某取水工程施工圍堰設(shè)計的探討

□孫　蕾（新疆新華水電投資股份有限公司）

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某取水工程施工圍堰設(shè)計的探討

□孫蕾（新疆新華水電投資股份有限公司）

圍堰施工是水利水電工程施工中不可缺少的組成部分。在修建水利水電工程時，圍堰對基坑起到重要的防護作用，并將水流引向下游通道。文章針對某一取水工程，詳細闡述其設(shè)計方案及施工特點。

取水工程；圍堰；設(shè)計方案；施工方案

1　概況

某取水工程位于沃爾塔河西岸淺灘，其間為沼澤地帶，水深1～2 m。沃爾塔河水流速較緩，取水工程處基本無流速。取水工程選址處實測水位15.66 m，進水口高程10.55 m，泵站建基面為9.55 m。根據(jù)取水工程布置（如圖1）圍堰填筑高度將圍堰劃分為A、B兩段，B段圍堰位于圖中粗黑直線下側(cè)，因距老水廠取水口較近，填筑高度大，為了減少對水質(zhì)的不良影響，擬采用碎石土、塊石、編織袋混合料填筑；A段圍堰位于圖中粗黑直線上側(cè)，距老水廠取水口稍遠，填筑高度不大，采用自然土石填筑。

圖1　取水工程布置圖

2　施工道路、施工圍堰設(shè)計

2.1施工道路

沿老水廠圍墻直行120 m穿墻繞過圓形水池至老水廠源水管道路北側(cè)填筑一條通往取水泵站的施工道路（此道路為后期新建輸水管道），路面寬度為5 m，具體布置見圖2。

圖2　施工道路布置圖

根據(jù)現(xiàn)場勘查，擬填筑道路沿線水深約在2 m。道路采用土石填筑，在淤泥路段，底層采用塊石拋填，底寬約8～10 m。水下填筑采用自然邊坡（填筑方量按1：6邊坡估算），水面以上填筑邊坡為1：2，路面高程17.16 m，典型剖面見圖3。

圖3　水廠沼澤新修道路剖面圖

本段路面長度170 m，土石方填筑量約9508 m3，其中石方填筑量約850 m3。

2.2取水工程A段圍堰

取水工程A段圍堰采用土石填筑，該處水位15.66 m，按超水位1.50 m考慮（經(jīng)調(diào)查河水位變幅1 m），圍堰頂高程17.16 m，堰頂寬5 m，最大堰高4.50 m，圍堰軸線長140 m，圍堰水下填筑采用自然邊坡（填筑量按1：6邊坡估算），水上填筑邊坡1：3，圍堰防滲采用外側(cè)迎水面鋪設(shè)防水布，圍堰土石方填筑工程量為19293 m3，鋪設(shè)防水布6300 m2。圍堰布置及斷面見圖4。

圖4　圍堰四填剖面圖

2.3取水工程B段圍堰

B段口圍堰采用編織袋裝混合料填筑，堰頂寬6 m，最大堰高9.60 m，圍堰軸線長98 m，圍堰水下填筑采用自然邊坡（填筑量按1：6邊坡估算），水上填筑邊坡1：3，圍堰防滲采用外側(cè)迎水面鋪設(shè)防水布，碎石土、編織袋混合料填筑工程為11500 m3，鋪設(shè)防水布11025 m2。圍堰布置及斷面見圖4。

填筑方式：接著A段端點繼續(xù)用自然土石填筑，當(dāng)自然土石填筑對水質(zhì)造成較大影響時，圍堰填筑改為在外側(cè)用編織袋裝混合料或塊石填筑擋水戧堤。

2.4堰體的穩(wěn)定計算方法

2.4.1圍堰穩(wěn)定安全系數(shù)計算

圍堰設(shè)計為臨時建筑物，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求≥1.05。現(xiàn)以B段最不利的典型斷面為例，采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法計算穩(wěn)定安全系數(shù)（偏于安全），計算抗滑力矩時采用浮容重，計算滑動力矩時采用飽和容重，取1m段長，采用列表法計算。

