水利工程導(dǎo)流及圍堰施工技術(shù)應(yīng)用

陳志闊（上海建工一建集團有限公司，上海 200120）

本工程位于都江堰金馬河城我河段，河床砂卵石豐富，且枯水期水位較低，故采用土石圍堰較為合理。土石圍堰在現(xiàn)代水利工程施工中較為常用，它能充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，對基礎(chǔ)適應(yīng)性強，施工工藝簡單[1]。但對于不同的河流而言，其施工的內(nèi)容及方法卻不盡相同，本工程的二期導(dǎo)流及圍堰施工及優(yōu)化為以后相似工程施工提供了借鑒。

1 工程概況

攔河閘工程導(dǎo)流建筑物的級別為 4 級。堤防工程導(dǎo)流建筑物的級別為 5 級。導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇 11—4 月 5 a 一遇洪水。攔河閘工程施工圍堰分兩期工程，一期工程在左岸河灘部分修筑上、下游及縱向土石圍堰，形成左岸施工基坑，進(jìn)行攔河閘施工，由束窄后的 河床過流。汛期利用已建攔河閘和右岸河床過流。二期工程利用已建混凝土縱向圍堰，在右岸河灘部分修建上、下游橫向土石圍堰，形成右岸施工基坑，進(jìn)行攔河閘施工，利用已建成的攔河閘過流。

攔河閘工程二期上、下游圍堰軸線長度分別為 199.0 m 和197.0 m，堰頂高程分別為 693.8 m 和 691.8 m，最大高度約 5.0 m，頂寬均為 5.0 m，迎、背水側(cè)邊坡均為 1.0∶2.0，堰體填料為砂卵石料?？v向圍堰與攔河閘混凝土導(dǎo)墻結(jié) 合，并向上、下游延伸?；炷量v向圍堰全長 193.0 m，共分為2 段，上縱段長 73.0 m， 下縱段長 120.0 m。上、下縱段堰頂高程分別為 697.5 m 和 692.0 m，底高程 683.5 m。在一期土石圍堰保護下施工。二期圍堰平面圖如圖 1 所示。

圖1 二期圍堰平面圖

2 施工導(dǎo)流及圍堰的主要內(nèi)容

2.1 施工截流

2.1.1 導(dǎo)流、截留方式選擇

樞紐工程主要建筑物為攔河閘，閘址處河床寬淺，河道中部為江心洲，兩側(cè)為主河槽，河道兩岸為堤防。右岸房屋較少，左岸房屋較多。導(dǎo)流方式研究中，曾研究過一次斷流，右岸開設(shè)明渠的導(dǎo)流方式，因?qū)Я髅髑こ塘亢筒疬w量太大，放棄明渠導(dǎo)流方式，重點研究采用分期導(dǎo)流方案。都江堰市降水年內(nèi)分配極為不均，雨量集中在 6—9 月，這四個月的雨量約占年降雨量的 70.2 %。通過分析比較 11—4 月及 10—5 月兩個時段，圍堰工程量相差不大，因主體工程量較大，為盡量延長攔河閘施工時段，采用 10—5 月圍堰擋水施工，前期通過束窄河床、后期通過已建攔河閘導(dǎo)流的分期導(dǎo)流方式

綜合考慮河道流量、橫向?qū)挾却笮?、施工便捷性及?jīng)濟可行性等因素，由于立堵法截流無需架設(shè)浮橋或棧橋，簡化了截流準(zhǔn)備工作，因而贏得了時間，節(jié)約了投資，因此本工程優(yōu)先采用立堵截流的方法施工。

2.1.2 截流水力計算

截流水力計算是不穩(wěn)定流，因來流變化較小，可近似按穩(wěn)定流計算，在截流過程中，分流量、龍口流量、龍口寬度和形狀是變化的。

截流水力計算內(nèi)容，包括截流過程中立堵預(yù)進(jìn)占的龍口水力特性(流速、水位變化)合龍過程中隨著龍口寬度及戧堤高度的變化，上、下游水位落差，泄水建筑物的分流量、龍口泄流量、龍口單寬流量、單寬功率及龍口流速的變化。

（1）截流設(shè)計流量。在截流過程中，河道來流量，也就是截流設(shè)計流量，將分別經(jīng)由龍口、5 孔攔河閘及戧堤的滲漏下泄，并有一部分?jǐn)r蓄在閘前河道中。截流過程中，因庫容不大，攔蓄在河道中的水量可以忽略不計，由于立堵截流，可忽略經(jīng)由戧堤滲漏的水量。

