南水北調(diào)中線工程白河倒虹吸防洪加固工程分期圍堰施工方案和降排水設(shè)計(jì)實(shí)踐

向德林 瞿行亮

(1.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司渠首分公司，河南 南陽 473000；2.中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，河南 平頂山 467000)

1 工程概況

南水北調(diào)中線干線工程白河倒虹吸防洪加固工程，位于蒲山鎮(zhèn)蔡砦村北豐山東南側(cè)，距南陽市區(qū)約14km，距商南高速及省道約1.5km，距焦柳鐵路及南鴨公路4km。

白河倒虹吸工程建筑物長1337m，起點(diǎn)樁號115+190，終點(diǎn)樁號116+527，2021年白河倒虹吸經(jīng)歷2次較大洪水，導(dǎo)致白河倒虹吸河床段出露部分管身且河床主槽兩側(cè)護(hù)岸均出現(xiàn)水毀現(xiàn)象，迫切需要對白河倒虹吸進(jìn)行防洪加固，確保工程安全。

本項(xiàng)目施工對南水北調(diào)白河倒虹吸管身段進(jìn)行防洪加固，直接關(guān)系到南水北調(diào)中線總干渠的安全，必須在確保工程質(zhì)量的前提下，嚴(yán)格按工期要求完成。

2 工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 工程的重點(diǎn)

在整個(gè)防護(hù)工程施工中，計(jì)劃提前開始一期、二期圍堰填筑施工，盡早為倒虹吸防護(hù)工程順利開展提供條件，計(jì)劃于2022年6月15日主體工程完工，具備過水條件，以便盡早恢復(fù)河道原貌，為預(yù)防突發(fā)洪水創(chuàng)造條件。

2.2 工程的難點(diǎn)

本項(xiàng)目施工圍堰分為兩期，圍堰采用土石圍堰，黏性土壓實(shí)度不小于0.92，非黏性土相對密度不小于0.7。白河河道寬300余m，河床底部為砂層或砂礫層，開挖深度大，滲水量大，因此施工圍堰內(nèi)的降水成為了工程的難點(diǎn)，直接影響到本項(xiàng)目的主體工程是否能夠在2022年6月15日前完工。

3 工程水文地質(zhì)條件

白河倒虹吸工程區(qū)地形起伏，地勢開闊，地貌形態(tài)主要由河谷及孤山組成。河谷發(fā)育不對稱，右岸為孤山，發(fā)育有高低漫灘、河床及Ⅰ級階地等。

孤山：位于右岸，地形起伏，為構(gòu)造剝蝕殘山，地面高程130～200m，高差較大。

高漫灘：分布在左岸，寬90～230m，地面高程130.00～131.90m。

低漫灘：略高于河床，高程為128.6～130.0m。左岸寬130～250m；右岸零星分布，寬45m左右。

河床：寬淺，地形平坦，高程為119.00～128.50m，切深為2.0～5.0m?？菟谒鎸?00～150m，水深0.5～1.0m。

Ⅰ級階地：左岸階面高程131.60～132.50m，階面寬500～800m，右岸階面高程129.50～132.70m，階面寬約500m，主要分布于蔡砦村南側(cè)。

由于在白河倒虹吸工程施工前河床部位采砂現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致工程開工時(shí)河床部位加寬，河床高程下降，局部呈深槽狀。

4 圍堰設(shè)計(jì)方案介紹

根據(jù)現(xiàn)場地形情況、規(guī)范要求、施工圖紙及工期進(jìn)度要求，施工導(dǎo)流采用分期圍堰明渠泄水方式。本工程施工導(dǎo)流時(shí)段為非汛期，為實(shí)現(xiàn)快速施工，確保工期，導(dǎo)流分為兩期實(shí)施。

4.1 一期圍堰實(shí)施

利用開挖料和附近土料場進(jìn)行填筑，分四塊實(shí)施。第一塊從白河倒虹吸上游右岸格賓石籠防護(hù)外側(cè)約15m處至上游右岸設(shè)計(jì)混凝土護(hù)坡內(nèi)側(cè)15m處，總長約150m。第二塊利用第一塊部分已填筑完成的圍堰，從白河倒虹吸上游右岸設(shè)計(jì)混凝土護(hù)坡外側(cè)至下游右岸斜坡段末端防沖槽外側(cè)15m處，總長約410m。第三塊從退水閘下游格賓石籠護(hù)坡至端部格賓石籠防護(hù)外側(cè)15m處，總長約175m。第四塊考慮到白河倒虹吸退水閘排水要求，在白河倒虹吸退水閘暫停排水時(shí)，將第二塊和第三塊直接通過圍堰連接，形成第四塊，總長約125m。

