西堤水闸除险加固工程施工导流设计

游春香

（福建省水投勘测设计有限公司，福州 350001）

1 工程概况

西堤水闸位于福清市江镜镇柯屿垦区西堤，柯屿垦区由柯屿岛及东、西两段海堤围垦形成，两堤各设1座水闸，共9孔，总净宽69m，其中东堤水闸净宽9m， 西堤水闸净宽60m， 西堤水闸承担垦区防洪（潮）、排水和纳潮的主要任务。 工程位置如图1。

图1 工程位置示意图

本次除险加固工程主要建设内容： ①拆除重建水闸闸室；②新增内外港消能防冲设施；③内外港翼墙护岸加固；④闸门及启闭设备更换；⑤拆除重建生产用房和启闭房； ⑥完善工程观测及自动化控制系统。

本次除险加固水闸闸室拆除重建后仍为分离式闸室， 孔数与净宽保持不变， 总净宽60m， 闸室长18m，底板面高程降至-3.00m，闸室高9m，闸室两侧设减压空箱； 内外港消能防冲设施由消力池和海漫组成， 消力池采用下挖式结构， 池深1m， 池面高程-4.00m， 两侧翼墙为衡重式结构， 挡墙墙身高4～9m，内外海漫采用水下模袋混凝土结构。

2 水文地质条件

迳溪流域洪水主要由4—6月的锋面雨和7—10月的台风暴雨形成，4—9月雨量占全年的80%。 锋面雨洪峰低但洪水范围广、洪水量大、持续时间长，往往形成多峰型洪水； 平均每年有2～3次台风影响，台风暴雨历时短、雨量集中、强度大、来势猛，为造成本地区洪涝灾害主要原因。

工程地处兴化湾，潮汐特征为规则的半日潮，湾内平均潮差由湾口向湾顶逐渐增大，潮型为“两高两低”，多年平均潮位差可达8m。

闸址施工期不同时段洪水及潮位特性如表1。

表1 水闸闸址各时段洪水成果与潮位特性

工程区内出露地层自上而下分别为： 人工填土层（Q4s）、第四系冲积海积层（Q4al）和侏罗系赤水组凝灰熔岩（J3ch2）。 其中，水闸闸室基础与外围堰堰基坐落在强～微风化凝灰熔岩上，物理力学性质与抗渗稳定性好； 水闸内围堰堰基坐落在粉质黏土及全风化凝灰熔岩，表层粉质黏土为微透水性，下部基岩风化层为弱～中等透水岩体，物理力学性质与抗渗稳定性较好。

3 导流标准与方案比选

西堤水闸为Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物为2级，导流建筑物的级别选定为4级，采用10年一遇洪水重现期标准。

本工程施工期为12个月， 施工期间需正常纳潮保证垦区海水养殖区水体交换的需求， 并要求于次年6月份前完成主体工程并具备防洪（潮）能力，水闸闸室拆除重建和新增内外消能防冲设施作为主体工程主要建设内容，土石方及混凝土浇筑工程量较大，是控制本工程进度的关键项目， 施工导流方式的选择将直接影响主体工程施工实施进度与工程效益发挥，是本工程需解决的一个主要技术难点。

本工程外港潮位高，闸址坐落裸露基岩，水闸闸址两岸无开阔滩地，且靠近高速路基，同时省道沿线西堤穿越， 因而除利用东、 西堤水闸自身闸孔导流外，无成洞或新开明渠等导流条件。施工导流方式采用分期围堰导流方式和一次拦断河床围堰导流方式进行综合分析比选。