故截流時的水量平衡方程如式（1）所示，

式中：Q0—截流設(shè)計流量，m3/s；

Q1—分水建筑物的泄流量，m3/s；

Q2—龍口的泄流量，m3/s；

Q3—上游河槽中的調(diào)蓄流量，m3/s；

Q4—戧堤滲透流量，m3/s。

當(dāng)Q3＋Q4不計算，Q0=Q1＋Q2。

由于《初步設(shè)計報告》資料已算出截流設(shè)計流量，則Q0選取 112 m3/s。

（2）戧堤預(yù)進(jìn)占階段水力計算和預(yù)留龍口寬度確定。①戧堤預(yù)進(jìn)占階段水力計算。

戧堤預(yù)進(jìn)占階段是指形成龍口前的進(jìn)占階段,即對應(yīng)于分流建筑物過水前的進(jìn)占階段。其水力計算按河床窄束計算。②預(yù)留龍口寬度確定。一般要求龍口流速 ≤2.5～3.5 m/s，水面比降 ≤3‰，水深 ≥2～3 m，初步設(shè)計可估算龍口流速。當(dāng)龍口寬度較小時（＜50 m 時）龍口最大流速可取1.2～1.3 倍龍口平均流速。

2.1.3 立堵截流水力計算

龍口泄流水力計算，為無坎寬頂堰泄流，按堰流計算。不考慮截流水力其他因素。

由于一期左岸上游橫向圍堰未完全拆除，經(jīng)實測高程為691.0 m，在二期橫向圍堰填筑前一期左岸上游橫向殘余圍堰拆除至 690.0 m 高程，確保左岸 5 孔閘正常分流，減小二期截流施工難度。

（1）龍口流速計算。當(dāng)上游水面與一期殘余圍堰頂同一高程時，上游水面高程為 690.00 m，即水深為 1.0 m。根據(jù)此來計算出此時龍口寬度，如式（2）所示。

式中：ε—側(cè)向收縮系數(shù)，此時下游水位未影響出流取 1.0；

σS—淹沒系數(shù)，取 0.84；

m—流量系數(shù)取 0.35；

H—水深取 1.0 m。計算出龍口寬度B=90 m，反算流速V=1.25 m/s。當(dāng)二期圍堰繼續(xù)填筑時，若上游水面高程為 690.50 m，即水深為 1.5 m。根據(jù)式（2）來計算出此時龍口寬度。

一期上游橫向殘余圍堰長約 148.5 m，圍堰堰上水深H=0.5 m。計算出一期橫向殘余圍堰堰上流量Q1=32.23 m3/s，故Q2=Q-Q1=112-32.23=79.77 m3/s。

計算出龍口寬度B=33.5 m，反算流速V=1.6 m/s。

同理，根據(jù)上述堰流公式，經(jīng)水力學(xué)計算如表 1 所示。

表1 截流水力計算結(jié)果

由表 1 可知，上游水深 H=2.15 m 時，二期過流為 0 ，所有流量均從一期橫向殘余圍堰過流，最大流速 1.86 m/s。

（2）龍口寬度與流量關(guān)系曲線如圖 2 所示。

圖2 龍口寬度與流量關(guān)系曲線

2.1.4 截流材料的選擇、尺寸和數(shù)量

截流材料的選擇：一般立堵截流的護底長度與龍口水躍特性有關(guān)，軸線下游護底長度可按水深的 3～4 倍取值，軸線以上可按最大水深的兩倍取值。龍口護底是一種保護覆蓋層免受沖刷，降低截流難度，提高拋投料穩(wěn)定性及防止戧堤端部坍塌的行之有效的措施。

本次截流龍口形成于上游橫向圍堰與左隔墻交接段，由于右岸主河槽砂卵石堆積成層較穩(wěn)定，且一期工程度汛前，已按設(shè)計圖紙在上游左隔墻右側(cè)底部設(shè)置 8.5 m 寬度鉛絲石籠防護，可不考慮預(yù)拋護底。

設(shè)計要求拋填體為混凝土四面體，但由于四面體需要預(yù)制，需要大面積場地，且混凝土養(yǎng)護周期長、經(jīng)濟性較差，并不適合本工程。鑒于金馬河河床砂卵石豐富，決定改為同等體積的鉛絲石籠（規(guī)格 2 m×1 m×1 m）為拋填材料。其經(jīng)過鋼筋加工場焊接，在拋填位置附近裝填卵石后就可進(jìn)行拋填，既經(jīng)濟又高效，為最佳方案選擇。

截流材料的尺寸：按上述龍口水力學(xué)計算最不利流速考慮，即龍口寬 2 m左右時，截流材料的尺寸取決于龍口的流速。拋投材料的抗沖流速，根據(jù)茲巴什公式，其計算公式為:

