蜂窩井型退水口在吹填退水施工中的應(yīng)用

中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007

1 工程概況

引江濟(jì)淮J010-2標(biāo)項(xiàng)目部渠道開挖主要以水下疏浚施工為主，除了J80+670—J81+020段和J93+625—J94+125段為全斷面干地開挖，其余19.585km河段19m高程以上為干地開挖、19m高程以下為水下開挖疏浚，疏浚施工中產(chǎn)生的泥漿吹填至排泥場，經(jīng)排泥場沉淀后通過退水口使水質(zhì)澄清后流入渠道。如果退水口的位置設(shè)置不合理、退水口形式選擇錯(cuò)誤以及施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等，將會(huì)對(duì)排泥場圍堰安全造成重大隱患，后果十分嚴(yán)重，因此退水口是整個(gè)退水系統(tǒng)的核心部分，關(guān)系到整個(gè)排泥場退水系統(tǒng)能否正常安全運(yùn)行、回水泥漿濃度能否得到有效控制。

2 退水口選型

2.1 老式鋼箱式退水口

老式鋼箱式退水口根據(jù)圍堰內(nèi)泥面堆積高度，通過增減退水口門周邊的擋水板調(diào)節(jié)場區(qū)水位，水流從擋水板頂部溢流至退水口，排入渠道。老式鋼箱式退水口主要存在兩個(gè)問題：一是退水口擋水板存在接縫封堵不嚴(yán)密，將泥漿帶入渠道，使排入渠道的回水含泥量濃度增加；二是水位升高需要增高擋水板，擋水板需要在水下進(jìn)行增高，施工不方便，甚至可能造成增高時(shí)接縫不嚴(yán)，使排入渠道的回水含泥量濃度增加。

2.2 埋管式退水口

埋管式退水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，應(yīng)用方便，不需要投入較多的資金。按照是否對(duì)水位進(jìn)行控制，可以劃分為簡易式、閘池式退水口。該種退水口埋管位置不高，可以滿足流水的正常要求，不會(huì)對(duì)圍堰外坡腳產(chǎn)生很大的沖刷，也不會(huì)對(duì)圍堰交通產(chǎn)生影響。其在應(yīng)用過程中還需要對(duì)土與鋼管結(jié)合部位進(jìn)行防滲透加強(qiáng)處理，避免產(chǎn)生決口事故。但是埋管式退水口存在不足之處，會(huì)隨著圍堰內(nèi)吹填平面的不斷抬升而變高，增加了大量重復(fù)埋設(shè)的工作量，多用于泥漿含量較低的砂土類吹填施工。在高圍堰的情況下，內(nèi)外水面會(huì)產(chǎn)生很大的壓差，可以利用虹吸鋼管埋設(shè)到堰頂來進(jìn)行排水，可避免退水口部位管道壁產(chǎn)生滲漏，也可為安裝與拆卸提供便利。

2.3 溢流堰式退水口

溢流堰式退水口一般采取抬升吹填區(qū)域的水位，在堰頂部位將尾水溢出至排水渠內(nèi)，避退水口出水對(duì)圍堰水流形成過大的干擾，對(duì)降低尾水淤塞泥漿污染有著很好的效果。堰體結(jié)構(gòu)設(shè)置比較簡單，有著很好的安全性、耐用性，比埋管式退水口對(duì)圍堰水流擾動(dòng)小，可以促進(jìn)吹填泥漿的沉淀，降低泥漿對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染。但溢流堰式退水口的缺點(diǎn)在于會(huì)對(duì)堰上交通產(chǎn)生阻隔，需要較多的維護(hù)工作量。如果吹填區(qū)容積不斷變少，退水路徑會(huì)變得更短，沉淀的泥漿會(huì)對(duì)水渠下游產(chǎn)生影響，存在淤塞與污染的風(fēng)險(xiǎn)。溢流堰式退水口可以應(yīng)用到尾水泥漿較大、退水路徑較長的疏浚吹填水利工程項(xiàng)目，需要根據(jù)吹填厚度改變情況來加高堰頂，進(jìn)而得到更淺的溢流高度。針對(duì)高度較大的圍堰吹填工程項(xiàng)目，退水口堰頂高度不斷變大，會(huì)使堰體安全性變差，需要根據(jù)實(shí)際情況來慎重選擇。在實(shí)際的工程項(xiàng)目施工過程中，如果對(duì)堰壁進(jìn)行加固處理，采用活動(dòng)閘板來對(duì)水位、排水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，就會(huì)轉(zhuǎn)變成薄壁堰式退水口。

