船閘隔水墻兼顧汛前臨時擋水圍堰工程實踐

周燦，唐玉元

摘要：為使船閘工程提前建成投運，需解決提前拆除圍堰后對基坑內施工作業(yè)的影響。分析了湘祁二線船閘工程圍堰拆除后利用船閘隔水墻替代擋水方案的可行性。隨著水壓、滲流等外部邊界條件改變，隔水墻擋水工況也隨之改變，因此重新核算安全指標，分析擋水效果。在此基礎上，結合工程實際條件，提出了隔水墻和隔水堤重構防滲體系的技術方案以及保障施工安全和工程安全的技術措施。結果表明，該方案和技術措施可行，保障了該工程提前半年完工，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

關鍵詞：船閘工程； 隔水墻； 擋水； 滲流

中圖法分類號：U614.2+1文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.012

文章編號：1006-0081（2023）09-0074-05

0引言

在通航河流上，船閘等通航建筑物往往與閘壩等擋水建筑物一并建設。當船閘毗鄰泄水閘、電站等水工建筑物布置時，需要設置足夠長度的隔水墻或隔流堤，避免引航道內產(chǎn)生泡漩、亂流等非恒定流態(tài)，確保通航水流條件滿足過閘船舶航行安全和停泊。大部分船閘建設都要對隔水墻以及由隔水墻構成的引航道的平面布置做專題研究，包括模型試驗。但相關研究大都是設計階段基于通航安全改善口門區(qū)和引航道內水流條件，在施工階段改變運行工況，利用隔水墻兼顧擋水圍堰的工程案例相對較少。

根據(jù)湘祁二線船閘工程原設計方案，隔水墻并不兼顧圍堰擋水。但建設單位基于湘祁二線船閘主體工程已經(jīng)完工的實際情況，要求提前建成船閘并投入運營。為了實現(xiàn)在2021年7月1日前通航的目標，需要將原計劃汛后施工的引航道水工建筑物提前至汛前施工。因此，提出了“船閘隔水墻兼顧汛前臨時擋水圍堰”的圍堰替代方案。

對于隔水墻兼顧擋水圍堰的運行工況，現(xiàn)有較為豐富的工程實踐和理論成果。在圍堰水流及洪水模擬方面，富春江船閘改建工程［1-2］根據(jù)近壩消能區(qū)過水圍堰及水流特性，實現(xiàn)了圍堰重點部位的分區(qū)分段差異化防沖刷設計。陸虹等［3］運用HEC-RAS軟件模擬了潰堰洪水的演進過程，豐富了制定度汛方案的分析工具。在圍堰穩(wěn)定研究方面，除了剛體極限平衡法［4］等巖土設計規(guī)范采用的定量評價辦法外，有限元法［5］等數(shù)值模擬也大量運用于抗滑穩(wěn)定分析中。在圍堰滲流方面，水位驟升驟降［6-8］條件下，非穩(wěn)定滲流對邊坡穩(wěn)定性能影響很大，周建芬等［9］建立了應力場與滲流場耦合作用數(shù)值模型，分析了水位變化對沉降和滲漏的影響，為預防圍堰潰決提供了理論支撐。在堤堰應力應變研究方面，陳輪等［10］通過有限元模擬了三峽工程隔流堤擋水的應力變形，解釋了邊坡局部滑動的原因。

湘祁二線船閘的隔水墻按運行工況進行設計，未考慮單側擋水工況，沒有布置防滲系統(tǒng)。本文通過結構剛度驗算、抗滑穩(wěn)定分析和滲流分析等理論計算，采取相應的工程技術措施，有針對性地處置隔水墻替代擋水圍堰后，隔水墻單側擋水的結構安全和穩(wěn)定問題，以及保障基坑內干地作業(yè)的防滲系統(tǒng)重構等，實現(xiàn)了提前拆除圍堰的替代擋水方案。

1工程概況

湘祁二線船閘位于湘江中游衡陽市境內，是湘江永州至衡陽三級航道工程的關鍵控制性工程之一。作為湘江高等級內河航道網(wǎng)的重要組成部分和控制性工程，項目建成后，岳陽城陵磯至永州萍島全長723 km的高等級航道將全線貫通，有利于構建綠色交通、優(yōu)化沿江產(chǎn)業(yè)布局，形成區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展新格局。同時，對于遠期溝通長江水系和珠江水系、打通湖南第二條出海通道具有重要的戰(zhàn)略意義。

