施 軍，周 藝，董 俊

(揚(yáng)中市水利工程管理處，江蘇 鎮(zhèn)江，212000)

0 引言

在一些水系發(fā)達(dá)的地區(qū)，水利工程設(shè)施在防洪方面發(fā)揮著十分重要的作用，在擋水建筑物中，水閘作為重要的民生基礎(chǔ)設(shè)施，在工程建設(shè)中應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于保障區(qū)域內(nèi)水安全有著重要意義。在水閘建設(shè)過程中，圍堰施工是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，用以圍護(hù)施工的基坑，為水工建筑物施工提供干作業(yè)環(huán)境。如何做好水閘圍堰施工和降排水設(shè)計(jì)，是水閘工程建設(shè)中重要的課題之一。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

現(xiàn)萬福橋閘位于揚(yáng)中市，與新壩大港南端夾江江口的欄桿橋閘水系貫通，1973年7月建成，為單孔通航節(jié)制閘。為了將新壩大港排澇標(biāo)準(zhǔn)提高至20年一遇，長江側(cè)防洪標(biāo)準(zhǔn)提高至100年一遇，擬在現(xiàn)有萬福橋閘前約70m左右，距江口約750m處新建萬福橋閘站。新建萬福船閘位置見圖1。

圖1 萬福橋閘位置

新橋閘寬6m，單孔，居中布置，設(shè)計(jì)流量65m3/s；泵站設(shè)計(jì)排澇流量18m3/s，安裝4臺(tái)機(jī)組，兩側(cè)布置，單機(jī)設(shè)計(jì)流量4.5m3/s。萬福橋閘站工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)水工建筑物，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)工程為4級(jí)，閘上交通橋設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路－Ⅱ級(jí)[1]。

1.2 水文

揚(yáng)中河段屬于感潮河段，每日漲落兩次，最大潮差不足2.0m，平均潮差在1.0m左右。萬福橋閘站外側(cè)夾江最大流量約9260m3/s。多年平均流量約2930m3/s，最大流速2m/s。長江主航道與夾江的流量比約9∶1，夾江水位一般比長江主航道高0.2m左右。每年汛期長江水位高潮一般為4.5m～6.5m，低潮為3.5m～5m；枯水期長江水位高潮一般為2.5m～4.4m，低潮為2m～3.5m，新壩大港區(qū)域20年一遇24小時(shí)暴雨為233.2mm，閘外長江100年一遇水位為8.43m，300年一遇水位為8.82m。

1.3 地質(zhì)

土層自上而下可分為素填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂、粉質(zhì)粘土夾粉砂、粉砂夾粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂等。素填土成分不均一，松散稍密；粉質(zhì)粘土為中等偏高壓縮性；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂為高壓縮性；粉質(zhì)粘土夾粉砂為中等偏高壓縮性，以上幾種土層工程力學(xué)性能都比較差。粉砂夾粉質(zhì)粘土為中等壓縮性，工程力學(xué)性質(zhì)一般；粉細(xì)砂為中等壓縮性，工程力學(xué)性質(zhì)較好。

2 圍堰設(shè)計(jì)與施工

2.1 圍堰設(shè)計(jì)

根據(jù)?水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)?(SL 252－2017)、?水閘設(shè)計(jì)規(guī)范?(SL 265－2016)和?水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范?(SL 303－2017)的要求，圍堰頂高程不應(yīng)低于正常蓄水位(或最高擋水位)加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全加高值之和。

1、計(jì)算公式

式中，Y為壩頂安全超高，m；R為波浪沿壩坡爬升的高度，m；A為安全加高，4級(jí)不過水圍堰安全加高取0.5m。

2、計(jì)算過程

(1)本次復(fù)核波浪的平均波高和平均波長計(jì)算采用莆田試驗(yàn)站公式:

式中，hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；W為計(jì)算風(fēng)速，m/s，正常運(yùn)用條件下，采用多年平均最大風(fēng)速的1.5倍，即21.0m/s；D為風(fēng)區(qū)長度，m；Hm為水域平均水深，m；g為重力加速度，取9.81m/s2；Lm為平均波長，m。

(2)平均波浪爬高計(jì)算公式如下:

式中，Rm為平均波浪爬高，m；m為坡度系數(shù)；K△斜坡的糙率滲透系數(shù)，草包裝土護(hù)坡，取0.9；KW為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

參數(shù)取值見表1。

表1 參數(shù)取值

圍堰頂高程計(jì)算成果見表2。

表2 圍堰頂高程計(jì)算成果

3、計(jì)算結(jié)論

根據(jù)計(jì)算成果，長江側(cè)圍堰設(shè)計(jì)頂高程取7.3m，新壩大港側(cè)圍堰設(shè)計(jì)頂高程取5.5m，可以滿足規(guī)范要求。