計算公式如下：

式中：r'—土的浮容重，r'=8.82 kN/m3；hi—土條高度；βi—第i土條滑動面的法線與豎直線的夾角；φi—土條內(nèi)摩擦角，φi=25°；Ci—土條粘聚力，Ci=30 KPa；li—圓弧長度；rsat—土的飽和容重，rsat=18.62 kN/m3。

2.4.2計算過程步驟

一是按比例繪出圍堰橫剖面圖；二是根據(jù)費蘭鈕斯法，查圖或查表，初步確定危險滑弧圓心的位置及半徑；三是在直線MN取一點圓心O1，以半徑R=31 m作圓弧，取土條寬度b=3.10 m，作出各土條中心線；四是量取各土條中心線的高度，列表計算圓心在O1點的穩(wěn)定系數(shù)；五是在MN線上以步距2.00 m作圓心O2、O3、O4、O5，重復(fù)上述步驟，分別求得各點的穩(wěn)定系數(shù)。以O(shè)1～O5中穩(wěn)定系數(shù)最小的點O2作MN線的法線，并在法線上選O6～O11作為圓心分別計算穩(wěn)定系數(shù)。六是根據(jù)計算結(jié)果得出以O(shè)8為圓心的滑動面為最不利滑動面，其穩(wěn)定系數(shù)K=1.058即為所求本圍堰的最小穩(wěn)定系數(shù)。（計算過程略）

2.4.3結(jié)論

最不利滑動面圓心相對坐標為：X相對坐標為距壩頂9.93m；Y相對坐標為距壩軸線28.78 m。

最小穩(wěn)定系數(shù)：K=1.058＞［K］=1.05，穩(wěn)定滿足要求。

3　料場選取

工程施工圍堰填筑選用料場擬采用新建水廠北側(cè)遠期規(guī)劃用地及周邊區(qū)域表部的風(fēng)化巖土，風(fēng)化巖土厚0.50～1.00 m，優(yōu)點為含土量較少，在水中不易被浸泡流失。缺點是透水性強，因此針對土料的缺點在圍堰迎水面加鋪防水布，以降低圍堰堰體滲水量。

該料場風(fēng)化巖土儲量滿足圍堰施工需求。

4　施工道路、施工圍堰施工

4.1施工流程

現(xiàn)場勘查→地表植被清除→道路施工→圍堰施工→排水清淤→取水工程施工→擋土墻（護岸）施工→圍堰拆除。

4.2場地清理

在施工前，對施工場地內(nèi)已有建筑物、道路、管線等進行妥善保護，對地表雜物、雜草、灌木叢進行清理。

4.3施工道路施工

新筑施工道路長度170 m，土石方填筑量約9508 m3。采用挖掘機在料場挖土裝自卸車，運至現(xiàn)場用裝載機進行推填。逐段用振動碾對路面進行碾壓。

4.4圍堰施工

本工程圍堰根據(jù)工程布置和地形條件，分兩段施工：A段和B段，其施工流程如下：

圍堰的施工流程：測量定位→A段圍堰填筑→鋪設(shè)防水布→B段圍堰填筑（適時改為土袋填筑）→鋪設(shè)防水布→堰內(nèi)一次性排水→堰內(nèi)經(jīng)常性排水（一直持續(xù)到泵房、取水口、護坡完成）→施工完成后拆除圍堰。

測量放線，根據(jù)地形圖以及設(shè)計方案給出的坐標，現(xiàn)場確定圍堰的位置，沿圍堰軸線布設(shè)14個控制點，在圖紙標注出14個點的坐標參數(shù)，根據(jù)坐標參數(shù)在現(xiàn)場用全站儀進行定位、控制。

A段水深約2～3 m，B段水深約3～9 m。A段圍堰內(nèi)底邊線與新建泵房間距為10～15 m（由泵房開挖放坡以及操作面確定的間距）。B段圍堰內(nèi)底邊線與取水口間距為8 m。