湘祁二線船閘平行布置于一線船閘岸側，兩線軸距80 m，一、二線船閘之間通過設置隔水墻（堤）分設引航道［11］。從上游至下游依次布置的主要建筑物有：上游引航道（靠船墩、隔流墻、浮式檢修門門庫、導航墻）、船閘主體（上閘首、閘室、下閘首）、下游引航道（導航墻、隔水墻、靠船墩）。其中，閘室有效尺度為180 m×23 m×4 m（長度×寬度×門檻水深），下游引航道全長576 m，寬55 m。平面布置見圖1。

1.1氣象及水文地質條件

湘江流域內多年平均降水量1 300～1 500 mm，衡陽市降水時空分布不均，全年降水主要集中在汛期4～9月，汛期降水量占全年的62.8 %，僅主汛期4～6月的降水就占全年總量約41.1 %，最大降水量一般出現(xiàn)在5月。工程區(qū)位于華南準臺地的湘桂贛褶皺帶之中，地層呈單斜構造，巖層產(chǎn)狀為20°～40°∠6°～9°。區(qū)域內地質構造簡單，覆蓋層最大厚度約16.2 m，主要為粉質黏土，底部為厚約1.0～5.9 m的砂卵石層，覆蓋層下伏中厚層狀泥質粉砂巖，巖石遇水易軟化，脫水易干裂，局部裂隙稍發(fā)育。地下水類型主要有第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水，強風化巖及淺埋破碎的中風化巖透水率10.6～15.1 Lu，屬中等透水層［12］?；鶐r地質參數(shù)見表1，2。

1.2施工總體部署

湘祁二線船閘工程原計劃于2021年12月31日全部完工，總工期36個月。關鍵控制性節(jié)點為上下閘首主體結構及人字門安裝，原計劃在人字門安裝完成并具備擋水條件后，拆除上、下游圍堰，利用主汛期結束后的枯水期啟動圍堰占壓部位的結構施工。根據(jù)“船閘隔水墻兼顧汛前臨時擋水圍堰”設計方案，需要在3月春汛來臨前將占壓隔水堤段的縱向圍堰拆除，再實施圍堰占壓部位的引航道邊坡混凝土襯砌。下游引航道位于梯級電站庫尾末端，受上游泄水影響，水位變幅較大，且縱向圍堰全線占壓隔水堤坡面，長達363 m，邊坡襯砌工程量大?？v向圍堰拆除后，湘江臨水側只留存一段頂部高程為68.5 m的隔水堤和頂部高程為73.83 m的隔水墻，隔水堤僅能抵御流量為1 800 m3/s、相當于11月至次年2月洪水頻率P=33.3%的分期洪水。因此，失去圍堰保護的下游引航道基坑不僅面臨降雨即進水的風險，工期也無法保證。而上游隔水墻位于徑流式電站無調節(jié)功能的庫區(qū)，水位變幅很小，圍堰“瘦身降高”后基坑進水風險反而小于下游。因此，需要重點研究汛前提前拆除下游縱向圍堰的情況下保障下游引航道正常施工和施工安全的圍堰替代方案。下游隔水堤與下游縱向圍堰的關系見圖2。

2方案論證和應對措施

基于工程實際并參考類似項目理論研究成果，湘祁二線船閘施工期間，利用船閘隔水墻兼顧汛前臨時擋水圍堰應當解決的主要技術問題包括：① 單側擋水工況下隔水墻的強度及穩(wěn)定性；② 隔水堤單側擋水工況下的穩(wěn)定性；③ 基礎滲流狀態(tài)和防滲體系構建問題。除上述關鍵性技術問題外，施工期水流邊界條件和水力條件變化較大，臨時擋水替代方案的擋水標準很低，設置可靠的臨時監(jiān)測體系和預警系統(tǒng)［13-14］及時收集水位流量、沉降位移、滲流滲壓等基本水力數(shù)據(jù)以確保施工安全是必不可少的。有研究表明，剛性混凝土隔水墻與土石圍堰接觸面存在錯動變形［15］，為了避免在接觸面發(fā)生滲透破壞，需要做好隔水墻末端與縱向圍堰的銜接處理，形成封閉擋水線。當單側擋水的高度超過經(jīng)計算允許高度時，隔水墻可能存在傾覆以及推移等破壞性問題。因此，預計水位將超過允許高度時，需要采取船閘基坑充水平壓等應急預案。當基坑進水并在排水過程中水位驟降，可能引發(fā)圍堰內側邊坡垮塌等問題時，均需要科學制定應對措施。