在新壩大港側(cè)和長江側(cè)分別設(shè)施工圍堰進(jìn)行斷流施工。長江側(cè)圍堰頂高程7.3m，頂寬5.0m，迎、背水坡均在水位4.50m設(shè)平臺(tái)寬2.0m，迎水坡平臺(tái)以上邊坡為1∶2.5、平臺(tái)以下為1∶3.0，在水位4.50m～水位7.30m采用草包裝土進(jìn)行護(hù)砌；背水側(cè)平臺(tái)以上邊坡為1∶2.5，平臺(tái)以下為1∶3.8。新壩大港側(cè)圍堰設(shè)計(jì)頂高程5.5m，頂寬3.0m，迎水坡和背水側(cè)坡比均為1∶2.5，迎水坡在水位2.40m～水位5.50m采用草包裝土進(jìn)行護(hù)砌。

另外，長江側(cè)圍堰上新建臨時(shí)道路，與兩側(cè)堤頂銜接段堰頂?shù)缆钒?∶10放坡。臨江側(cè)的圍堰不僅僅起到攔水作用同時(shí)也是臨時(shí)交通道路，臨時(shí)道路采用4.5m寬的泥結(jié)石路面，本河道左側(cè)現(xiàn)有路面高程為8.7m，右側(cè)高程為9.3m，所以本圍堰要同時(shí)滿足在施工期間的交通，連接左右岸，堰頂高程設(shè)計(jì)為8.7m－7.3m－9.3m，大于10年一遇高潮位設(shè)計(jì)圍堰高度7.3m，能夠滿足本工程的圍堰功能需求。

根據(jù)瑞典條分法對(duì)圍堰設(shè)計(jì)斷面分別進(jìn)行迎水側(cè)和基坑側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

長江側(cè)圍堰迎水側(cè)水位6.37m，新壩大港側(cè)圍堰迎水側(cè)水位4.70m。具體計(jì)算成果見表3。抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值。

表3 圍堰穩(wěn)定計(jì)算成果

2.2 圍堰施工

2.2.1 施工組織

圍堰填筑全部采用距離本項(xiàng)目所在地35km的丁卯開發(fā)區(qū)外購黃黏土，長江側(cè)圍堰需土約4400m3，新壩大港側(cè)圍堰需土約3300m3，滿足交通要求圍堰增高增加約1000m3，共需黃土約8700m3。十天內(nèi)完成圍堰填筑，投入推土機(jī)2臺(tái)，挖機(jī)3臺(tái)，自卸汽車20臺(tái)。

2.2.2 圍堰填筑

(1)清理圍堰填筑范圍內(nèi)河道兩側(cè)雜物。

(2)水中填筑圍堰采用進(jìn)占法施工，從河道東側(cè)向西側(cè)進(jìn)占，圍堰合攏時(shí)，用人工配合挖掘機(jī)將擠壓在一起的淤泥土清除運(yùn)送至棄土場(chǎng)[2]。

(3)圍堰填土高出河水位0.5m后，用推土機(jī)分層平整壓實(shí)。圍堰水上填土，采用分層鋪土，分層壓實(shí)，層厚25cm，推土機(jī)平整壓實(shí)[3]。

(4)圍堰填筑完成，在迎水坡面上鋪設(shè)復(fù)合土工膜，土工膜用草袋裝土壓緊。

(5)圍堰內(nèi)排水結(jié)束，在背水坡坡腳適當(dāng)拋填塊石鎮(zhèn)腳，兼作滲水反濾層，并開挖排水明溝，專人排水[4]。

(6)施工過程中保護(hù)好原有的水路通道、河道沿岸涵閘的暢通，對(duì)局部地段采用縮小坡比然后采用木樁或鋼板樁進(jìn)行加固。

(7)圍堰填筑完成，及時(shí)進(jìn)行交通道路的混凝土澆筑、欄桿布設(shè)、圍堰防護(hù)等工作。

2.2.3 圍堰監(jiān)測(cè)

(1)施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，順圍堰方向做好縱向位移觀測(cè)點(diǎn)，在圍堰運(yùn)行過程中，安排專人值班，做好圍堰上下游水位觀測(cè)和縱向位移觀測(cè)并記錄，每天定時(shí)兩次，河道水位迅速上漲時(shí)每天八次。

(2)在基坑側(cè)圍堰頂開挖截流溝，及時(shí)排水，以防雨水沖刷坡面。定期檢查和維護(hù)施工圍堰，發(fā)現(xiàn)透水、松動(dòng)等及時(shí)堵漏、填平、壓實(shí)。

2.2.4 圍堰拆除

(1)拆除前測(cè)算好拆除工程量，圍堰拆除采用1臺(tái)長臂挖機(jī)和2臺(tái)液壓反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行挖土，1臺(tái)74kW推土機(jī)進(jìn)行推土，6臺(tái)8t自卸汽車進(jìn)行土方運(yùn)輸。

