yè)，如何有效處置好大量土方的開挖回填棄運(yùn)等工作是決定調(diào)蓄工程設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵?；诖?，本文以周口市東新區(qū)引黃調(diào)蓄工程為例，分析介紹合理經(jīng)濟(jì)的土方處置方案，通過比選，調(diào)蓄工程采用排水開挖方案進(jìn)行成湖施工，棄土方案采用集中堆放與回填周邊洼地相結(jié)合的處置方案。

關(guān)鍵詞：調(diào)蓄工程;土方開挖;棄運(yùn)方案

中圖分類號(hào)：TV512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0082-03

Abstract： The regulation and storage project can solve the problem of incompatible water supply process and incompatible water diversion. In the process of excavation and storage of reservoirs， there are a lot of earthwork， how to deal with the excavation， backfilling and discarding of a large number of earthwork effectively and reasonably is the key to the success or failure of the project design. Therefore， this paper took the project of diversion and storage of the Yellow River in Zhoukou Dongxin District as an example to analyze and introduce a reasonable and economical earthwork disposal scheme， through comparison， drainage excavation scheme was adopted for Lake construction， and centralized stacking and backfilling of surrounding depressions were adopted for disposal of waste soil.

Keywords： storage engineering; earthwork excavation; abandonment scheme

1 工程概況

隨著社會(huì)的發(fā)展，引黃灌區(qū)對(duì)黃河水資源的需求不斷增長(zhǎng)，黃河水資源供需矛盾日益突出。為從根本上解決上述問題，相關(guān)部門必須轉(zhuǎn)變?cè)械囊S思路，變“隨用隨引”的引黃模式為“引蓄結(jié)合”，以實(shí)現(xiàn)豐枯調(diào)蓄、常蓄備用，既能增加引黃水量，提高農(nóng)業(yè)灌溉率，又可改善生態(tài)環(huán)境。建設(shè)引黃調(diào)蓄工程對(duì)于提高黃河水資源開發(fā)利用，提高農(nóng)業(yè)灌溉保障率以及改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[1]。

周口市東新區(qū)引黃調(diào)蓄工程位于周淮鐵路以東，大廣高速以西，流沙河以南，沙潁河以北;西距周口市中心約7km，東北距淮陽縣約16km，南距沙潁河北堤約2.5km。工程總占地2.7km2，東西向最大跨度4.5km，南北向最大跨度1.2km，正常蓄水位46.0m，總庫容570.74萬m3，利用現(xiàn)有河道自賈魯河向調(diào)蓄工程引水，路線全長(zhǎng)13km;主要功能是農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)蓄，兼顧改善生態(tài)環(huán)境;主要建設(shè)內(nèi)容包括土方開挖回填、庫區(qū)防滲、庫岸護(hù)砌、新建水閘等工程;工程涉及土方量總計(jì)642萬m3。鑒于開挖回填棄運(yùn)工程量較大，直接影響工程投資、工期及效果等，本次重點(diǎn)對(duì)土方處置方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 擬定開挖方案

庫區(qū)開挖施工時(shí)，周圍地下水位對(duì)成庫影響較大。庫區(qū)開挖有兩種施工方法可以選擇，一是帶水開挖方案，二是排水開挖方案。由于庫區(qū)開挖土方工程量較大，不宜采用小型挖掘機(jī)及載重量小的自卸汽車，推薦采用3m3挖掘機(jī)配合32t自卸汽車;建筑物附近的土方工程量小，作業(yè)面也小，采用1m3挖掘機(jī)。

2.1 方案一：帶水開挖方案

庫區(qū)地下水位以上采用挖掘機(jī)直接開挖成型，地下水位較淺時(shí)通過洼沖溝向庫內(nèi)引水，并采用陸水兩用3m3液壓挖掘機(jī)施工，水位穩(wěn)定在1m以上時(shí)，采用100m3絞吸式挖泥船施工。具體方案是：為了減輕在水下開挖成庫后庫岸線護(hù)砌的難度，相關(guān)部門應(yīng)設(shè)置圍堰，施工前首先在庫區(qū)開挖控制外輪廓線內(nèi)退30m再進(jìn)行開挖，排泥池、管可在此30m范圍內(nèi)布置，并橫向填筑格梗，用于挖泥船開挖后吹填翻曬;30m范圍以內(nèi)的庫區(qū)開挖成形后，庫周30m范圍的帶狀部位采用干挖作業(yè)，沿岸線開挖并護(hù)砌，節(jié)省圍堰及抽排水費(fèi)用。護(hù)砌完成之后，由庫內(nèi)向外將剩余土方按設(shè)計(jì)斷面開挖完成。

