宿鴨湖人工島設(shè)計(jì)及施工

賴新河

（駐馬店市豫中投資有限公司，河南 駐馬店 463000）

0 引言

宿鴨湖水庫(kù)始建于1958年，是一座以防洪為主，結(jié)合發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等多項(xiàng)目綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，總庫(kù)容16.38億m3，水庫(kù)多年運(yùn)行期間大量沖積物沉積庫(kù)底，嚴(yán)重淤積。2018年11月，省發(fā)改委批復(fù)實(shí)施宿鴨湖水庫(kù)清淤擴(kuò)容工程，總投資31.58億元，主要建設(shè)內(nèi)容：清淤擴(kuò)容、人工島、機(jī)電設(shè)備及安裝、環(huán)境保護(hù)、水土保持工程等。該項(xiàng)目是國(guó)家規(guī)劃確定的大型水庫(kù)清淤試點(diǎn)項(xiàng)目，是河南省“四水同治”十大重點(diǎn)水利工程，項(xiàng)目實(shí)施對(duì)于提高水庫(kù)防洪興利能力，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，持續(xù)發(fā)揮水庫(kù)綜合效益具有重要意義。

1 人工島設(shè)計(jì)

1.1 平面形狀

人工島的平面形狀結(jié)合旅游規(guī)劃及當(dāng)?shù)匚幕?，考慮景觀效果與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)，減少土方外運(yùn)，利用水庫(kù)淤積土進(jìn)行堆島，形成狀似蝴蝶、琵琶、葫蘆的湖中三島遙相呼應(yīng)，相映成趣。三座島高度均為37 m，共堆筑土方1 222萬(wàn)m3，開(kāi)挖土料運(yùn)至堆島區(qū)晾曬后進(jìn)行碾壓，壓實(shí)度要求不小于0.96。島設(shè)計(jì)基底高程51.50 m、頂高程88.00 m，設(shè)計(jì)邊坡：1:2.50～4.50，在島坡變化處設(shè)馬道3道，寬4 m；在高程54.00 m設(shè)環(huán)島路，寬6 m。人工島建成依島體形態(tài)不同打造成生態(tài)旅游島。

1.2 水文、地質(zhì)條件

宿鴨湖流域?qū)俅箨懶詼貛夂?，多年平均面降水量均值?62 mm，最大1 550 mm（1975年），最小584 mm（1966年）；年度降雨多集中在汛期6-9月份，降水量占全年降水量的61%。多年平均蒸發(fā)量為1 050 mm，多年平均氣溫15℃左右。

島場(chǎng)地地層為粘性土單一結(jié)構(gòu)，主要巖性為淤泥質(zhì)土、淤積輕粉質(zhì)壤土及重壤土，其中：第①1層淤泥質(zhì)土、第①2層淤積輕粉質(zhì)壤土為軟塑～流塑狀，為高壓縮性土層，地質(zhì)條件較差，施工時(shí)清除。第②層重粉質(zhì)壤土為硬可塑狀，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值為150 kPa，強(qiáng)度較高，地質(zhì)條件較好，開(kāi)挖土料置于第②層上。

島周圍2 km清淤范圍內(nèi)，經(jīng)檢測(cè)淤積土及其下部相鄰?fù)翆踊瘜W(xué)元素含量均未超標(biāo)，開(kāi)挖晾曬后直接用于島體填筑。

1.3 護(hù)坡頂部高程

按《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，護(hù)坡頂部高程等于水庫(kù)靜水位與超高之和，分別按以下運(yùn)用情況計(jì)算，取其最大值：①百年設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的護(hù)坡頂部超高；②千年校核洪水位加非常運(yùn)用情況的護(hù)坡頂部超高。

護(hù)坡頂部超高由下式確定：

式（1）中：y—護(hù)坡頂部超高，以m計(jì)；R—最大波浪在壩坡上的爬高，以m計(jì)；e—風(fēng)壅水面高度，以m計(jì)；A—安全加高，3級(jí)建筑物設(shè)計(jì)情況A=0.70 m，校核情況按平原濱海區(qū)A=0.50 m。

波浪的平均波高和平均波周期按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算。按規(guī)范規(guī)定，取累計(jì)頻率1%的波浪爬高值。