2.4 豎井式退水口

豎井式退水口結(jié)合了埋管式、溢流堰式退水口優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的退水口，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理，操作更為安全可靠。豎井式退水口一般設(shè)置在距離出水口較遠(yuǎn)位置，可以提高泥沙沉淀效果，主要由活動(dòng)閘板、底座、橫撐等構(gòu)成，底座采用塊石混凝土澆筑而成，立柱每間隔一定距離采用鋼筋混凝土與預(yù)制橫撐相連接，設(shè)置有閘板槽，中部設(shè)計(jì)有退水涵管，底部再采用砂卵石作為墊層，中間再設(shè)置有兩道防滲墻，合理設(shè)計(jì)涵管坡降。

吹填區(qū)存在的尾水可以通過排水渠引入河流，避免出現(xiàn)沖刷、淤積等問題，還可以防止泥漿對(duì)附近生態(tài)環(huán)境造成污染。豎井式退水口位置需要設(shè)置在排泥管出口部位，可以有效提高泥沙沉淀效果。豎井式退水口施工需要使退水涵管與豎井、防滲墻相互的接縫部位保持良好的密封條件，避免涵管出現(xiàn)滲漏。退水渠的設(shè)置需要保證有平順的坡降，入河口部位還應(yīng)該配有抵消沖能的設(shè)施。在疏浚吹填施工過程中，需要增加閘板來提升吹填區(qū)域的水位，進(jìn)而得到寬淺適宜的溢流，避免出水口水流產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，對(duì)改善泥沙沉淀效果發(fā)揮著積極作用，還可以防止出現(xiàn)水土流失、泥漿污染等問題，使施工尾水達(dá)到含漿量控制規(guī)范要求。退水從涵管部位排放出來，可以更好地保證圍堰安全，也不會(huì)對(duì)堰上交通造成影響，缺點(diǎn)在于施工過程較為復(fù)雜，需要投入較多的資金。

3 蜂窩井形式退水口設(shè)計(jì)

蜂窩井形式退水口設(shè)計(jì)充分結(jié)合施工作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際條件，對(duì)排泥容量、施工設(shè)備、棄土高度、圍堰結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面分析，確定最為科學(xué)合理的余水深度，應(yīng)用水力學(xué)相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算，確定退水口每個(gè)部件的合理尺寸。井口高度需要保證水流呈現(xiàn)出自由流狀態(tài)，可以進(jìn)行初步消能，但還需要考慮水流對(duì)出口區(qū)段的影響，對(duì)退水口安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，確定最為合理的結(jié)構(gòu)尺寸；做好余水深度的估算，確定退水土方的流失量，這樣可以更好地控制成本；做好受力分析與最大應(yīng)力計(jì)算，避免構(gòu)件出現(xiàn)變形，內(nèi)部設(shè)置的立柱具備足夠的剛度，保證在一定的水位條件下，退水口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不會(huì)受到排泥場風(fēng)浪影響，還可以保證立板的穩(wěn)定性。豎井結(jié)構(gòu)具備的整體剛度需要滿足施工要求，使出水口溢流保持順暢。圍堰土方回填作業(yè)前，需要做好全面檢查工作，保證回填土的壓實(shí)，如果采用人工回填方式，需要保證搗實(shí)后的土體達(dá)到足夠的強(qiáng)度。退水管的選擇需要避免過流后出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，退水管滿管流量需要超過設(shè)計(jì)流量。

