□石 泰

甘肅劉川工業(yè)園黃河取水泵站施工導流設計

□石 泰

基于工程現(xiàn)狀及施工導流制約因素，對甘肅劉川工業(yè)園黃河取水泵站施工導流建筑物的3個設計方案（鋼板樁格型圍堰方案、筑島圍堰方案、土石圍堰方案）進行經(jīng)濟技術分析，最終選定筑島圍堰方案為最優(yōu)方案。

導流；黃河；鋼板樁格型圍堰；筑島圍堰；取水泵站

甘肅劉川工業(yè)園在黃河岸邊修建取水泵站引水，取水泵站位處黃河寬度約170m，河底高程 1370.4m，取水泵站主體深入河道約13m，距上游已建泵站間距約20m，施工期間不能影響上游已建泵站運行，根據(jù)工程規(guī)模及布置情況，受水位影響部分需在一個非汛期內(nèi)完工，施工工期十分緊張，是整個工程的關鍵所在。

1.導流方式及標準

根據(jù) 《水利水電工程施工組織設計規(guī)范》SL303—2004規(guī)定，確定導流建筑物級別為5級，導流標準為5年一遇，導流方式采用岸邊擋水圍堰導流方式，導流時段確定為12月1日～次年6月30日。根據(jù)水文計算施工期洪水成果，導流時段內(nèi)黃河5年一遇最大施工洪峰流量為2230m3/s，對應水位為1375.7m，導流時段內(nèi)枯水期（12月～次年3月）5年一遇施工期洪峰流量 1020m3/s，對應洪水水位1373.8m。

2.導流建筑物設計

在取水泵站施工期間，上游已建泵站需正常運行，由于取水泵站與上游已建泵站間距約20m，且取水泵站開挖基坑底高程為1367.4m，常規(guī)土石圍堰填筑空間不足，考慮對鋼板樁格型圍堰、筑島圍堰、土石圍堰方案進行比選。

2.1 鋼板樁格型圍堰方案 （方案1）

河底有卵礫石覆蓋層，由于地基打樁較為艱難，打樁前用抓斗式挖泥船將覆蓋層清除，打樁完成后再將覆蓋層回填，同時板樁采用腹板厚度12.7mm的平腹板型鋼板樁（60.8kg/m、板樁寬度400mm）。

導流時段內(nèi)黃河5年一遇施工洪峰流量為2230m3/s，對應水位為Q=m1375.7m；按照非淹沒堰流計算（m取0.3），圍堰束窄河床后水位升高0.4m；按照莆田試驗站公式計算超高1.22m（安全加高0.3m，波浪爬高0.9m，風壅水面高度0.02m），確定圍堰頂高程1377.32m。

鋼板樁格型圍堰一般要求板樁應打入巖石層，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)剖面推算，黃河灘地基巖高程1365m，主河道基巖高程1355m，考慮砂礫石層打樁困難等因素，設計板樁打入高程為1365m，因此確定板樁高度為12.32m。根據(jù)《水利水電工程施工設計手冊1施工規(guī)劃》P612規(guī)定，滿足穩(wěn)定要求的格體平均寬度與高度比值一般在0.75～1.0之間，因此選用圓形格體主圈直徑D=14.74m，副圈半徑r=4.08m，相鄰兩筒圈間距2L=16.18m（單位格體需樁數(shù)116根），格型圍堰平均寬度b= 12.27m。

由于黃河河道內(nèi)基巖高程較低，板樁難以深入巖石層，為減小基坑排水量，同時降低發(fā)生管涌風險，可沿著圍堰內(nèi)側(cè)布置兩排旋噴灌漿孔至基巖，孔間距為1m。