按照規(guī)范SL274－2020中式（A.1.12-1）計(jì)算平均波浪爬高。

式（2）中：Rm—平均波浪爬高，m；m—單坡的坡度系數(shù)，5；KΔ—斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型由規(guī)范SL274-2020查得，混凝土取0.90；Kw—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，hm—平均波高，m；Lm—平均波長(zhǎng)，m。宿鴨湖水庫(kù)為平原水庫(kù)，且w＜26.50 m/s、D＜4500 m，則波浪的波高和平均波長(zhǎng)采用鶴地水庫(kù)公式計(jì)算。

護(hù)坡頂部超高及護(hù)坡頂部高程計(jì)算成果見(jiàn)表1，護(hù)坡頂部高程采用61 m。

表1 人工島護(hù)坡頂部超高和護(hù)坡頂部高程計(jì)算成果表

1.4 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

人工島為次要建筑物，級(jí)別為3級(jí)。根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，場(chǎng)地基本烈度為VI度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g。計(jì)算工況為：①完建期無(wú)水；②庫(kù)區(qū)正常蓄水位52.84 m。

依據(jù)勘察成果，人工島填土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：粘聚力c=40 kPa，內(nèi)摩擦角φ=15°，最大干密度1.73 t/m3，最優(yōu)含水量17%。結(jié)合工程場(chǎng)區(qū)實(shí)際地形條件，選擇人工島典型斷面進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算方法按畢肖普（簡(jiǎn)化）圓弧法，采用河海大學(xué)編制的大壩穩(wěn)定計(jì)算程序計(jì)算，結(jié)果為：安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，邊坡是穩(wěn)定的。

1.5 護(hù)坡設(shè)計(jì)

1.5.1 護(hù)坡方案比選

邊坡防護(hù)材料主要有混凝土預(yù)制塊、砌石、雷諾護(hù)墊、重力模袋護(hù)坡等型式，表2列出了四種護(hù)坡的投資及優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 護(hù)坡方案比選表

根據(jù)生態(tài)及景觀需求，護(hù)坡型式選擇上避免大面積的“硬、直、光”，護(hù)坡頂部高程61 m以上至島頂部采用草皮護(hù)坡，協(xié)同旅游規(guī)劃種植花草、林木，防止水土流失，增強(qiáng)區(qū)域的水土保持與碳中和能力。

從表2可看出，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面，混凝土預(yù)制塊護(hù)坡投資較高，漿砌石和雷諾護(hù)墊護(hù)坡適中，重力模袋較低；雷諾護(hù)墊和漿砌石護(hù)坡需要大量的塊石，附近30 km范圍內(nèi)沒(méi)有石料場(chǎng)，故選用雷諾護(hù)墊護(hù)坡和重力模袋護(hù)坡。重力模袋護(hù)坡后期綠化效果較好，常水位以上至最高水位影響到的高程之間選用重力模袋護(hù)坡，常水位以下至坡腳選用雷諾護(hù)墊護(hù)坡。

1.5.2 島體排水

降雨時(shí)雨水滲入島體會(huì)降低堆島土體強(qiáng)度，邊坡安全系數(shù)降低，做好排水保證邊坡穩(wěn)定，在島體頂部設(shè)縱向排水溝、各級(jí)邊坡坡腳設(shè)排水溝；在島體坡面每50 m設(shè)一條橫向排水溝，采用寬0.20 m、深0.20 m的C20混凝土U型渠，將雨水導(dǎo)入庫(kù)內(nèi)。

1.6 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

對(duì)人工島表面變化變形和基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保建造質(zhì)量和正常使用。監(jiān)測(cè)儀器的選型除考慮量程、精度、穩(wěn)定性、可靠性等技術(shù)指標(biāo)外，還要考慮實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)讀的要求和自動(dòng)化系統(tǒng)布置的需要。

為監(jiān)測(cè)島表面變化變形，每座島各布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并分別在2級(jí)馬道、3級(jí)馬道及島頂部設(shè)置沉降標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)斷面布置3個(gè)沉降標(biāo)點(diǎn)；在變形影響范圍以外布置2組工作基點(diǎn)。

為測(cè)量島基礎(chǔ)的沉降變形，每座島各布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置5套單點(diǎn)位移計(jì)。

2 主要施工技術(shù)

