周口市东新区引黄调蓄工程土方处置方案设计研究

和翔

摘 要：调蓄工程能够解决需水来水过程不匹配、用水引水不协调的局面。在开挖调蓄水库的过程中往往存在大量的土方作业，如何有效处置好大量土方的开挖回填弃运等工作是决定调蓄工程设计成败的关键。基于此，本文以周口市东新区引黄调蓄工程为例，分析介绍合理经济的土方处置方案，通过比选，调蓄工程采用排水开挖方案进行成湖施工，弃土方案采用集中堆放与回填周边洼地相结合的处置方案。

关键词：调蓄工程;土方开挖;弃运方案

中图分类号：TV512 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）10-0082-03

Abstract： The regulation and storage project can solve the problem of incompatible water supply process and incompatible water diversion. In the process of excavation and storage of reservoirs， there are a lot of earthwork， how to deal with the excavation， backfilling and discarding of a large number of earthwork effectively and reasonably is the key to the success or failure of the project design. Therefore， this paper took the project of diversion and storage of the Yellow River in Zhoukou Dongxin District as an example to analyze and introduce a reasonable and economical earthwork disposal scheme， through comparison， drainage excavation scheme was adopted for Lake construction， and centralized stacking and backfilling of surrounding depressions were adopted for disposal of waste soil.

Keywords： storage engineering; earthwork excavation; abandonment scheme

1 工程概况

随着社会的发展，引黄灌区对黄河水资源的需求不断增长，黄河水资源供需矛盾日益突出。為从根本上解决上述问题，相关部门必须转变原有的引黄思路，变“随用随引”的引黄模式为“引蓄结合”，以实现丰枯调蓄、常蓄备用，既能增加引黄水量，提高农业灌溉率，又可改善生态环境。建设引黄调蓄工程对于提高黄河水资源开发利用，提高农业灌溉保障率以及改善生态环境具有重要意义[1]。

周口市东新区引黄调蓄工程位于周淮铁路以东，大广高速以西，流沙河以南，沙颍河以北;西距周口市中心约7km，东北距淮阳县约16km，南距沙颍河北堤约2.5km。工程总占地2.7km2，东西向最大跨度4.5km，南北向最大跨度1.2km，正常蓄水位46.0m，总库容570.74万m3，利用现有河道自贾鲁河向调蓄工程引水，路线全长13km;主要功能是农业灌溉调蓄，兼顾改善生态环境;主要建设内容包括土方开挖回填、库区防渗、库岸护砌、新建水闸等工程;工程涉及土方量总计642万m3。鉴于开挖回填弃运工程量较大，直接影响工程投资、工期及效果等，本次重点对土方处置方案进行详细设计。

2 拟定开挖方案

库区开挖施工时，周围地下水位对成库影响较大。库区开挖有两种施工方法可以选择，一是带水开挖方案，二是排水开挖方案。由于库区开挖土方工程量较大，不宜采用小型挖掘机及载重量小的自卸汽车，推荐采用3m3挖掘机配合32t自卸汽车;建筑物附近的土方工程量小，作业面也小，采用1m3挖掘机。

2.1 方案一：带水开挖方案

库区地下水位以上采用挖掘机直接开挖成型，地下水位较浅时通过洼冲沟向库内引水，并采用陆水两用3m3液压挖掘机施工，水位稳定在1m以上时，采用100m3绞吸式挖泥船施工。具体方案是：为了减轻在水下开挖成库后库岸线护砌的难度，相关部门应设置围堰，施工前首先在库区开挖控制外轮廓线内退30m再进行开挖，排泥池、管可在此30m范围内布置，并横向填筑格梗，用于挖泥船开挖后吹填翻晒;30m范围以内的库区开挖成形后，库周30m范围的带状部位采用干挖作业，沿岸线开挖并护砌，节省围堰及抽排水费用。护砌完成之后，由库内向外将剩余土方按设计断面开挖完成。

