浑河干河子坝消力池工程施工降水方案研究

李树青，曹洪凯

（沈阳市浑北灌区管理处，辽宁 沈阳 110035）

1 工程概况

干河子拦河坝位于沈阳市东陵大桥以上约3 km处浑河左叉上，拦河坝为实用堰型溢流式混凝土壳坝，坝壳厚0.50 m，内部充填砂砾料，坝长360 m，分为12个坝段，每段坝长30 m，长年过流。

干河子坝工程按洪水重现期30年一遇标准设计，按100年一遇标准校核。干河子坝设计流量为2625 m3/s。消力池属干河子坝主体工程，按照干河子坝设计流量进行消能工程设计。工程等别为III等，建筑物级别为3级。该次设计，消力池始端设2 m宽平台与一级消力池挑坎衔接，然后接1∶3坡比17.10 m长斜坡段。消力池水平段长21 m，池深1.5 m，厚度0.8 m，基础为20 cm素混凝土和15 cm砂垫层。海漫采用60 cm厚土工格栅块石结构，基础为10 cm碎石垫层和10 cm砂垫层。两岸连接处设毛石混凝土挡土墙。主要工程量为混凝土，总量为1.67万m3；原海漫块石利用40%，其余外购。

2 施工导流设计

与干河子拦河坝位于同一主河道、同一断面上的枢纽工程有浑北拦河坝，以及浑北拦河坝北侧的冲砂闸、进水闸。浑北拦河坝长290 m，设计标准为50年一遇，100年一遇洪水校核，坝顶高程与干河子拦河坝相同为52.60 m，两坝之间由鸟岛连接。冲砂闸闸孔尺寸为6孔×宽3 m×高2 m，按照50年一遇标准设计，100年一遇标准校核。设计与校核流量分别232 m3/s、518 m3/s。进水闸设计流量为48 m3/s，闸孔尺寸为6孔×宽2 m×高2 m。

根据《干河子坝船闸工程施工导流方案研究》论文中施工期设计洪水、导流方案选择比较的计算成果，最大洪峰为337 m3/s（p=10%）。施工导流采用一坝两闸方式，即浑北拦河坝、冲砂闸、进水闸共同承担导流任务。3座闸坝总泄量为Q=445 m3/s＞337 m3/s，满足导流要求。

3 施工降水方案的研究

3.1 地质条件

消力池修复工程场地内，地下水初见水位埋深0.4～0.6 m，稳定水位在0.2～0.5 m。上部为杂填土，厚度为0.2～0.3 m，物理力学性质差，呈强透水性；中间层为圆砾石，埋深浅，最大揭露深度达11.5 m，分布连续，力学性质较好，呈强透水性，其中的孔隙水是地下水的主要来源；底部是强风化花岗岩，密实度高，力学性质较好，属中等透水。因此，从工期要求和基础开挖的投资角度两方面考虑，消力池修复工程基础应坐落在中间层圆砾石上。由此造成施工降水将成为制约该工程能否按计划完成的决定因素。

3.2 渗透系数和基坑渗水量

1）渗透系数的确定。根据现场对中间层圆砾石抽水试验，测得渗透系数K=77.5 m/d，室内试验测得渗透系数K=84.6 m/d。由于现场试验是在河床内，受地表水影响较大，对试验结果的精度有较大影响，因此选用室内试验结果K=84.6 m/d为准。

2）基坑渗水量计算。基坑渗水量包括干河子坝上游坝基渗漏量和消力池基础开挖圆砾石层的涌水量。由于消力池前后两处齿墙埋深最大，底高程为40.0 m。为确保消力池全段施工无地下水影响，水位高程应降至39.0 m处。

根据《工程地质手册》，坝基日渗漏量计算公式：

式中：q——坝基单宽渗漏量，m3/d；H——坝上下游水位差，H=8.4 m；M——水位降深，M=5.7 m；K——渗透系数，K=84.6 m；L——坝基宽度，L=28.0 m。

根据《建筑基坑支护技术规程》，基坑日涌水量计算公式：

式中：Q2——基坑总涌水量，m3/d；K——渗透系数，，k=84.6m/d；H——潜水含水土层厚度，H=11.5 m；S——基坑水位降深，S=5.7 m；b——基坑距岸边地表水距离，b=111 m；r0——矩形基坑等效半径，r=0.29 m；（a+b）=116.80 m，（a，b 分别为场地的长和宽，360，42.8）

Q=Q1+Q2=8.43 m3/d，折合成排水流量：0.9757 m3/s

3.3 方案比选

3.3.1 方案一：井点降水

1）上、下游围堰高程。为确保施工期干河子坝安全稳定，采用上下游围堰工程封闭施工。依据施工期设计洪水成果，上游最大来水量Q=337 m3/s，得坝前水位为53.20 m。考虑安全超高及波浪爬高，确定上游围堰顶高程为54.20 m；施工期内下游王家湾橡胶坝蓄水，新改造的王家湾坝顶高程45.50 m，考虑坝顶溢流、安全超高及波浪爬高，下游围堰顶高程确定为46.50 m。