參照國(guó)內(nèi)很多湖泊或水庫的疏浚經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)單位通過比較耙吸式、絞吸式、鏈斗式、抓斗式和鏟斗式等挖泥船后，采取絞吸式泥船。因其自帶泥泵和吸泥裝置，挖泥時(shí)用絞刀鉸松河底泥土，再用泥泵將泥漿從吸泥管吸入，經(jīng)過排泥管送到岸上或排入泥駁運(yùn)走，適宜于開挖沙質(zhì)土、淤泥等土質(zhì)較松的河底，是現(xiàn)有挖泥船中的一種主要類型。絞吸式挖泥船的作業(yè)過程可以一次連續(xù)完成挖泥、運(yùn)泥、卸泥等工作，是一種效率高、成本低的挖泥船。

水下土方開挖應(yīng)分段進(jìn)行，泥層厚度超過挖泥船一次最大挖泥厚度時(shí)，應(yīng)分層開挖，上層宜厚，下層宜薄。本工程開挖斷面較大，需分區(qū)分條開挖，條與條之間應(yīng)重疊一個(gè)寬度，以免形成欠挖土埂。開挖時(shí)應(yīng)先挖子槽使河道先通后暢，以保證設(shè)計(jì)挖深、減少停工時(shí)間、防止船舶擱淺。絞吸式挖泥船分條開挖時(shí)，為保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的排泥距離，宜從距排泥區(qū)遠(yuǎn)的一側(cè)開始，依次由遠(yuǎn)到近分條開挖，對(duì)比較堅(jiān)硬的重粉質(zhì)壤土，應(yīng)按絞刀切削能力進(jìn)行排泥;對(duì)砂性土，宜取絞刀頭直徑的1.2～1.5倍;當(dāng)土質(zhì)比較松軟時(shí)，可取絞刀直徑的2倍。絞吸式挖泥船在停產(chǎn)和施工期非換樁操作瞬間，嚴(yán)禁將兩根定位極同時(shí)插入河床。開挖水下土方時(shí)，應(yīng)在附近設(shè)置水尺，每天及時(shí)測(cè)讀，并定期核定水尺精度。根據(jù)水位、土質(zhì)及船舶的吃水深度等情況，及時(shí)調(diào)整泥斗下放深度，及時(shí)組織測(cè)量人員測(cè)量河道底標(biāo)高，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)不足的地方進(jìn)行補(bǔ)挖。

卸泥區(qū)可先在成庫工程的紅線范圍內(nèi)卸泥，即從庫中間向兩端開挖，后期岸線整理時(shí)，卸泥在岸上紅線以內(nèi)30m范圍布置沉沙格梗，由近及遠(yuǎn)地進(jìn)行每個(gè)卸泥區(qū)的吹填，使吹填后的水流向卸泥區(qū)外側(cè)排放。按照施工強(qiáng)度和挖泥挾帶的水量進(jìn)行分析，每開挖1m3底泥含水量要達(dá)到3/4，泥水混合物吹填至格梗后，吹填積水應(yīng)待泥沙沉淀好后才能排放，疏導(dǎo)排放積水，防止浸漫周邊地塊和對(duì)河溝產(chǎn)生新的沖刷和淤積，排水時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)工期影響較大。

該方案中，總開挖土方的60%為挖掘機(jī)開挖，可直接裝車，運(yùn)距3km;另有40%水下土方由挖泥船開挖，按挖泥船開挖量的0.5%設(shè)置岸上格梗，并按150m3/m的強(qiáng)度設(shè)置吹填排泥管。吹填土方在沉淀后需用三鏵犁翻曬后再采用挖掘機(jī)進(jìn)行二次開挖并運(yùn)輸。經(jīng)分析，挖泥船開挖單價(jià)30.12元/m3，此方案庫區(qū)開挖工程投資為2.89億元。