2.1 施工圍堰

人工島位于庫(kù)區(qū)內(nèi)，需修筑圍堰，根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。圍堰總長(zhǎng)27 km，采用單排木樁欄柵土圍堰結(jié)構(gòu)，分區(qū)段施工。施工期水位51.84 m，圍堰底高程50.34 m，所處區(qū)域水深約1～1.50 m，考慮安全超高及波浪爬高，確定圍堰頂高程為52.84 m，頂寬6 m，平均堰高2.50 m，邊坡1:3。

施工工藝流程：測(cè)量放樣→木樁插打→竹笆、防水土工布綁扎安裝→填土→成型加固→浮式竹排消浪→圍堰內(nèi)抽水。

測(cè)量放樣用GPS放出圍堰中心線及邊線，在庫(kù)中插上竹竿樁標(biāo)識(shí)，間距20 m，并根據(jù)地質(zhì)資料摸清圍堰水下部分的地形走勢(shì)等情況，指導(dǎo)圍堰填筑。

圍堰填土采用水陸兩用挖掘機(jī)迎水面湖內(nèi)取土，兩次圍筑，第一次采用水陸兩用挖掘機(jī)直接從圍堰迎水面以外5 m處取土，堆放在圍堰范圍內(nèi)直至填筑到水面以上0.50 m為止，待其穩(wěn)定15天；再進(jìn)行二次加高至圍堰頂部以上0.50 m，利用堰上晾曬后的土方對(duì)圍堰進(jìn)行修補(bǔ)加固至設(shè)計(jì)斷面。填土過(guò)程中，隨時(shí)檢測(cè)木樁欄柵的垂直度，防止樁傾斜。根據(jù)抽水總量、工期確定離心水泵及泥漿泵的臺(tái)數(shù)，分區(qū)分段把圍堰內(nèi)的水排除。

施工期配備必要的防汛物資，在圍堰排水期間和雨季，派專人值班進(jìn)行觀測(cè)、檢查，發(fā)現(xiàn)情況及時(shí)維護(hù)，確保圍堰安全。

2.2 土方填筑

人工島填筑時(shí)首先對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行清基，利用圍堰內(nèi)開(kāi)挖出來(lái)的淤泥土進(jìn)行填筑，分層碾壓，壓實(shí)度不小于0.96。采用自卸汽車將開(kāi)挖土料運(yùn)輸至工點(diǎn)，經(jīng)翻曬合格后壓實(shí)。

施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→清基鋪料→整平碾壓→試驗(yàn)檢測(cè)→進(jìn)行下一層土料。

①島身填筑工程開(kāi)工前，熟悉核對(duì)設(shè)計(jì)文件，測(cè)設(shè)填筑邊線，調(diào)查土層穩(wěn)定狀況，修建施工便道。②測(cè)量放線采用GPS，包括輪廓線及鋪填區(qū)域內(nèi)的高程控制，放樣誤差應(yīng)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。③填筑前應(yīng)先清理淤泥至原基面，驗(yàn)收合格后填筑。采用自卸汽車將土料運(yùn)輸至鋪土區(qū)，從一端開(kāi)始，左右成排前后成行、分區(qū)域分單元網(wǎng)格進(jìn)占布料。④鋪土厚度、壓實(shí)遍數(shù)由土方碾壓試驗(yàn)確定，測(cè)量人員控制好每層標(biāo)高，機(jī)械鋪料時(shí)寬度超填不少于30cm。⑤碾壓用22 t凸塊振動(dòng)碾，靜壓1遍、弱振1遍、強(qiáng)振4遍。碾壓速度先慢后快，先靜壓后振壓，先兩邊后中間，采用錯(cuò)距法碾壓，相鄰兩輪次應(yīng)至少重疊1/3，保證壓實(shí)均勻。⑥填筑碾壓完成后進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，采用環(huán)刀法每200 m3取一個(gè)樣，壓實(shí)度不小于0.96。不合格部位處理至復(fù)驗(yàn)合格后繼續(xù)下道工序。⑦填筑每3 m左右，用推土機(jī)進(jìn)行邊坡修整，人工配合。