(2)圍堰拆除時(shí)嚴(yán)格控制土方開挖底標(biāo)高，同時(shí)監(jiān)測(cè)堰體的位移，做到時(shí)刻監(jiān)控。

(3)先利用液壓反鏟挖掘機(jī)對(duì)圍堰堰頂高程進(jìn)行降低，保持堰頂高度大于水面線0.5m，再利用長臂挖機(jī)對(duì)堰體兩側(cè)邊坡土方進(jìn)行開挖，最后再利用液壓反鏟挖掘機(jī)分別從中部向兩端迅速開挖。

3 降排水設(shè)計(jì)與施工

3.1 降水設(shè)計(jì)

3.1.1 導(dǎo)流

新壩大港兩頭通江，南側(cè)為欄桿橋閘直接通江，萬福橋新閘站新建采用斷流施工，施工期港內(nèi)來水可通過欄桿橋閘自排出江，無需另行施工導(dǎo)流。

3.1.2 降水設(shè)計(jì)

降排水包括圍堰內(nèi)初期積水排除，基坑降水，基坑經(jīng)常性排水，基坑周圍匯水排除。下面針對(duì)基坑降水進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)基坑涌水量設(shè)計(jì)

依據(jù)?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范?(JGJ 120－2017)附錄E.0.1公式計(jì)算總涌水量:

式中，Q為基坑降水的總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d，本工程取1.3m/d；H0為潛水含水層厚度，m，本工程為100m；S0為基坑水位降深，m，本工程為S0＝9.2m(按勘探報(bào)告最高水位計(jì)算)；R為降水影響半徑，m，R＝273.64m；r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑，m，可按r0＝計(jì)算，r0＝33.85m。

經(jīng)計(jì)算，基坑總涌水量Q＝3249m3/d。

(2)降水井?dāng)?shù)量計(jì)算

降水井的數(shù)量計(jì)算公式如下:

式中，rs為過濾器半徑，m，rs＝0.15m；l為過濾器進(jìn)水部分長度，m，l＝3m；k為含水層滲透系數(shù)m/d，k＝1.3m/d。

經(jīng)計(jì)算，單井出水量為q＝185m3/d。降水井的個(gè)數(shù)n＝19.3個(gè)，取n＝20個(gè)。

(3)井點(diǎn)管的埋深L

井點(diǎn)管的埋深計(jì)算公式如下:式中，H為基坑開挖深度，H＝7.8m；h為井點(diǎn)露出地面高度，h＝0.2m；△h為降水后地下水位至基坑地面的安全距離，△h＝2.0m；i為降水漏斗曲線水力坡度，環(huán)狀布置取1/10；hl為井點(diǎn)管至基坑頂面邊緣距離，hl＝1m；ro為基坑中心至基坑頂面邊緣距離，ro＝30m；l為濾管長度。

經(jīng)計(jì)算，井點(diǎn)管的埋深L＝16.1m。

(4)降水井方案設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程特點(diǎn)，將地下水位降至基坑底以下0.5m后再進(jìn)行開挖，施工時(shí)，降水管井管道位于基坑兩側(cè)交錯(cuò)布置，位于溝槽邊線外2m。

管井降水:管井設(shè)置于基坑頂外側(cè)，降水井成孔直徑500mm，單井出水量為185m3/d，井間距14m～16m，共布置降水井20口。降水井深度(從自然地面5.0m算起)16.1m，其中濾水井長度3m，設(shè)一節(jié)沉砂管。

輕型井點(diǎn)降水考慮沿閘室左右兩側(cè)站墩、內(nèi)外河側(cè)一級(jí)翼墻外側(cè)成環(huán)形布置，總的軸線長度約310m，降水深度為9.2m，井點(diǎn)管間距1.2m，集水總管長度60m為一套，根據(jù)軸線長度，設(shè)6套輕型降水設(shè)備。

3.2 管井降水施工

3.2.1 抽水試驗(yàn)

根據(jù)科學(xué)的施工安排，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽排水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為部分計(jì)算依據(jù)。施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)在閘站兩岸近軸線位置，左右岸各布設(shè)一處管井，設(shè)置觀測(cè)管，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，測(cè)定地層實(shí)際滲透系數(shù)、單井井效、單井穩(wěn)定抽水量、實(shí)際水位降深等，再對(duì)降水設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為實(shí)施階段做好準(zhǔn)備。

3.2.2 管井施工

(1)管井施工設(shè)備為SPJ－200型鉆機(jī)，鉆頭直徑為?550mm，正循環(huán)，泥漿護(hù)壁成孔工藝。

(2)成孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高清孔，實(shí)際成孔深度大于設(shè)計(jì)孔深30cm，防止孔內(nèi)沉渣影響成孔深度。

