萬家寨引黃工程穿越汾河施工方案研究

李江深

（山西省黃河萬家寨水務(wù)集團(tuán)有限公司山西太原030012）

1 工程概況

本次穿越汾河段工程位于太原市尖草坪區(qū)，太嵐線跨越汾河鐵路橋上游約2.45 km 處，樁號(hào)4+577.86～4+958.86，方位為由西南向東北穿越，穿越汾河段長約381 m，呈倒虹布置。

穿汾河工程的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：安裝DN1400鋼管381 m（鋼管壁厚24 mm），左右岸各布置1 座排氣閥井，以及圍堰修筑與拆除、東西堤防部分拆除與恢復(fù)等臨時(shí)工程。

2 工程地形、水文、地質(zhì)情況

穿越汾河處河道段，由于早期任意采砂破壞形成局部沙坑，有的沙坑深達(dá)20 m。主槽在兩岸堤防內(nèi)蛇形擺動(dòng)，寬60～100 m 左右，枯水期河槽較穩(wěn)定，河床裸露，汛期水流大時(shí)漫灘，全斷面過水。

穿汾河段總長381 m，東側(cè)為75 m 岸坡段，中間主河槽段269 m，西側(cè)為37 m 岸坡段。河?xùn)|側(cè)為河灘地，地面相對(duì)高程88.59～93.00 m，河西側(cè)為過水段，該段現(xiàn)狀為早年采砂后形成的沙坑，U 型斷面，最低處河底相對(duì)高程74.00 m，河道內(nèi)相對(duì)水位約90 m。

管基持力層為級(jí)配不良礫及級(jí)配不良砂。

基坑開挖存在涌水問題。據(jù)鉆孔ZK14C-4、5 注水試驗(yàn)，級(jí)配不良礫層滲透系數(shù)為11.8 m/d，級(jí)配不良砂層滲透系數(shù)為2.3 m/d，取二者加權(quán)平均滲透系數(shù)為6.0 m/d。經(jīng)計(jì)算，基坑涌水量為64 890.4 m3/d。

導(dǎo)流建筑物級(jí)別為5 級(jí)，導(dǎo)流按非汛期5年一遇洪水設(shè)計(jì)，泄量為68.6 m3/s。工程安排在非汛期施工。

3 初步設(shè)計(jì)穿河施工方案——圍堰導(dǎo)流大開挖直埋法

初步設(shè)計(jì)穿汾河施工方案為兩期圍堰兩期施工導(dǎo)流的大開挖基坑管道直埋方案。導(dǎo)流方式采用圍堰擋水分期導(dǎo)流河床泄流方式。一期圍護(hù)左岸，填筑一期圍堰，右岸束窄河床泄流，二期圍護(hù)右岸，填筑二期圍堰，左岸已完工部分河床泄流。

一、二期圍堰均采用土石圍堰。一期圍堰長642.0 m，按非汛期5年一遇洪水設(shè)計(jì)，泄量為68.6 m3/s，相應(yīng)水位90.37 m，超高0.5 m，最大堰高17.37 m，頂寬為7.0 m，圍堰迎水面邊坡1∶2.5，背水面邊坡1∶2.5，迎水面采用土工膜防滲、草袋土護(hù)坡，背水面采用土工布反濾、草袋土護(hù)坡。如圖1 所示。

圖1 初設(shè)大開挖直埋法穿汾河橫斷面圖 （單位：mm）

二期圍堰長601.8 m，按非汛期5年一遇洪水設(shè)計(jì)，泄量為68.6 m3/s，相應(yīng)水位90.37 m，超高0.5 m，最大堰高17.37 m，頂寬為7.0 m，圍堰迎水面邊坡1∶2.5，背水面邊坡1∶2.5，迎水面采用土工膜防滲、草袋土護(hù)坡，背水面采用土工布反濾、草袋土護(hù)坡。

圍堰填筑料采用附近2 km 河道內(nèi)的臺(tái)地開挖料、拆除料，就近回填。

圍堰施工后形成基坑，按照?qǐng)D1 在基坑內(nèi)進(jìn)行開挖和建筑物施工。由于河床最低相對(duì)高程為74 m，需再向下開挖約7 m 深度，將形成深度約25 m 的深基坑，基坑開挖存在涌水問題，經(jīng)計(jì)算一期施工基坑開挖涌水量為8.35 萬m3/d，二期施工基坑開挖涌水量為7.73 萬m3/d，在基坑底部一側(cè)設(shè)排水溝，采用明排至河道內(nèi)。選用9 臺(tái)IL250-400 揚(yáng)程38 m，流量560 m3/h，功率132 kW 的單級(jí)立式離心泵。

初步設(shè)計(jì)穿汾河段的建筑工程投資為1 338.6 萬元，施工導(dǎo)流工程投資為1 741.41 萬元，施工排水費(fèi)用為503.35 萬元，合計(jì)3 084.02 萬元。

該方案存在的問題：

1）土方量大，河道內(nèi)水道交錯(cuò)，圍堰土方難以收集，且質(zhì)量差，透水性強(qiáng)；

2）采用土工膜防滲，需水下施工，難度大，且不徹底；

3）工期長，施工排水量巨大；

4）施工基坑深達(dá)25 m，水面線以下24 m，施工安全無法保證。

4 水平定向鉆方案

鑒于初步設(shè)計(jì)施工組織設(shè)計(jì)的穿汾河方案存在的諸多問題，難以實(shí)現(xiàn)，為了避免這些問題，實(shí)現(xiàn)工程穿越，建設(shè)方提出了水平定向鉆方案。