式中：

K1—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f—填料與地基的摩擦系數(shù)，取0.4；

G—格體填料的重量；

P—作用于格體的總水平力，PA+ PW-PP；

經(jīng)計算K1=1.65＞1.25

式中：

K2—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；

Mr—抗傾覆阻力矩；

Ma—傾覆總力矩；

經(jīng)計算K2=6.36＞3

③格體內(nèi)部穩(wěn)定計算：K2=

式中：

K3—抗剪變形安全系數(shù)；

Mf—填料阻力矩；

Ma—荷載對格體底部的變形力矩，取4500t·m；

Ms—板樁鎖扣之間摩擦力產(chǎn)生的阻力矩；

式中：

γm—填料的有效容重，浸潤線以上容重和以下容重的加權平均值；

φ—填料的內(nèi)摩擦角；

H—格體的高度；

f—板樁鎖口之間摩擦力系數(shù)，取0.3；

m—側(cè)向土壓力系數(shù)，m=tg2(45°-φ/ 2)；

λ—格體的平均寬度與高度之比，λ=b/H。

經(jīng)計算K3=1.65＞1.25

2.2 筑島圍堰（方案2）

由于取水泵站與上游已建泵站間距約20m，上游橫向圍堰無法直接填筑圍堰至設計頂高程，因此本方案筑島圍堰分兩期填筑，根據(jù)水文計算取水口施工期洪水成果，可在導流時段內(nèi)枯水期（12月～次年3月）填筑一期圍堰，枯水期水深較小，可采用袋裝砂卵石填坡，一期圍堰填筑完成后修建防滲墻，上游橫向圍堰采用兩排0.6m厚鋼筋混凝土防滲墻，縱向和下游橫向圍堰采用0.6m厚混凝土防滲墻，上游橫向圍堰鋼筋混凝土防滲墻一期圍堰以上采用現(xiàn)澆方式，縱向和下游橫向圍堰混凝土防滲墻至一期圍堰頂高程。防滲墻施工完畢后上游橫向圍堰間填料，縱向和下游橫向圍堰采用取水泵站基坑開挖土料填筑膠結(jié)砂礫石圍堰，此圍堰本身具有防滲功能，不再另設防滲措施。

導流時段內(nèi)枯水期對應施工期洪水水位1373.8m，按照非淹沒堰流計算填筑圍堰后水位雍高0.5m，安全超高0.5m，確定一期圍堰頂高程1374.8m；二期圍堰高程為整個導流時段對應施工期洪水位 1375.7m，疊加水位雍高0.5m，按照莆田試驗站公式計算超高1.24m （安全超高 0.5m、波浪爬高0.72m、風壅水面高度 0.02m），最終確定圍堰頂高程為1377.44m。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)計算，上游橫向圍堰兩道鋼筋混凝土防滲墻間距8m，之間采用連系梁連接（1m×0.6m），鋼筋混凝土防滲墻豎向鋼筋采用φ22@200，水平向鋼筋采用φ12@200，鋼筋混凝土防滲墻和混凝土防滲墻均深入基巖。二期圍堰采用膠凝砂礫石 （粒徑≤150mm）填筑梯形斷面，頂寬3m，邊坡為1∶1，水泥摻量80kg/m3。

①膠凝砂礫石圍堰抗滑穩(wěn)定計算：

式中：

K—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f—填料與地基的摩擦系數(shù)，取0.4；

ΣW—作用于堰體上的全部荷載

對滑動面的法向分力值；

ΣP—作作用于堰體上的全部荷

載對滑動面的切向分力值；

經(jīng)計算=3.52＞1.2

②砂礫石圍堰抗滑穩(wěn)定采用瑞典圓弧法計算，計算結(jié)果1.39＞1.05，滿足規(guī)范要求。

③鋼筋混凝土防滲墻穩(wěn)定計算：

式中：

Ke—嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；

Eak、Epk—分別為基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力標準值(kN)；

aa、ap—分別為基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至雙排樁地端的距離（m）；

G—雙排墻和墻間土的自重之和（kN）；

aG—雙排墻和墻間土的重心至前排樁邊緣的水平距離（m）；

經(jīng)計算Ke=1.23＞1.15

2.3 土石圍堰（方案3）

方案3與方案2類似，上游橫向圍堰布置及防滲墻布置與方案2相同，縱向圍堰和下游橫向圍堰采用水中填筑圍堰方式并設0.6m厚混凝土防滲墻。

方案縱向圍堰和下游橫向圍堰考慮圍堰填筑機械交通要求，頂寬按照10m設計，水中填筑圍堰內(nèi)外邊坡按照1∶3計算。

導流時段對應施工期洪水位1375.7m，按照非淹沒堰流計算填筑圍堰后水位雍高0.55m，按照莆田試驗站公式計算超高1.24m （安全超高0.5m、波浪爬高0.72m、風壅水面高度0.02m），最終確定圍堰頂高程為1377.49m。

砂礫石圍堰抗滑穩(wěn)定采用瑞典圓弧法計算，計算結(jié)果1.45＞1.05，滿足規(guī)范要求。

2.4 方案比選

各個方案優(yōu)缺點下表，從表格可以看出，無論從技術角度還是經(jīng)濟角度，方案2均優(yōu)于其他兩個方案，因此工程推薦方案為筑島圍堰方案。見表1。

3.基坑排水

取水泵站基坑滲水可采用明溝排水，沿基坑四周開挖排水溝，每隔10m～20m設置一處集水井，每處集水井設置一臺潛水泵將水排入黃河河道，水泵臺數(shù)及型號可根據(jù)滲水量大小進行調(diào)整。

工程是在河道修建岸邊擋水圍堰，其特點是且施工空間受限，主體工程任務重、施工強度大，方案的選取及計算可為類似工程提供借鑒和參考。

表1

2017-02-08

石 泰，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設計研究院，工程師。