某城區(qū)河道攔河閘壩工程施工導流設計要點分析

范 煌

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

隨著城市水系治理理念的完善，城市水利向著生態(tài)景觀化方向不斷發(fā)展，目前的生態(tài)河道中，攔河閘壩類型多種多樣，因其在營造寬闊的景觀水面功能基礎上兼具良好的防洪能力而得到大量應用。攔河閘壩的施工一般需要施工導流，受水文氣象條件等不確定性因素影響，施工周期長、風險高，規(guī)模較大的攔河閘壩甚至需要跨年度施工，而城市河道治理項目往往有多個攔河閘壩同步實施，如何針對各個攔河閘壩結(jié)構特點因地制宜地采取合適的施工導流方案，又能將各施工方案有機結(jié)合，是城市河道治理項目面臨的問題。

1 工程概況

1.1 攔河閘壩工程概況

某城區(qū)河道生態(tài)治理項目位于湖北省，雋水河為該城區(qū)主要的行洪通道，而鐵柱港為雋水河的主要支流，通過新建攔河閘及生態(tài)堤岸來改善水系生態(tài)環(huán)境，提高城區(qū)防洪保障能力。該項目布置攔河閘壩3座，其中雋水河下游段布置鋼壩閘樞紐1座，鐵柱港上游段布置攔河閘2座，壩型分別為橡膠壩及重力式固定壩，具體見圖1。

圖1 攔河閘壩工程布置圖

1)雋水河鋼壩閘樞紐。位于雋水河下游河道樁號JSK1+084 m處，主要由鋼壩閘和電站廠房兩部分組成，主要功能是蓄水及發(fā)電。鋼壩閘樞紐壩軸線總長206.84 m，其中鋼壩閘段長168.62 m，電站廠房段長38.22 m。鋼壩閘共布置3跨，單跨凈寬47.00 m，閘室擋水高度4.7 m。電站廠房為河床式廠房，3臺軸流定槳式機組并排布置，裝機容量為3×300 kW?；炷翝仓考s2.84萬m3。

2)鐵柱港橡膠壩。位于鐵柱港上游河道樁號TZK3+609 m處，為充水式橡膠壩，壩軸線總長90.0 m，由右側(cè)85.0 m長橡膠壩段以及左側(cè)5.0 m長放空閘段組成，橡膠壩段采用單跨布置，擋水高度3.7 m。混凝土澆筑量約0.67萬m3。

3)鐵柱港固定壩。位于鐵柱港上游河道樁號TZK3+125 m處，為重力式固定壩，壩體采用C30埋石混凝土現(xiàn)澆，壩軸線總長125 m，分6個壩段，壩身擋水高度2.0 m。混凝土澆筑量約0.67萬m3。

1.2 施工期導流標準

根據(jù)通城水文站1959～2013年的徑流統(tǒng)計結(jié)果，流域水量最少的時段為10月～次年2月。徑流年內(nèi)分布不均，年徑流多集中在3～9月份，徑流量占全年的80.3%，枯水期10月～次年2月的徑流量僅占全年的19.7%，流域徑流的年內(nèi)分配變化較大。

攔河閘壩施工選擇在枯水期進行，由于本項目11月份才具備進入施工準備期的條件，綜合考慮攔河閘壩規(guī)模，將11月至次年3月作為第一個施工導流時段。導流建筑物均為5級，相應土石類導流建筑物導流標準在重現(xiàn)期5～10年一遇范圍選擇，考慮到攔河閘建筑物的重要性，且兩種標準流量差別不大(約19%)，導流標準采用施工期重現(xiàn)期10年一遇[1]。攔河閘導流標準及施工期的洪水成果見表1。

表1 攔河閘導流標準及11月～次年3月施工期的洪水成果表

2 施工導流設計要點

鑒于本項目攔河閘壩類型各異，土建工程量及機電設備安裝要求相差大，且部分閘壩相距較近使得導流建筑物施工互有影響，設計在摸清各類閘壩施工特點基礎上，因地制宜地針對各閘壩地形地質(zhì)條件及導流方案相互關系進行綜合分析，確定最佳的施工導流方案。其中，施工導流方式、導流建筑物布置、導流施工組織調(diào)度、圍堰結(jié)構型式是施工導流設計的要點，本文對以上要點進行簡明扼要地闡述和分析。