2）围堰工程量。根据该工程特点，按投资经济、取材方便的原则，围堰型式采用斜坡铺设土工膜防渗的砂砾石围堰，土工膜采用两布一膜。考虑施工交通等需要，上游围堰顶宽7 m，内外边坡1∶2.0，总长度为 382 m；下游围堰顶宽5 m，边坡1∶2.0，总长度为365 m。围堰土方工程量为51773 m3。

3）井点降水方案。施工期水位高程为43.9 m，水位高程应降至39.0 m，降低地下水4.9 m。由于消力池基础为圆砾石，渗透系数大，需采用钢管井降水，集水井结合排水沟槽的方法降排水。按照环形布置尺寸为2 m×2 m的23眼集水井，间距20 m。钢管井直径为0.5 m，井深10 m。经计算单井抽水量为1980 m3/d，总抽水量为4.55万m3/d，大于基坑涌水量，满足施工要求。

3.3.2 方案二：利用潜水轴流泵站实施沟槽明排

1）围堰工程。利用干河子坝本身作为上游围堰。在坝体顶部堆砌填土编织袋，高度为1.6 m，宽为0.5 m，长为360 m。工程量为288 m3。下游围堰采用方案一设计，工程量为17210 m3。

2）利用潜水轴流泵站实施沟槽明排方案。

①集水坑设计。降低地下水4.9 m，确定设计开挖深度为5.4 m。集水坑平面尺寸为50 m×50 m，按1∶2坡度降深，形成排水漏斗。顺坝体方向，分左、中、右布置相同的3个集水坑，土方开挖量为26783 m3。

②排水沟槽设计。以齿墙底高程40.0 m为排水沟槽底高程，长为51 m，宽为2 m，按0.2%坡降设计。消力池上游齿槽拦截坝基渗水，通过排水沟槽，导入下游集水坑。

③泵站设计。根据基坑总渗水量0.9757 m3/s，设计泵站为2台400型和1台350型潜水轴流泵，组合排水流量为1.1 m3/s，满足排水要求。泵站扬程基本满足开挖深度要求。潜水轴流泵站设计参数见表1。

3.3.3 围堰工程量比较

消力池围堰工程量见表2。

根据干河子坝消力池围堰工程量表对比，方案二比方案一节省投资294542元，并且可利用集水坑开挖土方17210 m3用于下游围堰筑堤，土方利用率显著提高，减小运距，提高效率，可以大大缩短临时工程工期。但是，方案二坝前有较大的水头压力，在坝基渗流和大面积基坑降水作用下，对大坝的安全稳定带来风险。

表1 潜水轴流泵站设计参数

表2 干河子坝消力池围堰工程量表

3.3.4 降排水工程比较

降排水工程量，见表3。

表3 干河子坝消力池降排水工程量表

根据干河子坝消力池降排水工程量表对比，方案二比方案一节省投资188714元。方案二的泵站运行费用与方案一运行费用大体相当 ，即节省了排水井投资，而且又可以提前实施基坑排水，大大缩短临时工程工期。

4 结论和措施

1）干河子拦河坝二级消力池受2010年主汛期洪水长时间、大流量、持续冲刷，导致二级消力池底部进水，加上冬季坝上未过流，严寒冻胀严重破坏。由于坝基渗水量和消力池基础涌水量大，施工降水成为制约消力池应急修复工程的关键影响因素。在两种方案都满足施工降水要求的情况下，井点降水方案更有利于保护干河子拦河坝的安全稳定。但是，受资金限制，方案二比方案一节省投资483256元。按技术可行，经济合理的原则，且充分考虑工期限制这个必要条件，选用利用潜水轴流泵站实施沟槽明排方案。

2）由于施工期干河子坝前有水，再加上5.4 m深、50 m×50 m大型集水坑开挖和施工降排水，每个集水坑周围的水位呈漏斗状分布，形成近大远小的曲面形状。减小了基础中地下水对干河子坝及一级消力池的浮托力，同时孔隙水从土中排出，河床基础变形，易引起干河子坝下游的地基沉降。由于消力池建造过程中又会引起再压缩沉降，最终导致干河子坝沉降破坏。因此，为确保干河子坝安全，施工期间在每个坝段坝顶、坝底、一级消力池下游齿墙顶，共布设36个观测点、12个观测断面，实施二等水准沉降观测，评估对坝体和一级消力池的沉降影响，为判断是否需要对原建筑进行修缮、抢险提供依据。目前，经过一年多的运行，干河子坝工程均安全无恙。

［1］曹洪凯，朱映光，董芮民.干河子坝船闸工程施工导流方案研究［J］.东北水利水电,2010（8）.

［2］沈阳市水利建筑勘测设计院.浑北灌区渠首干河子拦河坝水毁修复工程初步设计报告［R］.沈阳：2011，3.

［3］工程地质手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007，2.

［4］JGJ120—99，建筑基坑支护技术规程［S］.