一期圍堰計(jì)劃于2022年2月14日開工，2022年2月28日完工。

4.2 二期圍堰實(shí)施

利用附近土料場的土石方，同樣分四塊實(shí)施。第一塊從白河倒虹吸上游左岸格賓石籠防護(hù)外側(cè)約15m處至上游左岸原混凝土岸坡內(nèi)側(cè)約15m，總長約200m。第二塊利用第一塊部分圍堰，從上游左岸原混凝土岸坡內(nèi)側(cè)約15m處至上游管身段內(nèi)側(cè)10m，總長約400m。第三塊從上游管身段內(nèi)側(cè)10m處至下游左岸格賓石籠防護(hù)外側(cè)20m處，總長約320m。第四塊根據(jù)一期圍堰內(nèi)主體工程進(jìn)度情況，計(jì)劃在一期圍堰右岸范圍內(nèi)主體工程施工完成后，拆除部分右側(cè)一期圍堰用于過水。利用二期圍堰作為施工道路，將二期圍堰向前延伸約70m，延伸的區(qū)域?yàn)榈谒膲K，總長約200m。

二期圍堰前三塊計(jì)劃于2022年2月18日開工，2022年3月6日完工，其中二期圍堰第四塊計(jì)劃于2022年5月1日開工，2022年5月7日完工。

4.3 圍堰設(shè)計(jì)

圍堰為均質(zhì)圍堰，圍堰頂設(shè)計(jì)寬度為4m，設(shè)計(jì)頂高程126.00m，填筑高度約為1.5～5.0m，圍堰坡比為1∶2。為提高設(shè)備的使用率，每100m設(shè)置一處10m×6m錯(cuò)車平臺。在圍堰頂部以下40cm處每30m埋設(shè)一道DN600鋼管，用于后期排水。迎水坡采用30cm厚編織袋護(hù)坡，下鋪土工膜防滲(見圖1、圖2)。

圖1 圍堰施工布置

圖2 圍堰剖面(尺寸單位:cm)

5 圍堰降排水施工方法介紹

圍堰合龍后，立刻開展降排水工作，以排除圍堰內(nèi)積水和滲水。保持基坑干燥，支持后續(xù)主體工程施工。圍堰基坑降排水分為初期排水和經(jīng)常性排水兩類。

5.1 初期排水

5.1.1 初期排水能力計(jì)算

初期積水量：一期、二期圍堰共分為8個(gè)部位，存水面積約為30000m2，平均水深約為3.0m，積水量為90000m3。

基坑滲漏水和圍堰滲水按200m3/h計(jì)?；臃e水三天排完，每小時(shí)排水量90000m3/(24h×3)+200m3/h=1450m3/h。

排水能力按下式計(jì)算：

Q水=Q實(shí)/αηγ=1450/(0.9×0.8×0.95)

≈2119.88m3/h

(1)

式中Q水——水泵排水能力，m3/h；

Q實(shí)——實(shí)際排水量，m3/h；

α——時(shí)間利用系數(shù)，取0.9；

η——水泵平均效率，取0.8；

γ——水泵平均泄漏系數(shù)，0.95。

結(jié)合施工期經(jīng)常性排水需求，按需要選擇水泵及布置形式(見表1、圖3)。

表1 初期排水水泵選型

圖3 初期排水泵布置

5.1.2 初期排水水泵布置

一期圍堰分四塊施工，第一塊布置2臺7.5kW污水泵和1臺11kW污水泵；第二塊面積大，在倒虹吸管身兩側(cè)上下游布置3臺22kW泥漿泵、3臺11kW污水泵和3臺7.5kW污水泵，22kW泥漿泵和11kW污水泵間距20m布置1臺，7.5kW污水泵間距40m布置一臺；第三塊布置2臺7.5kW污水泵和1臺11kW污水泵，出水通過預(yù)埋在圍堰頂內(nèi)的鋼管排入河道中。退水閘正在進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水，第四塊圍堰暫時(shí)不能施工。

