高適用性組合式鋁合金擋水圍堰設(shè)計原則

杜春林 毛建華 毛建黨 薛娟娟

摘 要：擋水圍堰是為了保護(hù)近水建筑或湖河大壩的一種臨時性或者附屬性建筑，在水利工程建設(shè)中占據(jù)著重要位置。本文首先分析國內(nèi)外圍堰的發(fā)展現(xiàn)狀，然后探討高適用性組合式鋁合金擋水圍堰的設(shè)計基礎(chǔ)和設(shè)計原則，突出高適用性組合式鋁合金擋水圍堰的設(shè)計要點(diǎn)，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金擋水圍堰；設(shè)計原則；設(shè)計基礎(chǔ)

中圖分類號：TV53+8.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0093-02

High Applicability Composite Aluminum Alloy Waterproofing Cofferdam

DU Chunlin MAO Jianhua MAO Jiandang XUE Juanjuan

（The Yellow River Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The water retaining cofferdam is a temporary or attached building to protect the near water building or the lakes or river dams. It occupies an important position in the construction of water conservancy projects. In this paper， the development status of cofferdam at home and abroad was analyzed， and the design basis and design principles of high applicability combined type aluminum alloy cofferdam were discussed， and the design points of high suitability combined type aluminum alloy cofferdam were highlighted in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： aluminum alloy water retaining cofferdam；design principle；design basis

本文在對現(xiàn)有圍堰進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計出一款適應(yīng)能力強(qiáng)、使用方便且更為合理的組合式鋁合金擋水圍堰。

1 國內(nèi)外圍堰研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末期，防洪擋板最早出現(xiàn)在德國的科隆市，全程11km，投入資金大約1 100萬歐元。除此之外，從2002年開始，歐洲中東部地區(qū)持續(xù)受暴風(fēng)雨的影響，使得湖河水位上漲，低洼地區(qū)存在著大量的積水，導(dǎo)致歐洲部分地區(qū)大面積受災(zāi)。當(dāng)?shù)卣疄榱藨?yīng)對這種情況，大量購買了防洪裝置，大多數(shù)積水城市紛紛采用此類裝置止水。此外，該設(shè)備的施工工期短，施工時間大概為4～6h[1]。

防洪裝置的核心在于連接擋板的支撐梁為鋁梁，橫截面為工字形狀，通過水注入鋁梁內(nèi)，增加鋁梁的質(zhì)量，從而達(dá)到防水的目的。但是，該裝置對地基要求較高，要去必須是混凝土裝置，而混凝土制作周期長，造價昂貴，拆除較難，重復(fù)使用率低，不能實(shí)現(xiàn)綠色施工[2]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期，鋼板樁圍堰迅速興起，在橋梁方面得到了廣泛應(yīng)用，其中以武漢大橋的應(yīng)用最為成功。新型的鋼板樁圍堰，施工過程大大簡化，且承受水壓較大，重復(fù)使用率高。之后，贛江大橋、長江公路大橋和寧波大橋均采用鋼制圍堰或鋼板樁圍堰。

自20世紀(jì)末期以來，國內(nèi)圍堰技術(shù)發(fā)展有了質(zhì)的飛越，開始向混凝土圍堰和復(fù)合材料圍堰邁進(jìn)，其中以長江二期圍堰建設(shè)為典型代表。長江二期混凝土圍堰規(guī)模巨大，加工和施工工期短，擋水標(biāo)準(zhǔn)較高，技術(shù)難題較大，在國內(nèi)外圍堰史上十分罕見。長江二期混凝土圍堰建設(shè)的成功代表著我國混凝土圍堰技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

可見，國內(nèi)圍堰大多數(shù)以混凝土圍堰和鋼板樁圍堰為主?；炷羾呖烧w施工，有一定的壁厚，結(jié)構(gòu)受力情況較好，但易產(chǎn)生粉塵；鋼板樁圍堰施工方便，插入和拔出簡單，但隨著水深的加深，鋼板樁的柔性也會相應(yīng)加大，一般適用于淺水區(qū)施工。本文的設(shè)計基于混凝土圍堰和鋼板樁圍堰的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的短處，設(shè)計出具有綠色施工、高效使用和無污染的圍堰。

2 設(shè)計基礎(chǔ)和設(shè)計原則

2.1 現(xiàn)有圍堰分析

擋水圍堰是為了保護(hù)近水建筑或湖河大壩的一種臨時性或者附屬性建筑，目的是使水利工程項(xiàng)目順利開展，普遍用途是防止河水或湖水流入施工主體建筑物，同時利用水泵等抽水設(shè)備排出圍堰內(nèi)的積水，可以保證圍堰施工的可行性，所以加強(qiáng)圍堰設(shè)計研究具有重要意義。

圍堰的施工過程較為復(fù)雜，直接導(dǎo)致施工難度較大，需要考慮主體建筑和附屬工程建筑受到的水流沖擊和河水侵蝕，對圍堰的施工工期會造成一定延緩。高效的圍堰施工技術(shù)在水利工程建設(shè)項(xiàng)目中顯得更加迫切，精湛的施工技術(shù)不僅可以保證良好的施工進(jìn)展，而且能保證施工的安全性和圍堰的穩(wěn)定性。

水電工程項(xiàng)目的施工地、施工環(huán)境和現(xiàn)場施工條件不同，導(dǎo)致圍堰的加工種類也不盡相同。根據(jù)圍堰施工時所用材料（包括就地取材材料）的種類，可以將圍堰分為以下幾種。