2.1 施工導流方式的確定

一般攔河閘壩施工導流傾向于采用一次攔斷河床圍堰導流方式，此方式有利于加快施工進度，縮短工期[2]，對于本項目，此種導流方式需在基坑邊開挖導流明渠，涉及河道沿岸的臨時征地。對于閘址處河寬較大，兩岸用地受限無法布置導流建筑物的情況則考慮采用河床內(nèi)分期圍堰導流。除閘址地形條件，施工工期需要及閘型特殊要求也是影響施工導流方式的關鍵因素，其分析表見表2。

表2 攔河閘導流方式關鍵影響因素分析表

2.2 導流建筑物布置

3座攔河閘壩的導流建筑物按河床內(nèi)分期圍堰導流及一次攔斷河床圍堰明渠導流兩種導流方式區(qū)分，分期圍堰導流建筑物布置要點是確定各施工期主體工程施工內(nèi)容及相應導流圍堰的布置，而一次攔斷河床圍堰明渠導流建筑物要點是導流明渠斷面的確定，分別論述如下。

2.2.1 分期圍堰導流建筑物布置

影響分期圍堰導流建筑物布置的因素一般是多方面的，而關鍵因素為閘址河道地形條件及攔河閘壩布置，分期圍堰導流建筑物布置原則見表3。

表3 分期圍堰導流建筑物布置原則分析表

參照以上布置原則，對雋水河鋼壩閘樞紐及鐵柱港固定壩的導流布置進行簡要說明。

1)雋水河鋼壩閘樞紐。鋼壩閘樞紐兩期導流圍堰分別在連續(xù)的兩個枯水期。電站廠房位于河床右側(cè)，現(xiàn)狀河床左側(cè)為河槽，一期導流施工右岸鋼壩段1及電站廠房，利用左側(cè)河槽導流；二期導流施工左側(cè)鋼壩段1及鋼壩段2，二期縱向圍堰與一期已實施的3號啟閉機室閘墩連接，利用一期已施工完成的鋼壩段1進行導流。鋼壩閘樞紐分期導流布置如圖2所示。

圖2 雋水河鋼壩閘樞紐分期導流布置圖

2)鐵柱港固定壩。鐵柱港固定壩在一個枯水期內(nèi)實施兩期導流圍堰。現(xiàn)狀河床右側(cè)為淺灘，左側(cè)河槽，安排一期導流施工右側(cè)淺灘上的3個壩段，利用現(xiàn)狀左側(cè)河槽導流；二期導流施工左側(cè)3個壩段，利用一期已施工完成的3個壩段進行導流，由于固定壩沒有閘墩，二期圍堰是跨過一期已實施壩段的。鐵柱港固定壩分期導流布置如圖3所示。

圖3 鐵柱港固定壩分期導流布置圖

2.2.2 一次攔斷河床圍堰明渠導流建筑物布置

明渠導流建筑物布置的要點是明渠斷面的確定，明渠斷面面積降低，相應上游圍堰高度加高，明渠內(nèi)水流流速加大，需從造價、水流沖刷影響等方面分析。鐵柱港橡膠壩在一個枯水期內(nèi)實施，右岸導流明渠長249.0 m，渠底高程與同上下游現(xiàn)狀河底，現(xiàn)狀右岸地面高程較高具備放坡開挖的條件，渠底原狀土層為強風化花崗巖。開挖明渠擬采用梯形斷面的型式，兩側(cè)邊坡坡比1∶2，在暫不考慮其他攔河閘壩施工導流影響的前提下，對渠寬10、15、20 m三種斷面方案進行綜合比較，具體詳見表4。

表4 導流明渠斷面方案比較表

由表4可知，10 m渠寬方案造價最省，15 m渠寬方案造價次之，約超過方案一3.7%，20.0 m渠寬方案造價最高，超過方案一15.7%，從造價方面來看，方案一與方案二是接近的。由于過流面積的減少，方案一較方案二最大流速急劇增長，超過一般巖層能承受的抗沖流速，考慮到導流明渠為臨時工程，洪水位以下岸坡采用袋裝砂進行防護，而渠底為強風化巖層維持原狀，從工程安全角度看，兩個方案中選取15.0 m底寬明渠方案更為合理，施工期如渠底遭洪水沖刷，可在洪水過后采用袋裝砂對沖坑進行回填[3]。鐵柱港橡膠壩明渠導流布置如圖4所示。