2.1隔水墻單側擋水工況分析

下游隔水墻已在上一個枯水期完成施工，采用的是倒T形鋼筋混凝土結構型式，混凝土強度等級C25，基礎斷面尺寸5.0 m×1.5 m，墩身斷面尺寸1.50 m×5.33 m。原設計為雙側水壓平衡的運行工況，當單側擋水時，需重新復核結構的強度及穩(wěn)定性。按基坑內無積水的最不利工況計算，當下游水位為72.2 m時，相應洪水流量6 245 m3/s，相當于11月至次年2月P=5%的分期洪水，此時的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)剛好達到規(guī)范規(guī)定的臨界值，抗傾系數(shù)大于1.5，地基承載力滿足設計要求。同時，最大危險截面出現(xiàn)在墻身底部。經(jīng)復核，墻身結構尺寸及結構配筋滿足結構安全要求，計算結果見表3。 因此，只能考慮隔水墻單側擋水時段設計擋水標準不高于11月至次年2月P=5%的分期洪水，否則，需要采取基坑充水平壓等措施確保隔水墻安全。

2.2隔水堤單側擋水工況分析

隔水堤大部分是開挖原狀岸坡形成的巖堤，巖層主要是白堊系強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖，隔水堤末端巖層下伏較深，隔水墻設置在砂卵石覆蓋層上，局部未達設計高程的部位由石渣混合料填筑形成。對于巖質隔水堤，采用了兩級邊坡并設置馬道，減少邊坡部分荷載，提升了邊坡整體穩(wěn)定性。同時，緩傾角產(chǎn)狀與坡面大角度相交，發(fā)生弧面滑動破壞的可能性較小。為確保安全，按照極限平衡理論，采取瑞典條分法計算最小安全系數(shù)。對于隔水堤末端，覆蓋層與下部風化巖層的巖-土分界面是集中滲漏通道和薄弱面。因此，在確定最小安全系數(shù)的滑動面位置時，除了常規(guī)的試算外，還應將巖-土分界面作為指定滑面進行穩(wěn)定計算，即滑動面通過邊坡馬道坡腳處，見圖3。

隔水堤原設計運行工況與隔水墻一樣，為雙側水壓平衡工況，當單側擋水時，分別取隔水墻允許最高擋水高程對應的下游水位72.2 m至隔水堤堤頂高程68.5 m之間的不同擋水位，綜合考慮孔隙水壓力等因素，采用瑞典條分法計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

Kc=∑［W±Vcosα-ubseca-Qsinα］tanφ′+c′bsecα∑W±Vsinα+MτR（1）

式中：W為土條容重（水位以下用浮容重，水位以上用濕容重，浸潤線與水位之間用飽和容重）；Q，V分別為水平和垂直地震慣性力；φ′、c′為土條底面有效應力抗剪強度指標；u為作用于土條底面的孔隙水壓力；b為土條寬度；α為土條底面中心的切向與水平向夾角；R為圓弧半徑；Mτ為水平地震慣性力對圓心的力矩。

經(jīng)多次試算后得出，擋水水位70.9 m（相當于11月至次年2月P=5%的分期洪水）工況時，巖-土分界面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1，接近規(guī)范規(guī)定的臨界值，巖質隔水堤穩(wěn)定安全系數(shù)1.48，大于規(guī)范要求的最小值1.05。

取隔水墻和隔水堤單側擋水允許最高水位的最小值作為枯水期臨時擋水的設計標準，即隔水墻單側擋水時段的設計擋水標準不高于11月至次年2月P=5%的分期洪水，對應下游水位70.9 m、相應洪水流量4 513 m3/s。

2.3防滲體系構建

縱向圍堰的拆除將導致原防滲系統(tǒng)失效，如果重新在隔水墻下布設防滲帷幕，不僅成本高、工期長，而且帷幕灌漿與隔水墻的銜接等細部處理難度大，尤其是防滲帷幕發(fā)揮擋水作用的周期很短暫，投入產(chǎn)出比并不理想。因此，利用船閘隔水墻兼顧枯水期臨時擋水圍堰是在確保隔水墻安全穩(wěn)定的指導思想下，按照“短期臨時抵御過境洪峰，防止大透水，基坑內輔以抽排水”的原則構建防滲體系。

2.3.1滲流分析

對于湘祁二線船閘工程，正常庫水位情況下，基坑內外有大約6 m水頭差，因為浸潤線的存在，隔水堤堤體中的滲流可看做穩(wěn)定的無壓滲流。滲流分析時假定流速v和比降J的關系符合達西定律v=kJ，滲流基本穩(wěn)定，可用二維滲流方程分析：

xkxHx+ykyHy=0（2）

式中：H為測壓管水頭；kx和ky分別為滲透系數(shù)在x、y方向的分量。

項目位于徑流式水電站的日調節(jié)水庫庫區(qū)，水位驟升或驟降的概率較低，可不考慮浸潤線隨時間變化對堤體邊坡穩(wěn)定的影響，但基坑進水后抽排時應控制降水速率。