参照国内很多湖泊或水库的疏浚经验，相关单位通过比较耙吸式、绞吸式、链斗式、抓斗式和铲斗式等挖泥船后，采取绞吸式泥船。因其自带泥泵和吸泥装置，挖泥时用绞刀铰松河底泥土，再用泥泵将泥浆从吸泥管吸入，经过排泥管送到岸上或排入泥驳运走，适宜于开挖沙质土、淤泥等土质较松的河底，是现有挖泥船中的一种主要类型。绞吸式挖泥船的作业过程可以一次连续完成挖泥、运泥、卸泥等工作，是一种效率高、成本低的挖泥船。

水下土方开挖应分段进行，泥层厚度超过挖泥船一次最大挖泥厚度时，应分层开挖，上层宜厚，下层宜薄。本工程开挖断面较大，需分区分条开挖，条与条之间应重叠一个宽度，以免形成欠挖土埂。开挖时应先挖子槽使河道先通后畅，以保证设计挖深、减少停工时间、防止船舶搁浅。绞吸式挖泥船分条开挖时，为保持一个相对稳定的排泥距离，宜从距排泥区远的一侧开始，依次由远到近分条开挖，对比较坚硬的重粉质壤土，应按绞刀切削能力进行排泥;对砂性土，宜取绞刀头直径的1.2～1.5倍;当土质比较松软时，可取绞刀直径的2倍。绞吸式挖泥船在停产和施工期非换桩操作瞬间，严禁将两根定位极同时插入河床。开挖水下土方时，应在附近设置水尺，每天及时测读，并定期核定水尺精度。根据水位、土质及船舶的吃水深度等情况，及时调整泥斗下放深度，及时组织测量人员测量河道底标高，并根据测量结果对不足的地方进行补挖。

卸泥区可先在成库工程的红线范围内卸泥，即从库中间向两端开挖，后期岸线整理时，卸泥在岸上红线以内30m范围布置沉沙格梗，由近及远地进行每个卸泥区的吹填，使吹填后的水流向卸泥区外侧排放。按照施工强度和挖泥挟带的水量进行分析，每开挖1m3底泥含水量要达到3/4，泥水混合物吹填至格梗后，吹填积水应待泥沙沉淀好后才能排放，疏导排放积水，防止浸漫周边地块和对河沟产生新的冲刷和淤积，排水时间较长，对工期影响较大。

该方案中，总开挖土方的60%为挖掘机开挖，可直接装车，运距3km;另有40%水下土方由挖泥船開挖，按挖泥船开挖量的0.5%设置岸上格梗，并按150m3/m的强度设置吹填排泥管。吹填土方在沉淀后需用三铧犁翻晒后再采用挖掘机进行二次开挖并运输。经分析，挖泥船开挖单价30.12元/m3，此方案库区开挖工程投资为2.89亿元。

2.2 方案二：排水开挖方案

为有效降低施工期库内地下水位，方案二采用排水后挖掘机开挖。洼冲沟正常情况下受新运河回水影响，水位较高。据调查，洼冲沟水位与库区开挖后的地下水位基本持平，采取库岸扒口向洼冲沟进行施工排水的方法不可行。因此，施工单位在开挖至地下水后，应采用潜水泵抽水外排方案，即先挖各分区主导流沟，沟底高程定为41.0m，低于库区最低库底高程42.5m;主导流沟两侧依次开挖鱼刺状次导流沟，沟底高程42.5m。按照地质报告，库区地下水位平均为43.75m，面上余水约1.2m，采取后退式开挖作业，不会影响挖掘机施工。将库区分解为若干施工面同时开工，用挖掘机退挖，直接上车外运。库区5个分区共设置7个排水口，在主导流沟与洼冲沟交界处设置集水井，地下渗水通过各集水井内的水泵排向库外洼冲沟。经计算，库地下水位日渗水量1.5万m3，按总施工工期17个月来计算，地下水位出露后的工期约占总工期的1/4，施工期总的排水量为225万m3。

该方案最简单，所有开挖方均为挖掘机施工，开挖后直接装车，自卸汽车运输。根据库周回填区设计分析，单价20.75元/m3，成库开挖投资为1.77亿元。

2.3 方案比选

方案一的优点主要包括施工难度低，施工经验丰富，无需抽排地下水，不会引起周边地下水环境变化和地质问题。缺点是水下开挖时，库区竖向体型难以控制，尤其库区主要是砂壤土、中粉质壤土，很难按设计体型开挖，可操作性差;因水下开挖，开挖料含水量高，大量的泥沙运输困难，难以堆放，施工期影响周边环境;建筑物施工时由于水位较高，降水和围堰费用较大;为了进行库岸护砌，需二次开挖库岸线，对已施工岸线造成不利影响;工程投资偏大。