式中：d—石塊化引為球狀的當(dāng)量粒徑，m；

rs—石塊密度，一般石塊 = 2.25 t/m3；

r—水的密度，取 1.0 t/m3；

g—重力加速度 9.8 m/s2；

k—穩(wěn)定系數(shù)，取 K=1.0；

v—計算流速，通常計算流速可取龍口平均流速；

V=1.86×1.3=2.42m/s。

公式中求出d應(yīng)乘以 1.2～1.5 安全系數(shù)。

經(jīng)公式計算得出：d=0.24 m，1.5 d≈0.36 m。

龍口寬 2 m 左右時，為最不利流速，可考慮將拋投體 2個串聯(lián)起來拋投，以滿足龍口流速 2.42 m/s 情況。

截流材料數(shù)量：立堵截流時，最大粒徑材料數(shù)量，按困難我段拋投總量的1/3計算。在實際工程使用特殊材料數(shù)量，約占合龍段總工程量的 10%～30%，一般15%～20%，不利條件可達(dá) 30%，若按最終合龍段統(tǒng)計，特殊材料所占比例約為60%。

二期截流戧堤總拋填量：V=15.0×7.9×(5.0 ＋36.6)/2=328.64 m3

最大粒徑拋填量約 110.0 m3，按每個混凝土立方體為1.0 m3計，則需預(yù)制 82 個單列體。

采用鋼筋石籠（規(guī)格 2 m×1 m×1 m）作為拋填體，拋填體折算為鋼筋石籠，需 55 個。當(dāng)水力條件十分不利時，可將兩個鋼筋石籠串連拋投，同時考慮拋投時鋼筋石籠的損壞及富余系數(shù) 1.5，則鋼筋石籠 1.5×55≈83 個。

2.1.5 截流填筑

二期圍堰龍口位置設(shè)于右岸上游橫向圍堰與左隔墻交接段，預(yù)留龍口寬度約 33.5 m。

戧堤施工過程中，首先用挖掘機把底部松散的砂卵石清理至較為密實處，堰體基底面低于原河床流水面 1.0 m 以下。戧堤由右向左單向立堵法進(jìn)占，上游水深約為 2.15 m，戧堤高程按照 692.0 m 控制（即厚度 3.0 m），利用橫向圍堰右端的施工道路將圍堰填筑所需的砂卵石料運至岸邊從右向左進(jìn)占填筑。戧堤高出水面后，再由 D120 推土機攤鋪，13.5 t 振動碾壓實。

合龍時，隨著龍口束窄，流速增大，先用大塊石至龍口位置平行拋投，預(yù)抬龍口高程，當(dāng)左岸已建 5 孔閘與龍口共同泄流時，再用自卸汽車背運大粒徑塊石向上游作挑角拋投，超前進(jìn)占，同時在過水?dāng)嗝孀鞴^逐漸推進(jìn)，再用推土機和挖掘機將備好的直徑 ＞0.36 m 的大塊石、鋼筋石籠（2 m×1 m×1 m）集中拋投，增大投拋料的穩(wěn)定性，減少塊料流失，加大截流施工強度，加快施工速度，直至合龍成功。

2.1.6 截流閉氣

截流完成后，一般采用設(shè)置反濾層的鋪設(shè)方法進(jìn)行閉氣施工，在戧堤迎水面拋投級配砂卵石，然后再在砂卵石層上面拋填較細(xì)的砂或粘土，直至基本堵死滲透為止。在拋投料物時，使之各拋填物穩(wěn)定、均勻。

二期上下游橫向圍堰采用水平防滲方式，即在堰體上游坡及堰前鋪設(shè)復(fù)合土工膜，復(fù)合土工膜水平延伸 15 m。

在上下游橫向圍堰與左隔墻交接處，復(fù)合土工膜按設(shè)計圖紙鋪設(shè)并翻邊至左隔墻垂直面 0.3 m 高，采用 50 mm×50 mm 角鋼，用 φ 6 mm 膨脹螺栓固定于墻面，保證其防滲效果。

下游圍堰截流合龍后，上下游即進(jìn)行圍堰加高、加寬至設(shè)計高程。

2.2 圍堰填筑及防滲施工

2.2.1 圍堰填筑

二期橫向圍堰采用砂卵石填筑，下游橫向圍堰滯后于上游圍堰施工。填筑砂卵石擬采用4 臺 1.6 m3液壓反鏟挖機裝車，12～16 臺 12 t 自卸汽車運至上、下游圍堰填筑我，D120 推土機沿橫向圍堰設(shè)計軸線向水中推料進(jìn)占，由推土機平場，13.5 t 振動碾根據(jù)一期通過試驗確定的碾壓參數(shù)分層壓實 8 遍?，F(xiàn)場碾壓試驗結(jié)論參數(shù)如表 2 所示。

