浐、灞河下穿隧道工程I 期圍堰導(dǎo)流明渠設(shè)計與施工探討

劉承祥，史紅軍，王方元

（1.陜西丞海水務(wù)工程有限公司,陜西 西安 710000；2.中鐵一局鐵建公司,陜西 咸陽 710000）

1 工程概況

浐、灞河匯流段,河寬約530 m,在橡膠壩上游100 m 處,修建一座下穿隧道工程,全長1.6 km,下穿河道段約520 m。下穿隧道工程位于兩河道的交匯處下游150 m 處,施工期在11 月至來年6 月,施工期正值北方的枯水期。橡膠壩已在10月底開始塌壩,右岸閘門開閘放水。整個河道內(nèi)僅有2 條河道匯流的一條水流,約8 m 寬,其余均為灘淤。根據(jù)測量數(shù)據(jù),左岸灘淤比右岸灘淤高1.5 m,匯流河水臨近右岸堤防下泄。下穿隧道工程分為二期建設(shè),一期建設(shè)在河道內(nèi)的右側(cè)。根據(jù)河道周邊情況,無法實施河道外導(dǎo)流,只能實施河道內(nèi)分期導(dǎo)流,將兩條河道匯流水流導(dǎo)流至一期圍堰左側(cè)30 m 左右,然后開始填筑I 期圍堰,創(chuàng)造一期施工的干地條件,敞開式開挖下穿隧道工作區(qū)域。受下游橡膠壩的影響,此處河道水流緩慢,經(jīng)多年沉積,壩前分布著5 m～7 m 深厚的淤泥層,淤泥主要成分是粗砂、膠粒和黏粒。

2 導(dǎo)流明渠設(shè)計

2.1 導(dǎo)流明渠設(shè)計的基本原則和原理

（1）導(dǎo)流明渠設(shè)計應(yīng)安全可靠、經(jīng)濟合理。本項目河床均為灘淤,無法進行挖掘開溝,若采用土石進占戧堤改流,無論從經(jīng)濟上還是工期上,都無法滿足。經(jīng)多方考察：提出一種兩棲式多功能挖泥船,利用該設(shè)備在陸地、沼澤和水面多種工況勝任的優(yōu)勢,采用該設(shè)備的挖掘、絞吸和吹填功能相結(jié)合,達到快速形成導(dǎo)流明渠的目的。

（2）導(dǎo)流明渠彎道半徑不宜小于3 倍明渠底寬,進出口軸線與河道主流方向夾角宜不小于30°,避免泄洪時對上下游沿岸及施工設(shè)施產(chǎn)生沖刷影響。

（3）明渠的底寬、比降、彎道和進出口高程應(yīng)使上下游水流銜接良好,滿足導(dǎo)流、截流等要求。

（4）水力絞吸法的原理。待導(dǎo)流明渠初挖結(jié)束后,開始進行導(dǎo)流明渠的絞吸工作,通過降低明渠的高程和增加明渠的寬度,由于剛形成的渠首是不規(guī)則的形狀,水流流速較大,各流層的液體質(zhì)點形成渦體,水流形成紊流形態(tài)。此時剛流進渠首的水深小于臨界水深（佛汝德數(shù)＞1）,水流遇到障礙物時,引起局部水面的變化,而這種變化不向上游傳播,只影響下游。因此在這種情況下,是利用流水的作用進行“沖槽”,對導(dǎo)流明渠的拓寬和加深起到了很大的作用。

2.2 導(dǎo)流明渠設(shè)計方案

（1）泄洪出口位置選擇

本工程位于灞河、浐河交匯位置,目前主河道位于右岸側(cè),浐河水在河道內(nèi)由西南向至東北向流至主河道后與灞河水匯流后流向下游。根據(jù)現(xiàn)場實測,灞河左岸水閘底板面標(biāo)高為375.24 m,灞河右岸水閘底板面標(biāo)高371.65 m；灞河河床底標(biāo)高介于374 m～375 m 之間,因此本次導(dǎo)流出水口確定為右岸水閘下泄。

（2）導(dǎo)流明渠的線路要素和斷面參數(shù)

結(jié)合隧道工程I 期施工圍堰的平面圖及現(xiàn)場水流位置,本次實施的導(dǎo)流明渠位于圍堰外（左）側(cè),明渠位置距離圍堰坡腳不小于30 m。從圍堰上游側(cè)設(shè)置導(dǎo)流明渠將灞河水向左引導(dǎo),同時將浐河水向右導(dǎo)流,兩河在圍堰左側(cè)30 m 匯流后向前至橡膠壩,再向右岸水閘處。根據(jù)《水利水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計規(guī)范》（SL 623-2013）要求和兩棲式多功能作業(yè)船的作業(yè)參數(shù)選取見表1。導(dǎo)流明渠施工采用兩棲式多功能作業(yè)船,由南向北（自上游而下游）吹填導(dǎo)流明渠,吹填泥漿輸送至橡膠壩后；如部分區(qū)域高程低于水面高程,則采用將泥沙吹填低區(qū)域形成壅高灘地,這樣灞河水及浐河水沿導(dǎo)流明渠流向既定的導(dǎo)流明渠線路,為后期圍堰施工提供有利條件。