2.2 方案二：排水開挖方案

為有效降低施工期庫內(nèi)地下水位，方案二采用排水后挖掘機(jī)開挖。洼沖溝正常情況下受新運(yùn)河回水影響，水位較高。據(jù)調(diào)查，洼沖溝水位與庫區(qū)開挖后的地下水位基本持平，采取庫岸扒口向洼沖溝進(jìn)行施工排水的方法不可行。因此，施工單位在開挖至地下水后，應(yīng)采用潛水泵抽水外排方案，即先挖各分區(qū)主導(dǎo)流溝，溝底高程定為41.0m，低于庫區(qū)最低庫底高程42.5m;主導(dǎo)流溝兩側(cè)依次開挖魚刺狀次導(dǎo)流溝，溝底高程42.5m。按照地質(zhì)報(bào)告，庫區(qū)地下水位平均為43.75m，面上余水約1.2m，采取后退式開挖作業(yè)，不會(huì)影響挖掘機(jī)施工。將庫區(qū)分解為若干施工面同時(shí)開工，用挖掘機(jī)退挖，直接上車外運(yùn)。庫區(qū)5個(gè)分區(qū)共設(shè)置7個(gè)排水口，在主導(dǎo)流溝與洼沖溝交界處設(shè)置集水井，地下滲水通過各集水井內(nèi)的水泵排向庫外洼沖溝。經(jīng)計(jì)算，庫地下水位日滲水量1.5萬m3，按總施工工期17個(gè)月來計(jì)算，地下水位出露后的工期約占總工期的1/4，施工期總的排水量為225萬m3。

該方案最簡(jiǎn)單，所有開挖方均為挖掘機(jī)施工，開挖后直接裝車，自卸汽車運(yùn)輸。根據(jù)庫周回填區(qū)設(shè)計(jì)分析，單價(jià)20.75元/m3，成庫開挖投資為1.77億元。

2.3 方案比選

方案一的優(yōu)點(diǎn)主要包括施工難度低，施工經(jīng)驗(yàn)豐富，無需抽排地下水，不會(huì)引起周邊地下水環(huán)境變化和地質(zhì)問題。缺點(diǎn)是水下開挖時(shí)，庫區(qū)豎向體型難以控制，尤其庫區(qū)主要是砂壤土、中粉質(zhì)壤土，很難按設(shè)計(jì)體型開挖，可操作性差;因水下開挖，開挖料含水量高，大量的泥沙運(yùn)輸困難，難以堆放，施工期影響周邊環(huán)境;建筑物施工時(shí)由于水位較高，降水和圍堰費(fèi)用較大;為了進(jìn)行庫岸護(hù)砌，需二次開挖庫岸線，對(duì)已施工岸線造成不利影響;工程投資偏大。

方案二為常規(guī)施工方法，具有施工工藝簡(jiǎn)單;開挖斷面可控，在庫底開挖時(shí)可根據(jù)具體情況對(duì)庫底形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，沒有施工工藝限制;干槽成庫，庫岸護(hù)砌可同期施工的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是庫岸由砂壤土及中粉質(zhì)壤土組成，屬于弱透水層，施工時(shí)必須不間歇排水，會(huì)引起周邊地下水位下降，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞;施工期庫內(nèi)無水，影響景觀效果。

以上兩個(gè)成庫方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，筆者通過對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行論述和詳細(xì)比較得出結(jié)論，方案二在投資上占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，推薦采用方案二。

3 棄土處置方案

庫區(qū)土方開挖料較大，可作為自然地面回填料，土壤酸堿度、土壤含鹽量等指標(biāo)不會(huì)對(duì)庫區(qū)環(huán)境造成負(fù)面影響。庫區(qū)開挖料首先進(jìn)行庫周堤防填筑，剩余土方棄至規(guī)劃的棄土場(chǎng)地。東新區(qū)在整體規(guī)劃豎向高程時(shí)應(yīng)考慮水庫挖方，整平并適當(dāng)抬高建設(shè)區(qū)域。庫周回填地面高程應(yīng)滿足防止鹽堿化臨界水位、地面建筑要求安全高度的要求。