①土石圍堰。土石圍堰是圍堰中最為常見的類型之一。我國大多數(shù)江河大壩或近水建筑所用的圍堰以土石圍堰居多。土石圍堰所填筑的材料通常為土石或土渣，優(yōu)點(diǎn)在于能充分利用材料，就地取材，且加工工藝和施工工藝簡便。但是，南水北調(diào)工程中的水為飲用水，在土石圍堰施工過程中，可能會有土石土渣掉落水中，影響水的質(zhì)量，應(yīng)用土石圍堰并非明智之選。

②混凝土圍堰。水利樞紐工程的圍堰廣泛應(yīng)用混凝土圍堰。這主要是因?yàn)榛炷羾邠跛叨容^高，圍堰底部較寬，抗水流沖擊能力較大，水在堰頂可溢出，在過水圍堰和擋水圍堰方面均可應(yīng)用。但是，對于南水北調(diào)工程而言，混凝土圍堰在施工后拆除較為麻煩，且造價不菲，施工后由于混凝土的物理性質(zhì)，需要在完全凝結(jié)后才能繼續(xù)施工。

③鋼板樁圍堰。鋼板樁圍堰在橋梁建筑、水利施工方面也屬于常見的板樁圍堰，由于應(yīng)用材料為鋼（或合金鋼），所以，其具有強(qiáng)度高的優(yōu)勢，容易嵌入堅(jiān)固的土層，既可以應(yīng)用于深水地區(qū)，也可應(yīng)用于淺水地區(qū)，可多次重復(fù)使用。但是，由于鋼（合金鋼）的密度較大，可能會造成局部結(jié)構(gòu)過重，對加工過程和施工過程都產(chǎn)生一定的限制。因此，需要在此基礎(chǔ)上設(shè)計出更優(yōu)的方案。

本文在以上常見圍堰的基礎(chǔ)上，對圍堰底座進(jìn)行分離式加工，在需要施工的地段預(yù)先埋好基座，使用吊裝機(jī)使相匹配的底座與基座吻合；材料使用鋁合金，減輕圍堰的總體質(zhì)量，且鋁合金易加工，整體拆裝方便；結(jié)構(gòu)采取單元底座裝配，降低加工難度和施工難度。本文所述圍堰的設(shè)計研究具有良好的應(yīng)用前景，可以為后來者在相關(guān)方面提供一定的借鑒。

2.2 設(shè)計原則

2.2.1 圍堰施工穩(wěn)定性。為了保證圍堰的順利施工，設(shè)計人員和操作人員應(yīng)對現(xiàn)場的狀況進(jìn)行實(shí)地考察，充分討論各種因素對圍堰穩(wěn)定性的影響程度。除施工方式外，圍堰的建筑結(jié)構(gòu)、場地配置和施工材料的選擇也對圍堰施工工期有一定程度的影響。

2.2.2 圍堰設(shè)計的合理性。相對于主體建筑和附屬建筑而言，圍堰是一種臨時性的擋水結(jié)構(gòu)，所以，在對圍堰進(jìn)行設(shè)計時，要充分考慮主體建筑施工結(jié)束后，圍堰大多數(shù)會被拆除的問題。圍堰的設(shè)計不僅要求施工方便，還要要求設(shè)計合理，拆除過程簡單。

2.2.3 圍堰設(shè)計的匹配性?？紤]到圍堰在施工時受到自身重力、水流的正面壓力和側(cè)面壓力等各方位的靜壓力或動壓力，這就要求圍堰能抵御水流各方向的壓力。因此，在設(shè)計時要綜合考慮各方面受力的分配。

2.2.4 圍堰設(shè)計的嚴(yán)密性。由于設(shè)計圍堰是為了擋水，因此，在設(shè)計過程中，要充分考慮容易滲漏水的部位。一般情況下，圍堰連接處和變形較大處存在滲水和漏水的情況。為了維護(hù)圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對連接處進(jìn)行強(qiáng)化處理，以保證其嚴(yán)密性。對圍堰連接處有目的地進(jìn)行加固，保證圍堰應(yīng)用的安全性。

2.2.5 圍堰施工的經(jīng)濟(jì)性。圍堰堰體建造對水利工程項(xiàng)目具有重要意義，所以施工過程中合理選擇材料能有效降低成本，嚴(yán)格控制各個環(huán)節(jié)的成本。

本文研究的圍堰主要在鋼樁板圍堰和混凝土圍堰的優(yōu)勢上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，既能抵御受力，又能達(dá)到防水的目的。其主要有以下優(yōu)勢：既可以臨時支撐，也可以成為附屬建筑；能避免施工過程中產(chǎn)生的建筑垃圾、灰塵、粉末等污染問題；有利于綠色施工，對環(huán)境友好；重復(fù)使用率較高等。

3 結(jié)語

圍堰技術(shù)在我國水利水電項(xiàng)目中的地位依然不可撼動。但目前，國內(nèi)的水利工程圍堰設(shè)計和加工施工過程中仍存在諸多問題，多數(shù)圍堰在施工完成后存在滲水、漏水等問題。為了促進(jìn)我國水利工程事業(yè)的發(fā)展，提高水利工程質(zhì)量，迫切需要技術(shù)人員準(zhǔn)確把握圍堰核心技術(shù)，并能通過試驗(yàn)和實(shí)踐不斷改進(jìn)圍堰技術(shù)，提升整體的設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] Dong Z，Yan Y，Duan J，et al. Computing Payment for Ecosystem Services in Watersheds： An Analysis of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion in China[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報（英文版），2011（12）：2005-2012.

[2]夏仲平.水利工程施工圍堰技術(shù)進(jìn)展[J].人民長江，2005（11）：3-4，74.