2.3 重力模袋護(hù)坡

重力模袋護(hù)坡是近幾年常用的軟質(zhì)護(hù)坡型式，即在鍍鋅鋼絲網(wǎng)籠中放置重力模袋，鋼絲網(wǎng)之間鉸接牢固，袋內(nèi)充填土料，夯實(shí)后形成有結(jié)構(gòu)性、柔性、抗沖透水不透土的、能長(zhǎng)草的土籠，既保證護(hù)坡的安全穩(wěn)定，又兼顧后期的綠化效果。模袋袋身采用單股單一纖維編制而成的筒狀土工袋，原材料以聚丙烯和聚酯為主要成份，具有高拉力、高撕裂度、抗老化、抗凍等性能以及很好的延伸率。

施工工藝流程：測(cè)量放樣→坡面修整→鋪設(shè)土工布→鋪設(shè)砂石濾料墊層→支設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)籠→機(jī)械填充土方→網(wǎng)籠封閉。

①重力模袋在施工前，先進(jìn)行測(cè)量放線，放出坡腳起坡線、起坡線高程、坡頂線高程，進(jìn)行修坡整平。②土工布的鋪設(shè)長(zhǎng)度要有一定富余量，搭接寬度大于20 cm，鋪設(shè)后用U型釘固定。③砂碎石濾料墊層自下而上鋪設(shè)，施工時(shí)打控制樁、帶線進(jìn)行回填鋪裝，嚴(yán)格控制厚度。④支設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)籠，將重力模袋置于網(wǎng)箱內(nèi)，每個(gè)網(wǎng)箱放置1個(gè)模袋，將袋子口提高約10 cm，四角平均撐開(kāi)后用鐵絲固定。⑤用修整邊坡時(shí)預(yù)留的土方填充模袋，每次回填量不超過(guò)1 m3，小型夯實(shí)機(jī)械夯實(shí)，并抽檢壓實(shí)度，土料填充至袋口高于鍍鋅網(wǎng)箱頂10 cm左右，在模袋可視立面采取支護(hù)措施，避免模袋填裝后的鼓肚現(xiàn)象，確保符合設(shè)計(jì)及完工后的美觀效果。⑥土料填滿夯實(shí)按設(shè)計(jì)要求覆蓋植物纖維毯，后用專門的黏扣帶黏合，再結(jié)扎邊框線與網(wǎng)籠封蓋。

3 工程效果分析

水庫(kù)清淤資源化利用是解決淤泥土去向的合理途徑。在采用筑島技術(shù)處理淤泥土過(guò)程中，運(yùn)輸距離不超過(guò)2 km，減少了土方外運(yùn)產(chǎn)生的碳排放。以距棄置場(chǎng)地20 km核算，就近筑島減少土方運(yùn)輸費(fèi)超過(guò)18元/m3，三座島利用淤泥土1 222萬(wàn)m3，節(jié)約投資2.20億元。

淤泥土的就近利用，避免了棄土場(chǎng)的占用；施工中對(duì)填筑用淤泥土的重金屬含量進(jìn)行了檢測(cè)，相應(yīng)值低于標(biāo)準(zhǔn)管制值，符合環(huán)境管理要求及相關(guān)法律法規(guī)要求。協(xié)同旅游規(guī)劃，在不侵占防洪庫(kù)容的情況下，造島種植花草、林木，加強(qiáng)了水庫(kù)沿岸水土保持與二氧化碳的吸收，增加了區(qū)域碳匯，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

4 結(jié)論

工程設(shè)計(jì)結(jié)合旅游規(guī)劃及當(dāng)?shù)匚幕?，在平面形狀、生態(tài)護(hù)坡、監(jiān)測(cè)設(shè)施布置等方面合理考慮景觀效果，與周邊生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)；同時(shí)對(duì)主要施工技術(shù)及工程效果進(jìn)行了分析總結(jié)，可供其它類似工程建設(shè)參考和借鑒。

水庫(kù)清淤區(qū)域結(jié)合旅游規(guī)劃就近消納淤泥土筑島種植林木，打造成生態(tài)旅游島，在實(shí)現(xiàn)就近消納土方的同時(shí)，避免外運(yùn)堆放造成土地的占用，減少了工程投資。在完成水庫(kù)清淤治理工程目標(biāo)的基礎(chǔ)上，減少土方外運(yùn)產(chǎn)生的碳排放，優(yōu)化了區(qū)域生態(tài)環(huán)境；新增了寶貴的旅游資源，增強(qiáng)了區(qū)域的水土保持能力，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目區(qū)碳中和目標(biāo)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。