(3)管井下沉前進(jìn)行清孔并保持濾網(wǎng)暢通，濾管底端采用5mm的鋼板封底，濾管外壁包網(wǎng)采用80目的塑料網(wǎng)包扎，濾管及井管均采用?250mm鋼管制作，井管高出地面20cm。

(4)安裝井管到位后，及時(shí)回填濾料，回填時(shí)采取邊送水邊回填。濾料采用3mm～15mm中粗砂，邊回填邊及時(shí)測(cè)量濾料充填的高度，回填的高度超過濾管1.5m，濾料頂至地面采用粘土回填封口，濾料的充盈系數(shù)大于計(jì)算量的95%。

(5)采用反沖法洗井，用活塞上下反復(fù)沖洗，直至井內(nèi)出現(xiàn)清水為止，含砂率要小于2%。成井后及時(shí)的洗井，做到隨打隨洗，不得擱置時(shí)間過長或成井后集中洗井。

(6)安裝潛水泵進(jìn)行試抽水，確保降水井始終處于動(dòng)水狀態(tài)，以防淤塞。試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，及時(shí)調(diào)整潛水泵的深度以滿足降水要求，同時(shí)亦應(yīng)避免空轉(zhuǎn)，防止燒毀電機(jī)。

(7)管井抽出的水距離圍堰較遠(yuǎn)，高揚(yáng)程遠(yuǎn)距離抽水對(duì)水泵要求太高，在閘下游左右岸河道堤防迎水面各開挖一道排水溝，管井里抽出的水直接排入排水溝，通過排水溝排入長江。

3.2.3 降水

(1)施工完一口井即投入試運(yùn)行一口，以便及時(shí)抽通水井，確保井的出水量。

(2)試運(yùn)行前，測(cè)定各井口和地面標(biāo)高、靜止水位，然后開始運(yùn)行[5]。

(3)安裝前對(duì)泵體和控制系統(tǒng)作一次全面檢查。

(4)試運(yùn)行抽水時(shí)間控制在3天，檢查出水質(zhì)量和出水量。

(5)正式降水運(yùn)行不少于15天后開始土方開挖。

3.2.4 管井封閉

管井大部分位于萬福橋閘底板或護(hù)底位置，混凝土澆筑前必須對(duì)管井進(jìn)行完全封閉。采用黏土球結(jié)合井外壓力灌漿進(jìn)行。

(1)打井時(shí)在井管外側(cè)預(yù)留灌漿插管，底板墊層澆筑時(shí)應(yīng)將井周以混凝土圍填，井管及灌漿管高出地面40cm。

(2)底板混凝土澆筑前將潛水泵提出，立即向井內(nèi)投拋20mm～30mm直徑半干黏土球。

(3)每投拋1m厚度黏土球測(cè)量一次深度，總投拋厚度以超過承壓水層以上1m為限，黏土球投拋完成后素混凝土灌入，澆筑至墊層高程為止。

(4)將高出墊層的管井敲除清理出倉面。

(5)以配置好的速凝水泥漿，通過井外預(yù)留壓力灌漿管對(duì)井周進(jìn)行水泥漿壓注。

(6)注漿一次性進(jìn)行，避免反復(fù)注漿。

3.3 基坑排水施工

基坑排水分別在每個(gè)開挖好的基坑原地面、基坑坡腳設(shè)置排水明溝?；悠履_明溝排除雨水和施工廢水，地面排水溝主要匯集基坑外地表水、雨水，坡腳排水溝根據(jù)不同高程分別設(shè)置集水井，架設(shè)水泵抽水至沉淀池。配備1臺(tái)套14寸柴油機(jī)泵，布置在基坑最底處，防止陡降暴雨，確?；颖砻娣e水排除。

4 實(shí)踐效果

目前，該橋閘工程已經(jīng)提前工期完成，在施工過程中圍堰止水效果良好，設(shè)計(jì)布局合理，滿足施工要求，降排水過程中與設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果一致。實(shí)踐表明，結(jié)合工程項(xiàng)目地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行圍堰設(shè)計(jì)和降排水計(jì)算對(duì)于橋閘工程的施工質(zhì)量保證至關(guān)重要。

5 結(jié)語

本文以萬福橋閘站工程為例，根據(jù)橋閘位置工程地質(zhì)力學(xué)性能差的特點(diǎn)，有針對(duì)性地對(duì)擋水圍堰進(jìn)行了科學(xué)的設(shè)計(jì)，尤其是滲透水方面的考慮，再結(jié)合地層的透水性，對(duì)圍堰的降排水進(jìn)行計(jì)算和研究，滿足了施工質(zhì)量要求的目的。同時(shí)對(duì)擋水圍堰和降排水的施工流程、工藝特點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析探討，可供參考。