方案二为常规施工方法，具有施工工艺简单;开挖断面可控，在库底开挖时可根据具体情况对库底形态进行调整，没有施工工艺限制;干槽成库，库岸护砌可同期施工的优点。缺点是库岸由砂壤土及中粉质壤土组成，属于弱透水层，施工时必须不间歇排水，会引起周边地下水位下降，导致生态环境破坏;施工期库内无水，影响景观效果。

以上两个成库方案各有优缺点，笔者通过对两个方案进行论述和详细比较得出结论，方案二在投资上占绝对优势，推荐采用方案二。

3 弃土处置方案

库区土方开挖料较大，可作为自然地面回填料，土壤酸碱度、土壤含盐量等指标不会对库区环境造成负面影响。库区开挖料首先进行库周堤防填筑，剩余土方弃至规划的弃土场地。东新区在整体规划竖向高程时应考虑水库挖方，整平并适当抬高建设区域。库周回填地面高程应满足防止盐碱化临界水位、地面建筑要求安全高度的要求。

弃土处置方案受建设工期、土地征用指标、开发建设模式、周边城市规划深度和建设进度等诸多因素影响，弃土处置应因地制宜，综合考虑上述因素进行合理确定。近期选择弃土集中堆放，按堆高25m匡算，占地约33hm2，有利于工程实施，社会影响相对较小;远期弃土与南部低洼区的回填相结合，可以缓解该区域农田的除涝问题，并与城市建设相结合，减少城市建设成本，有利于区域排水，但应加强综合协调力度，保证工程顺利实施。

4 土方挖填平衡分析

为减少土方运距，降低工程投资，施工单位应根据各个分区开挖方量、回填区域的回填高程、回填面积，确定各个区域的回填方量，结合防洪排涝、交通、地面排水、城市景观等方面的综合要求，对自然地形进行利用、改造、确定坡度、控制高程和平衡土方，对回填区域进行整体规划。

本着节约投资、加快工程进度的原则，施工单位应统筹各分区土方供需量，在大比例尺的地形图上，根据开挖方量的多少，将每个库区再详细划分为各个不同的部分。绘制各填方区域“高程-填方量”曲线和各挖方库区“水位-库容”（高程-挖方量）曲线，对比两组曲线，查找调整敏感高程，重点区域详细分析，对区域高程、水域岸线高程、库底高程、道路高程提出建设性意见，并力求方案最优。从“高程-填方量”曲线上查出填方高程对工程投资的敏感性影响，并通过一些工程措施，使不利影响最小化，工程收益最大化。根据分区回填需土量，分区划定库区供土量及供土开挖时机，力争达到整体工程土方最优调配，运距最短，并使挖、运、填一步到位，坚决避免二次倒运产生不必要的投资浪费。根据回填需土量，调整开挖方案，统筹亲水、生态、水质交换等各种因素，并充分考虑挖填方松实系数的影响，进行库底形态重塑。

通过采取有效的工程措施进行合理调配，在保证各区域功能不受洪涝和次生盐碱化影响的前提下，提出最优土方平衡方案、最短距离内的土方平衡调度计划和合理施工顺序，挖、运、填一步到位，避免二次倒运，提出各回填区域最低设计标高，最大限度地节省资金[2]。

根据各个方案的比较，本次实验将开挖区域共划分为24个细化分区，将回填区域细划为27个细化分区，根据各个开挖分区开挖土方量的多少及距离远近合理确定各个开挖区对应的回填区域;同时，与本次设计的堤顶高程顺接，整个地块回填呈中间高南北低的地势。

参考文献：

[1]王兵，李丹.河南省某引黄调蓄工程建设必要性及规模论证分析[J].河南科技，2017（17）：85-86.

[2]王汴歌，付瑞杰，李洪雷，等.引黄灌区管养存在问题及对策[J].河南水利与南水北调，2017（7）：63-64.