二期圍堰分四塊施工，第一塊布置1臺7.5kW污水泵和1臺11kW污水泵；第二塊在倒虹吸管身上游布置3臺11kW污水泵和3臺7.5kW污水泵；第三塊在倒虹吸管身下游布置3臺22kW泥漿泵、2臺11kW和2臺7.5kW污水泵，22kW泥漿泵和11kW污水泵間距20m布置一臺，7.5kW污水泵間距40m布置一臺，出水通過預(yù)埋在圍堰內(nèi)的鋼管排到河道中。一期圍堰主體施工完畢后，拆除一部分圍堰過水，并將二期圍堰向前延伸形成第四塊。在倒虹吸管身下游布置3臺22kW泥漿泵、2臺11kW污水泵，出水通過預(yù)埋在圍堰頂內(nèi)的鋼管排入河道中。

水泵采用人工配合挖掘機(jī)進(jìn)行安裝，采用發(fā)電機(jī)組供電。排水時(shí)應(yīng)注意水面下降速度，如果速度過快易引起堰體失穩(wěn)，威脅工程安全。排水時(shí)派專人全天候值班，發(fā)現(xiàn)問題立即匯報(bào)，及時(shí)采取補(bǔ)救措施?？紤]到抽水設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行易損壞，為保證抽水工作的順利，多余的水泵放在現(xiàn)場備用(見圖3)。

5.2 經(jīng)常性排水能力計(jì)算

降雨匯水：一期、二期基坑集水面積約30000m2，圍堰使用期為枯水期，降雨量較小，最大日降雨量按5mm考慮。最大時(shí)降雨量(0.05m/24)×30000=62.5m3。

基坑滲水：基坑緊鄰白河，地下水位與河水位相近，加之覆蓋層為砂礫石，基坑涌水量主要為臨河水流及基坑上下游透水層滲水?；訚B漏水和圍堰滲水取200m3/h。

施工棄水：施工棄水包括混凝土養(yǎng)護(hù)用水、沖洗用水、冷卻用水及施工機(jī)械用水等，按20m3/h計(jì)。

因此，經(jīng)常性排水量總量為200m3/h+62.5m3/h+20m3/h=282.5m3/h

需要的水泵排水能力根據(jù)式(1)計(jì)算為282.5/(0.9×0.8×0.95)≈413.01m3/h。

經(jīng)常性排水水泵選型見表2。

表2 經(jīng)常性排水水泵選型

在倒虹吸管身段兩側(cè)沿圍堰基腳處挖集水溝，集水溝設(shè)置于施工基面以下50cm，兩側(cè)按1∶1的坡度放坡。在集水溝內(nèi)根據(jù)水位深度情況設(shè)置集水井(長1m×寬1m×深1m)，通過水泵將積水抽排出去。

一期圍堰分四塊施工，第一塊和第二塊各布置1臺7.5kW污水泵和1臺11kW污水泵；第三塊布置1臺22kW泥漿泵、2臺11kW污水泵水和2臺7.5kW污水泵，水深處集水井每25m布置一眼，水淺處集水井每50m布置一眼；第四塊暫時(shí)不施工，在此先不考慮。布置方案可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際抽水情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

二期圍堰分四塊施工，第一塊布置2臺7.5kW污水泵；第二塊布置2臺7.5kW污水泵和2臺11kW污水泵；第三塊布置1臺22kW泥漿泵、2臺11kW污水泵水和2臺7.5kW污水泵，水深處集水井每25m布置一個(gè)，水淺處集水井每50m布置一眼；第四塊布置1臺22kW泥漿泵、2臺11kW污水泵水。布置方案可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際抽水情況進(jìn)行靈活調(diào)整(見圖4)。

6 結(jié) 語

圍堰的合理設(shè)計(jì)是水利工程順利實(shí)施的基礎(chǔ)，南水北調(diào)中線干線工程白河倒虹吸防洪加固工程充分分析工程的地形地質(zhì)條件，分兩期共八塊進(jìn)行圍堰施工?？茖W(xué)的劃分和有預(yù)見性地合理安排施工順序，優(yōu)化施工組織方案，使圍堰工程按期保質(zhì)完成，圍堰建設(shè)已于2022年5月6日全部完成。圍堰內(nèi)基坑排水布置考慮初期排水要求和經(jīng)常性排水要求，通過排水能力計(jì)算分析，設(shè)置最優(yōu)化的排水設(shè)施布置方案，提高排水效率，確保工程施工質(zhì)量。倒虹吸整體防護(hù)工程已于2022年6月9日完成，較計(jì)劃工期提前7天，為南水北調(diào)中線干線工程白河倒虹吸防洪加固工程后續(xù)工程順利實(shí)施和安全度汛提供了條件。