表2 現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)論參數(shù)表

2.2.2 復(fù)合土工膜防滲施工

復(fù)合土工膜施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→河道平整→下墊層鋪填→復(fù)合土工膜鋪設(shè)→復(fù)合土工膜拼接→質(zhì)量檢驗→上墊層鋪填→鉛絲籠卵石鋪填→驗收。

（1）復(fù)合土工膜的選擇。復(fù)合土工膜采用兩布一膜，設(shè)計要求膜厚 ≥0.5 mm，土工布規(guī)格為 250 g/m2，但經(jīng)過一期圍堰試驗及現(xiàn)場施工效果反映，規(guī)格為 250 g/m2的土工布其拉伸斷裂強度（設(shè)計要求 ≥20 kN/m）及抗穿刺能力較弱，現(xiàn)場鋪貼質(zhì)量合格率較低，容易造成返工現(xiàn)象，對枯水期有限的水利工程極為不利，后經(jīng)過多規(guī)格品種的土工布現(xiàn)場試驗，決定采用 1 200 g/m3 的土工布為最佳方案。

（2）復(fù)合土工膜的鋪設(shè)及拼接。沿垂直于圍堰軸線方向水平滾鋪，鋪設(shè)應(yīng)在干燥暖和天氣進(jìn)行，并盡量保證鋪設(shè)工作面干地施工。為了便于拼接，防止應(yīng)力集中，復(fù)合土工膜鋪設(shè)采用波浪形松馳方式，富余度約為 1.5%，攤開后及時拉平、拉開，要求復(fù)合土工膜與坡面吻合平整，無突起褶皺。施工人員應(yīng)穿平底布鞋或軟膠鞋，嚴(yán)禁穿釘鞋，以免踩壞土工膜；施工時如發(fā)現(xiàn)土工膜損壞，應(yīng)及時修補。

焊接采用熱熔焊法施工，拼接包括土工布的縫接、土工膜的焊接，為了確保焊接質(zhì)量，由專業(yè)技術(shù)人員采用土工膜專用焊接設(shè)備進(jìn)行。

（3）上下墊層及鉛絲籠卵石鋪填。①上下砂墊層施工。在復(fù)合土工膜下方先均勻鋪填 20 cm 砂墊層，人工鋪設(shè)方格網(wǎng)控制標(biāo)高進(jìn)行找平、拍實后，再進(jìn)行復(fù)合土工膜的鋪設(shè)。最后在復(fù)合土工膜上人工均勻鋪填 20 cm 砂墊層并找平拍實。②50～100 cm 鉛絲石籠施工。在上游橫向圍堰水平段、末端鋪設(shè) 50 cm 厚的鉛絲石籠，在上、下游圍堰與隔墻接合加強段處采用 150 cm 厚鉛絲石籠過渡的方式處理。

鉛絲石籠填充物采用卵石，粒徑范圍為150 mm≤D≤300 mm，應(yīng)級配良好、質(zhì)地堅硬、遇水不易崩解和水解、抗風(fēng)化。卵石料在上、下游河灘地進(jìn)行人工揀選。將鉛絲籠按照要求，順坡堆砌好，人工向鉛絲籠內(nèi)填石料，直至鉛絲籠內(nèi)的石料填滿后，進(jìn)行鉛絲籠的封蓋。

3 施工結(jié)果檢驗

設(shè)計要求圍堰堰身相對密度 ＜0.60，經(jīng)現(xiàn)場檢測，平均相對密度為 0.70，滿足設(shè)計要求。按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)其滲水量按照圍堰 10—5 月 10 a 一遇最高水位時，二期基坑滲漏量應(yīng)＜7 800 m3/d，二期圍堰施工完成后，現(xiàn)場基坑滲流量為4 800 m3/d，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，越來越多中小型水利工程在西部涌現(xiàn)。雖然圍堰作為水利工程中的臨時工程，但卻又是最為重要的工程之一，圍堰施工質(zhì)量的好壞直接影響了整個工程施工的安全性。本工程處于砂卵石豐富河床上，通過就地取材的方式，大大提高了施工導(dǎo)流及圍堰的經(jīng)濟性。并通過對相關(guān)材料的優(yōu)化選擇，水力、龍口的安全計算，大大減小了整個工程的危險性，其中相關(guān)的實施經(jīng)驗可為其他同類工程提供參考。