表1 浐灞河導(dǎo)流明渠線路要素和斷面參數(shù)表

3 導(dǎo)流明渠的施工

3.1 導(dǎo)流明渠探挖的回流速度的觀測分析

為了給導(dǎo)流明渠提供一個臨時的過水通道,需要先進行導(dǎo)流明渠自下而上的疏挖,形成一個“過水”通道（為日后流水自上游而下提前開辟通道）,由于導(dǎo)流明渠在無過水的情況下,明渠兩側(cè)會發(fā)生淤泥回塌現(xiàn)象,因此進行淤泥回塌速度的觀測分析。在擬開挖導(dǎo)流明渠區(qū)域,便于測量的位置,進行開挖長10 m、寬7 m,深2.5 m 的試驗性的河槽,每天進行槽底淤泥的相對高程觀測,觀測數(shù)據(jù)見表2?？梢缘贸?先期進行的導(dǎo)流明渠開挖工作,在7 天內(nèi)槽內(nèi)仍有30 cm～40 cm的過水通道,可以為上游導(dǎo)流后的來水提供一個過水通道。

表2 開挖成槽后淤泥回塌日觀測記錄

3.2 逆向開挖導(dǎo)流線路

經(jīng)過探挖的回流速度的分析,如圖1 中,自右岸閘門D處附近處開始逆向（導(dǎo)流明渠過水方向）方向開挖導(dǎo)流槽至兩河匯聚B 處,接著繼續(xù)向浐河C 處開挖導(dǎo)流槽（D-B-C 段）。開挖過程中每50m 按照設(shè)計高程和1‰的比降控制,疏挖導(dǎo)流線路,形成微內(nèi)傾斷面,便于引入兩側(cè)的自由水進入導(dǎo)流槽內(nèi),創(chuàng)造浐河水流導(dǎo)流明渠成槽的過程。

3.3 排泥管的布設(shè)

排泥管布設(shè)在導(dǎo)流明渠附近,兩棲式多功能挖泥船順流絞吸,船前進時,拆除船后的排泥管。為此采用柔性好、質(zhì)量輕的PE 管,規(guī)格直徑220 mm,管道采用熱熔法蘭連接。每節(jié)管道安裝1 個浮筒。這樣會大大減少管道與淤泥的接觸面積,兩棲式多功能作業(yè)船可以較為自由的實現(xiàn)淤泥灘地的管道拖拽。管道布設(shè)沿從左岸閘門處穿出,接至橡膠壩后方200 m 處。

3.4 絞吸疏挖

利用兩棲式多功能環(huán)保作業(yè)船的絞吸功能,絞吸的泥沙輸送至橡膠壩壩后,配合測量班實時測量,控制河道清淤比降,已達到使來水進槽的目的。單班可以實現(xiàn)1500 m3的水下方量。按照實際工況和區(qū)位,依托船體自身動力,通過絞吸、管道輸送一體化作業(yè),精確定位,精準(zhǔn)挖深,自上游至下游絞吸淤泥,節(jié)節(jié)拆除輸送泥漿管道。浐、灞河導(dǎo)流槽的施工作業(yè),通過絞吸吹填作業(yè)形成浐河導(dǎo)流明渠,并封堵浐河原河道,明渠過水,“不斷拉深、拉寬”導(dǎo)流明渠。

3.5 吹填壅高改水及明渠修整

由于灞河導(dǎo)流明渠施工區(qū)域位于原來的過水位置,此處需要進行壅高灘面高程,才能將灞河流水引至既定導(dǎo)流明渠內(nèi)。在施工時,選取灘地含沙量高的泥沙區(qū)域,通過兩棲式多功能挖泥船吹填,將出沙送至低區(qū)域處,反向淤積成堆,繼而整個低洼處雍高,從而徹底截流灞河的水道,順接流向新的導(dǎo)流明渠內(nèi)（如圖1,A-D 段）,完成本工程任務(wù)。按照設(shè)計線路進行個別區(qū)域的修整,導(dǎo)流水流順暢、無死角,符合相關(guān)規(guī)范的要求。

圖1 浐灞河導(dǎo)流明渠竣工圖

4 結(jié)論和建議

通過對浐灞河實施的導(dǎo)流明渠的設(shè)計和施工經(jīng)驗,對日后類似工程施工和設(shè)計做出如下結(jié)論和建議：

1）本次導(dǎo)流明渠采用的兩棲式多功能作業(yè)船,具有旱地、沼澤及涉水等不同區(qū)域和場合的應(yīng)用性,并且具有一機多用（挖掘、絞吸、抓耙和打樁）的優(yōu)勢,為完成了本項目的作業(yè)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

2）在河道內(nèi)導(dǎo)流,有大厚度淤泥的灘面工況下,無論采用傳統(tǒng)的挖運倒運、或者形成導(dǎo)流戧堤,都在工程技術(shù)上或者經(jīng)濟性上,都與絞吸吹填方案無法相比。

3）導(dǎo)流明渠的施工,借用水的勢能作用,可以實現(xiàn)快速“沖槽”,具有事倍功半的效果。

4）通過本次的導(dǎo)流工程的設(shè)計和施工,我們加強對導(dǎo)流施工技術(shù)的分析和導(dǎo)流的施工裝備的研究,從而對涉水的其他行業(yè)施工,都有個很好的指導(dǎo)和借鑒意義。