圖4 鐵柱港橡膠壩明渠導流布置圖

2.3 攔河閘工程施工組織調(diào)度

攔河閘壩工程施工導流方案初步擬定后，對各座攔河閘壩施工之間關聯(lián)性進行分析[4]，確定攔河閘壩工程的施工組織調(diào)度方案。該項目3座攔河閘壩中，雋水河鋼壩閘樞紐與其他2座攔河閘壩位于不同河道，且無上下游關系，施工互不干擾，可在兩個枯水期內(nèi)獨立進行施工。對布置于鐵柱港上游的橡膠壩及固定壩，壩軸線之間相距484 m，而導流圍堰之間最小間距320 m，如果導流時段均定在第一個枯水期，下游固定壩導流圍堰的建設會束窄河床，從而抬高了上游橡膠壩壩址處的施工期設計水位，需加高橡膠壩上下游導流圍堰堰頂高程；如果將2座攔河閘壩施工導流時段安排在兩個枯水期，先行施工上游的橡膠壩，則可以避免以上問題，有效降低圍堰規(guī)模，鐵柱港橡膠壩及固定壩施工時段分析見表5。

表5 鐵柱港橡膠壩及固定壩施工時段比較表

2.4 圍堰結(jié)構型式

常見的圍堰型式有土石圍堰、混凝土圍堰及鋼板樁圍堰等，其中土石圍堰能充分利用當?shù)夭牧?，對地基適應性強，工藝簡單，有條件情況下一般優(yōu)先采用[5]。土圍堰應考慮其防滲性能，本工程場地周邊粘土土料豐富，且生態(tài)堤岸工程尚需粘土料筑堤，擬將臨時工程與該項目堤岸工程的土料進行結(jié)合，3座攔河閘壩均利用粘土筑堰，堰型為粘土均質(zhì)堰，在施工導流完成后將土圍堰拆除，圍堰水上部分直接開挖，水下部分可采用機械倒退法挖運[6]，拆除的粘土料用作該項目堤岸工程的回填料。粘土均質(zhì)導流圍堰斷面圖見圖5。

圖5 粘土均質(zhì)導流圍堰斷面圖

導流圍堰堰頂寬取4.0 m，臨水側(cè)邊坡1∶2，基坑側(cè)邊坡1∶2.5，臨水側(cè)設0.6 m厚袋裝土以防沖刷。粘土圍堰堰身具有良好的防滲性，但3座圍堰建基面均有不超過1.5 m厚的礫砂層，下伏強風化至中風化花崗巖層，礫砂層為強透水層但埋深不大，在堰前設穿透礫砂層的粘土防滲槽，并在迎水側(cè)全坡面鋪設單層土工膜，粘土防滲槽可在河道低水位時段筑子堰進行圍護施工。

3 結(jié) 語

1)大型河道治理項目中攔河閘閘型及數(shù)量多，各攔河閘施工導流方案應綜合統(tǒng)籌制定，設計在摸清各類閘壩施工特點基礎上，因地制宜地針對各閘壩地形地質(zhì)條件及導流方案相互關系進行綜合分析。抓住施工導流方式、導流建筑物布置、導流施工組織調(diào)度、圍堰結(jié)構型式等設計要點，是解決復雜攔河閘壩工程施工導流設計的關鍵。

2)分析多個攔河閘工程施工導流方案之間的關聯(lián)性，選定最優(yōu)的施工順序。合理的施工組織調(diào)度可在不延誤施工總工期的前提下降低施工導流建筑物工程量，節(jié)省成本。

3)攔河閘施工導流圍堰筑堰材料考慮與整個項目永久工程材料的結(jié)合，本項目中圍堰采用粘土料作為筑堰材料，在滿足堰身的防滲需要的同時，圍堰拆除后可再用作該生態(tài)堤岸工程的填料，合理的圍堰型式在提高圍堰安全性的同時在一定程度上節(jié)省了施工成本。