4.4.1A段圍堰施工

A段圍堰長140 m，圍堰填筑工程為19293 m3，鋪設(shè)防水布6300 m2。

土方填筑采用挖掘機在料場挖土裝自卸汽車，運至現(xiàn)場傾倒，用裝載機進行推填，水上部分用振動碾對圍堰進行碾壓。

防水布人工鋪設(shè)，防水布必須向河床底部延伸鋪設(shè)6～8 m，縱向搭接寬度應(yīng)保證1 m以上。鋪設(shè)時先固定圍堰端，另一端固定好重物后采用木筏向河中張拉，然后緩慢放至河床并壓實，在鋪設(shè)完成后進行水下檢查，如發(fā)現(xiàn)搭接、折疊、破損等缺陷時應(yīng)立即進行修整。合格后采用袋裝土對防水布進行固定。

4.4.2B段圍堰施工

B段圍長98m，填筑工程量為11500m3，鋪設(shè)防水布11025m2。

土袋選用透水性較強的編織袋，每個編織袋裝土不宜過多，裝填至70%即可，不可超裝，以保證土袋在水下能夠較好的變形，減少堰體內(nèi)部的間隙。編織袋總需用量約23萬條，裝袋工作量大。為加快工程進度，在現(xiàn)場安裝一套自動裝袋設(shè)備，裝載機配合上土。裝好的袋裝土用自卸汽車運輸。

防水布人工鋪設(shè)與A段施工相同。

4.5其他

原水廠取水泵房與新建取水工程之間為原有的填筑體，為防止其側(cè)向透水，在此部位采用挖掘機開挖寬度100 cm左右的深溝，回填粘土，進行壓實以形成防水墻。

4.6基坑一次性排水

基坑內(nèi)最大水深約6 m，按面積測算存水量約為11000 m3，按照排水計劃，每天水位下降≤2 m，以防止下降過快危害堰體安全，因此，確定排水時間為6 d。根據(jù)地質(zhì)資料和圍堰填筑材質(zhì)，經(jīng)驗估算圍堰透水約每小時80 m3，基坑底層為板巖層，涌水量約為每小時30 m3。因此，基坑初期排水總量為11000+（80+30）×24×6=26840（m3）。

按6 d排干，每天抽排12 h，排水強度為373 m3/h，基坑一次性排水?dāng)M安裝3臺出水量120 m3/h離心泵和2臺出水量60 m3/h的潛水泵執(zhí)行排水。

基坑初期排水嚴禁水位下降過快，以防止破壞圍堰，排水站布置見圖5。

圖5　基坑一次性排水示意圖

4.7基坑經(jīng)常性排水

基坑經(jīng)常性排水主要是抽排雨水、基坑滲水和施工用水。根據(jù)施工計劃，基坑開挖安排在旱季，雨量稀少，施工時嚴格控制施工用水。因雨水、施工用水與基坑滲水量相比甚微，經(jīng)常性排水設(shè)備配置時雨水、施工用水量可忽略不計。

經(jīng)前面估算圍堰、基坑底板透水總量約為110 m3/h。因此，基坑經(jīng)常性排水強度為110 m3/h。

根據(jù)地質(zhì)資料和基坑開挖深度，基坑經(jīng)常性排水采用明排。排水溝設(shè)置在基坑底部，沿建筑物四周布置，在建筑物四角及取水口各設(shè)一處集水坑?；訚B水通過排水溝匯集到集水坑，由水泵排出。排水溝斷面為：上口寬1 m、下口寬0.50 m、深0.50 m；集水坑斷面為：直徑1.50 m，深3 m?；咏?jīng)常性排水布置與一次性排水相同型號的潛水泵4臺，離心泵2臺，總排水量480 m3/h。排水溝、集水坑及水泵布置見圖6（調(diào)整集水坑位置）。

圖6　基坑經(jīng)常性排水示意圖

5　結(jié)語

隨著我國加快基礎(chǔ)性建設(shè)，水利水電事業(yè)進入快速發(fā)展的時代，水利水電施工水平迅速提高。水利工程圍堰施工是水利施工中最常見的施工技術(shù)，在項目實施時應(yīng)根據(jù)項目整體規(guī)劃，合理選取圍堰設(shè)計及施工方案，優(yōu)化資源配置，保證施工質(zhì)量，提高施工效益。

（責(zé)任編輯：潘俞靜）

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