地質勘測結果表明，強風化巖及淺埋破碎的中風化巖最大透水率15.1 Lu，屬中等透水層。裂隙發(fā)育的緩傾角風化巖層，以及填筑石渣料、灘地砂卵石覆蓋層等強透水層都極易形成滲透通道，甚至發(fā)生管涌破壞。除不良地質條件外，隔水墻基礎開挖過程中，擾動、破壞了原始巖土結構，在墻基與隔水堤結合面存在滲透的可能性，當滲流沿著兩種不同介質接觸面流動時，將形成接觸沖刷，造成滲透破壞。

2.3.2重構防滲體系

（1） 黏土鋪蓋。隔水墻地下輪廓線的水平段與地基土接觸面間的水平接觸沖刷是滲透薄弱環(huán)節(jié)，在缺少垂直防滲體系的情況下，黏土鋪蓋能延長滲徑，將滲流坡降和滲透量降低至容許范圍內。引航道基坑大量分布粉質黏土（Q4al+pl），多呈可塑狀，塑性指數(shù)13.7，干密度1.62 g/cm3，滲透系數(shù)在1.5×10-6～8×10-7 cm/s之間，其物理性質及指標滿足黏土鋪蓋的要求，適合就地取材降低成本。為防止迎水側坡面發(fā)生直接滲漏，沿坡面鋪填約1 m厚黏土，再覆蓋砂卵石和塊石做防沖刷處理。河床水平段采用2 m的等厚鋪蓋，長度一般為內外水頭差的3～5倍，考慮到僅僅是短期的臨時性擋水，取1倍最大擋水水頭高度（8.3 m）控制，見圖4。

（2） 混凝土塞和混凝土鋪蓋。隔水墻基礎埋深1.5 m，基礎開挖時預留了超出底寬邊線的作業(yè)空間，原設計在基礎澆筑完成后回填石渣。當洪水漫過隔水堤堤頂時，沿基礎輪廓是集中滲水通道。為防止隔水墻墻基結合面發(fā)生接觸滲漏，首先將基礎兩側回填的石渣清除至基底，再換填強度等級為C25的混凝土予以封閉。河側堤頂采取混凝土鋪蓋的形式進行封閉，即沿隔水堤基礎頂面往江側澆筑厚約20 cm、強度等級為C25的混凝土鋪蓋，確保河側覆蓋到迎水側坡面并適當包裹，見圖5。

（3） 砂卵石反壓。隔水堤內側邊坡還沒有完成混凝土襯砌支護的結構段，采用袋裝砂卵石反壓坡面，防止?jié)B流溢出范圍發(fā)生管涌、流土等滲透破壞，保護裸露邊坡，增強邊坡穩(wěn)定性能。具體做法是沿坡面碼砌兩層袋裝砂卵石，按照粒徑隨滲流方向增大的原則設置：第一層為袋裝粗砂，第二層為袋裝卵石，每層厚度均為0.5 m，碼砌高度約2 m，相當于坡面高度的一半。

（4） 其他防滲措施。原設計所有結構段伸縮縫沒有設置止水，采取粘貼防水卷材做防滲處理。

3工程實踐

2021年上半年，湘江流域遭遇連續(xù)陰雨天氣超過50 d，僅1～3月，下游水位屢屢超過隔水堤頂0.5 m以上。3月11日過境的小洪峰流量達3 000 m3/s，下游水位69.84 m，超過隔水堤頂1.3 m，下游引航道基坑內外水頭差達到8.14 m。引航道基坑內雖然有明顯滲水，但未形成集中透水通道，未發(fā)生邊坡垮塌，兩臺功率為50 kW的排水設備完全滿足現(xiàn)場抽水需求，船閘隔水墻發(fā)揮了預期的擋水作用。同時監(jiān)測表明，隔水墻沉降位移值在安全允許范圍。由于采取了隔水墻兼顧臨時擋水圍堰的方案，成功將汛后施工計劃提前至汛前實施，最終提前實現(xiàn)了項目整體施工目標，工程于2021年6月24日建成通航，社會和經(jīng)濟效益顯著。

4結語

對于湘祁二線船閘工程，施工期間利用隔水墻臨時擋水改變了水工建筑物的原設計工況，隨著外部邊界條件變化，需要結合工程實際條件和受力狀況，系統(tǒng)分析結構的整體抗滑和抗傾穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性、地基承載力、滲水滲流等，重新核算建筑物安全指標，并制定相應的解決措施，以確保建筑物安全。