新式蜂窩井型退水口是通過井型磚砌墻在每個(gè)邊墻布置PVC管，通過PVC管進(jìn)行排水，當(dāng)水位增加時(shí)，用定制的蓋子將PVC孔蓋上，施工操作簡單，且泥漿濃度較低，避免出現(xiàn)接縫部位封堵不嚴(yán)、需在水下將擋水板增高的問題。這種類型的退水口外側(cè)四個(gè)邊角都設(shè)置有固定座，側(cè)壁部位留有多個(gè)退水口，每個(gè)退水口內(nèi)部都埋設(shè)有PVC管，多個(gè)PVC管采取活動(dòng)連接方式并與擋水蓋連接；擋水蓋中部設(shè)置有固定板，并采用兩個(gè)斜撐桿進(jìn)行固定，斜撐桿由彈簧進(jìn)行連接，一端與支撐進(jìn)行連接，另一端采用第二彈簧和擋水蓋頂、底端實(shí)現(xiàn)連接；擋水蓋內(nèi)采用橡膠圈來實(shí)現(xiàn)密封，內(nèi)部還設(shè)置有多個(gè)加強(qiáng)柱進(jìn)行固定并采用垂直放置方式；支撐板外側(cè)都安裝有橡膠墊，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 新式井型蜂窩式退水口設(shè)計(jì)圖

4 蜂窩井型退水口退水設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)效

4.1 退水口水力計(jì)算

該標(biāo)段水下疏浚施工將投入500m3/h絞吸式挖泥船施工，挖泥船設(shè)計(jì)總排水流量為5000m3/h，出泥量為整個(gè)排水流量的10%，則實(shí)際出水量應(yīng)為排水流量乘以0.90的系數(shù)；同時(shí)，挖泥船作業(yè)一般有效施工時(shí)間為18h/d，退水流量系數(shù)應(yīng)為18÷24=0.75。根據(jù)以上分析，投入該工程的挖泥船實(shí)際排水流量應(yīng)為Q排= 5000÷3600×0.9×0.75≈0.938m3/s，則排入沖填區(qū)的水流總流量Q總=K×Q排=1.1×0.938≈1.032m3/s，其中，修正系數(shù)K取1.1（實(shí)際與理論出水的修正值）。

確定泄水孔直徑B的堰流公式如下：

式中：m為流量系數(shù)，按薄壁堰計(jì)算取0.42；H0為堰頂水頭，取0.5m。

從式（1）可知，B=3.85m，則單邊井寬為L=3.85÷3=0.96m，考慮到排泥場的平整度，每個(gè)排泥場至少需要2個(gè)退水口，退水口門寬度不小于0.96m。綜合考慮，退水口泄水孔直徑按0.25m設(shè)置。

4.2 應(yīng)用效果

通過運(yùn)用蜂窩井型退水口，預(yù)計(jì)可節(jié)約后續(xù)環(huán)境治理費(fèi)用約333.7萬元，如果發(fā)生一次環(huán)境污染事件，環(huán)境治理將投入（人工+設(shè)備+材料）約100萬元；通過運(yùn)用蜂窩井型退水口，縮短了排泥區(qū)沉淀期，并減少了排泥區(qū)內(nèi)格梗填筑數(shù)量，一個(gè)排泥區(qū)所需費(fèi)用約233.7萬元。通過研究該課題，未發(fā)生一次內(nèi)河環(huán)境污染事件，受到了當(dāng)?shù)卮迕?、政府以及?dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)管部門的好評(píng)。

5 結(jié)束語

綜上所述，應(yīng)該將延長泥漿退水流程、促進(jìn)泥沙沉淀、有助于銜接與設(shè)置下游排水通道作為退水口的選型與設(shè)計(jì)原則，再考慮施工投資投入、施工周期和生態(tài)環(huán)護(hù)等多方面因素，綜合選擇與設(shè)計(jì)退水口位置與類型。蜂窩井型退水口保證了疏浚吹填工程的安全順利進(jìn)行，提高了施工效率，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。