棄土處置方案受建設(shè)工期、土地征用指標(biāo)、開發(fā)建設(shè)模式、周邊城市規(guī)劃深度和建設(shè)進(jìn)度等諸多因素影響，棄土處置應(yīng)因地制宜，綜合考慮上述因素進(jìn)行合理確定。近期選擇棄土集中堆放，按堆高25m匡算，占地約33hm2，有利于工程實(shí)施，社會(huì)影響相對(duì)較小;遠(yuǎn)期棄土與南部低洼區(qū)的回填相結(jié)合，可以緩解該區(qū)域農(nóng)田的除澇問題，并與城市建設(shè)相結(jié)合，減少城市建設(shè)成本，有利于區(qū)域排水，但應(yīng)加強(qiáng)綜合協(xié)調(diào)力度，保證工程順利實(shí)施。

4 土方挖填平衡分析

為減少土方運(yùn)距，降低工程投資，施工單位應(yīng)根據(jù)各個(gè)分區(qū)開挖方量、回填區(qū)域的回填高程、回填面積，確定各個(gè)區(qū)域的回填方量，結(jié)合防洪排澇、交通、地面排水、城市景觀等方面的綜合要求，對(duì)自然地形進(jìn)行利用、改造、確定坡度、控制高程和平衡土方，對(duì)回填區(qū)域進(jìn)行整體規(guī)劃。

本著節(jié)約投資、加快工程進(jìn)度的原則，施工單位應(yīng)統(tǒng)籌各分區(qū)土方供需量，在大比例尺的地形圖上，根據(jù)開挖方量的多少，將每個(gè)庫區(qū)再詳細(xì)劃分為各個(gè)不同的部分。繪制各填方區(qū)域“高程-填方量”曲線和各挖方庫區(qū)“水位-庫容”（高程-挖方量）曲線，對(duì)比兩組曲線，查找調(diào)整敏感高程，重點(diǎn)區(qū)域詳細(xì)分析，對(duì)區(qū)域高程、水域岸線高程、庫底高程、道路高程提出建設(shè)性意見，并力求方案最優(yōu)。從“高程-填方量”曲線上查出填方高程對(duì)工程投資的敏感性影響，并通過一些工程措施，使不利影響最小化，工程收益最大化。根據(jù)分區(qū)回填需土量，分區(qū)劃定庫區(qū)供土量及供土開挖時(shí)機(jī)，力爭(zhēng)達(dá)到整體工程土方最優(yōu)調(diào)配，運(yùn)距最短，并使挖、運(yùn)、填一步到位，堅(jiān)決避免二次倒運(yùn)產(chǎn)生不必要的投資浪費(fèi)。根據(jù)回填需土量，調(diào)整開挖方案，統(tǒng)籌親水、生態(tài)、水質(zhì)交換等各種因素，并充分考慮挖填方松實(shí)系數(shù)的影響，進(jìn)行庫底形態(tài)重塑。

通過采取有效的工程措施進(jìn)行合理調(diào)配，在保證各區(qū)域功能不受洪澇和次生鹽堿化影響的前提下，提出最優(yōu)土方平衡方案、最短距離內(nèi)的土方平衡調(diào)度計(jì)劃和合理施工順序，挖、運(yùn)、填一步到位，避免二次倒運(yùn)，提出各回填區(qū)域最低設(shè)計(jì)標(biāo)高，最大限度地節(jié)省資金[2]。

根據(jù)各個(gè)方案的比較，本次實(shí)驗(yàn)將開挖區(qū)域共劃分為24個(gè)細(xì)化分區(qū)，將回填區(qū)域細(xì)劃為27個(gè)細(xì)化分區(qū)，根據(jù)各個(gè)開挖分區(qū)開挖土方量的多少及距離遠(yuǎn)近合理確定各個(gè)開挖區(qū)對(duì)應(yīng)的回填區(qū)域;同時(shí)，與本次設(shè)計(jì)的堤頂高程順接，整個(gè)地塊回填呈中間高南北低的地勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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