在湘祁二線船閘工程隔水墻基礎未進行專門防滲設計的情況下，不能有效控制滲流。采取黏土鋪蓋能有效降低水力坡降?；炷练忾]措施能有效截斷途經(jīng)隔水墻墻趾開挖區(qū)域的滲透通道，防止產(chǎn)生管涌、接觸沖刷等滲透破壞。基坑內側滲流出口設置砂卵石反濾體有效防范了管涌等滲透破壞。經(jīng)適當防滲處理后，隔水堤在施工期滿足擋水高度要求的情況下，可用于短期或臨時擋水。

參考文獻：

［1］吳啟和，張國志.近壩消能區(qū)過水圍堰水流特性研究——以富春江水電站船閘改建工程為例［J］.人民長江，2018，49（14）：105-109.

［2］孫萬通，張公略，李浙江.中高水頭樞紐船閘改擴建工程圍堰設計技術［J］.水運工程，2017（1）：136-142.

［3］陸虹，韓松林，王鵬.基于HEC—RAS的施工期圍堰潰決洪水模擬研究［J］.人民長江，2017，48（8）：60-63.

［4］孔凡輝，王麗華，花俊杰，等.軟弱地基土石壩壩基抗滑穩(wěn)定計算及加固處理［J］.人民長江，2018，49（19）：82-86.

［5］宋冬仿，林皓羽，蘇濤，等.有限元超載法在壩基抗滑穩(wěn)定分析中的應用［J］.人民長江，2012，43（1） ：9-11.

［6］詹美禮，蹤金梁，嚴飛，等.堤外水位升降條件下非穩(wěn)定滲流模型試驗研究［J］.巖土力學，2012，33（增1） ：91-96，111.

［7］王力，王世梅.庫水位驟降條件下動水壓力型滑坡穩(wěn)定性分析［J］.水電能源科學，2018，36（12）：117-120.

［8］林奇，王偉，王穎，等.潮位漲落過程中海堤滲流及穩(wěn)定性分析［J］.人民長江，2011，42（3） ：83-86，106.

［9］周建芬，毛前，王玉強，等.非穩(wěn)態(tài)滲流條件下應力場與滲流場耦合作用分析［J］.人民長江，2012，43（19） ：64-67.

［10］ 陳輪，王海燕，強茂山.三峽工程隔流堤結構應力變形的有限元分析［J］.水利水電技術，2003（2）：13-15.

［11］湖南省交通規(guī)劃勘察設計院.湘江永州至衡陽三級航道工程工程初步設計報告［R］.長沙：湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，2018.

［12］湖南省交通規(guī)劃勘察設計院.湘江永州至衡陽三級航道工程巖土工程勘察報告［R］.長沙：湖南省交通規(guī)劃勘察設計院，2018.

［13］潘文浩，尚欽，鄭華康，等.山區(qū)河道堤防工程滲控措施研究——以金沙江麗江段新建堤防工程為例［J］.水利水電快報，2022，43（1）：1-5.

［14］哈秋舲，包承綱，饒冠生，等.長江三峽工程關鍵技術研究：下冊［M］.廣州：科技出版社，2022.

［15］陸周祺.考慮流變效應的高土石圍堰應力變形分析［J］.人民長江，2013，44（7）：53-57，75.

（編輯：李慧）

Engineering practice of ship lock cut-off wall taking into account?the temporary cofferdam before flood

ZHOU Can1，TANG Yuyuan2

（1.Hunan Provincial Water Transportation Construction & Investment Group Co.，Ltd.，Changsha 410011，China；2.Hunan Provincial Communications Planning，Survey & Design Institute Co.，Ltd.，Changsha 410011，China）

Abstract： In order to enable the lock project to be completed and put into operation ahead of schedule，it is necessary to address the impact of removing the cofferdam ahead of schedule on the construction work in the pit.The feasibility of replacing the water retaining program by permanent building after cofferdam removal was analyzed.With the change of external boundary conditions such as water pressure and seepage，the working conditions of the cut-off wall were changed.The construction safety factors were recalculated based on the engineering practice，and water retaining effect was discussed.The reconstructed anti-seepage system of cut-off wall and embankment was proposed，and technical measures，ensuring the safety in construction and engineering were put forward.The results showed that the proposed technical programs and measures were feasible，ensured that the project was completed six months ahead of schedule，and achieved significant economic and social benefits.

Key words： ship lock project； cut-off wall； water retaining； seepage