該方案為，自濱河?xùn)|路東側(cè)起鉆，向西從濱河?xùn)|路和汾河河床下穿過，汾河西堤外側(cè)出鉆，然后自西向東拖管就位，長度約900 m。該方案既可避免河道內(nèi)施工，避免東西河堤的拆除與恢復(fù)，又可避免濱河?xùn)|路的穿越施工，施工時(shí)間還不受季節(jié)限制。定向鉆法穿越汾河在太原市有成熟的經(jīng)驗(yàn)，但拖管直徑最大為1.2 m，為穩(wěn)妥起見，本工程選用雙管線，單根直徑為1.0 m，滿足設(shè)計(jì)過水流量。工程投資約1 900 萬元。

為此，組織勘測(cè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了補(bǔ)充地質(zhì)勘察?？辈旖Y(jié)果揭示，河床下存在6 m 左右厚度的砂礫石層。由此定向鉆施工的下坡段和起坡段穿越該層長度較大，不能保證成孔穩(wěn)定，一旦發(fā)生塌孔，無法拖管成功。

5 圍堰平臺(tái)方案

由于地質(zhì)原因水平定向鉆方案未能采用，方案研究的方向只得轉(zhuǎn)回初設(shè)方案的優(yōu)化上。經(jīng)過組織省市水行政部門并邀請(qǐng)專家與參建單位工程人員進(jìn)行研究，提出了圍堰平臺(tái)方案。

圖2 圍堰平臺(tái)法穿汾河橫斷面圖（單位除相對(duì)高程以m 計(jì)，其余為mm）

該方案的基本原理與初步設(shè)計(jì)方案一致，仍是兩期導(dǎo)流，大開挖形成基坑，然后在基坑內(nèi)排水和管道安裝。不同之處在于，初設(shè)布置的是上、下游和縱向圍堰，此方案是沿軸線在主河槽填筑一個(gè)大型施工平臺(tái)，平臺(tái)相對(duì)高程高于水面，再在平臺(tái)上開挖基坑，然后基坑排水、管道安裝。平臺(tái)自西向東延伸直至與東側(cè)灘地連接，形成一道填筑壩體。在灘地上開挖明渠進(jìn)行導(dǎo)流。如圖2 所示。平臺(tái)頂寬52 m，外緣部分相對(duì)高程為91 m，內(nèi)部相對(duì)高程為89.5 m，河水位為89 m。平臺(tái)防滲采用高壓噴射防滲墻垂直防滲。防滲墻沿基坑開挖邊線處置，單排旋噴結(jié)合單排單側(cè)擺噴。防滲墻底部伸入河床下相對(duì)不透水層2 m，墻高約23.5 m。該方案設(shè)計(jì)投資估算約3 000 萬元。

在對(duì)該方案深入研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)挖基坑較大，深度較深，加之水頭較高，防滲墻存在結(jié)構(gòu)剪切破壞問題，經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，需增設(shè)鋼筋籠。另外，灘地段施工時(shí)，由于河床基礎(chǔ)透水性大，其深基坑的防滲措施也需采用防滲墻，設(shè)置鋼筋籠。由此，旋噴樁需改為鋼筋混凝土灌注樁。僅防滲墻一項(xiàng)，投資將達(dá)近5 000 萬元。

由于投資過大，遠(yuǎn)超概算，該方案被終止。

6 頂管方案

對(duì)頂管方案也進(jìn)行了探討和研究，也調(diào)研了解了相應(yīng)工程實(shí)例，但是，由于防滲和止水問題難以解決，加之該段河道存在河卵石層，頂管過程中不可預(yù)見情況較多，對(duì)該方案未再做深入研究。

7 水中沉管法

由于常規(guī)方法均是排水后進(jìn)行旱地施工，“水”的問題成為方案研究的一道屏障，無法逾越。為了擺脫這一問題，方案研究的思路轉(zhuǎn)向了南方。經(jīng)過了解和實(shí)地調(diào)研，引進(jìn)了水中沉管法。

水中沉管法，就本項(xiàng)目來講，總的來說就是：如圖3 所示，對(duì)管道基礎(chǔ)進(jìn)行水下開挖和填筑的同時(shí)，進(jìn)行管道的制作，并將拼裝焊接好的兩端封堵的管道順河流漂浮在水面上，待管基完成后，將管道浮運(yùn)至設(shè)計(jì)管軸線上方的水面上，然后注水使管道下沉，直至坐落在管基上，最后水下覆蓋回填。

圖3 沉管法穿汾河橫斷面圖（單位除相對(duì)高程以m 計(jì)，其余為mm）

工程投入的主要設(shè)備有：1 艘水上挖泥施工船、2 艘開底式泥駁船、2 臺(tái)130 t 履帶吊、救生及檢查艇1 艘、潛水設(shè)備以及一定數(shù)量的浮子和超聲波檢測(cè)儀等。

圖4 水中沉管現(xiàn)場施工圖

主要投入的人員有機(jī)械設(shè)備操作人員、潛水員、測(cè)量人員、質(zhì)量檢測(cè)人員等。

工程于2018年4 開工，6月19日整體沉管成功（見圖4），至9月底管頂覆土回填以及東西堤壩恢復(fù)等全部施工完成，并進(jìn)行了靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)合格，表明該方法在汾河上正式應(yīng)用成功。

8 結(jié)語

水利、熱力、燃?xì)獾雀餍袠I(yè)穿汾河管道工程比較多，投資基本不低于5 000 萬元，有的甚至超億元。本項(xiàng)目按照初步設(shè)計(jì)的方法，再增加可行的圍堰止水防滲措施，投資也將突破5 000 萬元。采用水中沉管法施工費(fèi)用約2 000 萬元左右。筆者在本刊的上期中專門詳細(xì)介紹了該辦法及實(shí)施的過程。