若采用分期施工， 将不可避免地跨越汛期施工，导流时段为全年期，分两期实施。 经设计洪水遭遇外港多年平均高潮位的最不利组合对上游洪水进行蓄排涝调洪计算以及纳潮能力计算，采用西堤水闸2孔闸门及东堤水闸3孔闸门全开进行导流可满足施工期内泄洪与纳潮功能需求。 分期导流方案一期围堰自3#孔向内外延伸布置，围右岸3孔，由左侧2边孔及东堤水闸全开导流；二期围堰自已建4#孔向内外延伸布置，围左岸3孔，由已建右岸2边孔及东堤水闸全开导流。 受围堰高度与闸孔宽度限制，纵向围堰不宜采用坡式围堰型式，需采用直立式围堰， 考虑到堰基坐落基岩且施工期潮位落差大，常规混凝土或浆砌石围堰施工困难且造价高昂，分期导流方案纵向围堰采用双排钢板桩内填砂围堰，横向围堰采用上下游外侧充灌砂条袋压载护坡，中心吹填砂围堰。

若采用一次拦断河床施工，在仅有东堤水闸导流的条件下势必无法全年期施工，拟考虑枯水期一次拦断围堰导流方案。 迳溪流域来水集中在4—9月，占全年的80%，为主汛期，导流时段拟定为10—3月， 时段内主要完成围堰填筑拆除及闸室下部结构、内外港消力池和翼墙等主要建筑物施工及水工闸门安装调试。 结合到枯水期上游来水量少，垦区海水养殖区纳潮换水量少的特点，经最不利组合调洪计算与纳潮能力计算， 利用东堤水闸3孔闸门进行导流可满足功能需求。 本方案围堰采用常规土石围堰。

两个方案调洪计算与技术经济比较如表2～表3。

表2 导流方案蓄排涝调洪计算结果

表3 施工导流方案技术经济比选

以上两种方案技术上均可行，在施工程序复杂程度、施工程序和周期、对旧闸室拆除方案、对主体工程影响、对外交通及临时工程投资方面上，采用枯水期一次拦断围堰导流方案均具有较大优势， 但该方案在一个枯水期内主体工程工作量较大，存在一定风险，对施工工艺优化，施工计划安排，以及人、机、材衔接等施工管理方面提出了更高的要求。经综合分析，结合现场实际情况，确定采用枯水期一次拦断围堰导流方案。

4 导流程序

垦区内港正常蓄水位0.00m，最大可调库容约2800万m3，导流时段10至次年3月，通过东堤水闸导流。上游来水时，当期间内港水位低于或等于外港潮水位，东堤水闸闸门关闭，当内港水位高于外港潮水位，东堤水闸闸门全开泄水， 洪潮遭遇工况经对比P=10%洪水遭遇外港多年平均高潮位过程线及多年平均洪水遭遇外港P=10%潮位过程线两种组合， 取设计洪水遭遇外海多年平均高潮位的不利组合， 经24h洪水蓄排涝调洪计算，内港最大滞水时段10h，新增来水720万m3，对应洪水位1.30m；纳潮时，选用对纳潮不利的潮型，内港水位从-0.50m起调，在一个涨潮过程中，通过东堤水闸3孔全开进水，内水位上升至正常蓄水位时停止纳潮，在两次落潮过程中放水； 遭遇外海高潮位时， 东堤水闸关闭，通过东西两堤及外围堰闭合挡潮。

5 导流建筑物设计

内外围堰均布置于水闸内外消力池外侧， 外围堰轴线布置距离闸址约37m，轴线长度为87m，内围堰轴线布置由左岸空地避让冲坑延伸至内港右岸，轴线长度为144m。

围堰建筑物级别为4级， 均采用梯形不过水围堰。内围堰挡水位采用内港设计洪水位，堰顶设计高程为2.25m，为兼顾两岸通行纵坡，围堰填筑面高程2.20m，两侧利用1m高袋装土堆高作为防浪墙兼通行防护。外围堰挡水位采用外港设计高潮水位，堰顶设计高程为6.40m，围堰填筑面高程5.20m，堰顶设袋装土防浪兼拦挡。

为加快施工，内外堰体均就近采购黏土填筑，内外围堰迎水侧边坡坡比均为1∶2， 坡面设0.5m厚袋装土压载防渗土工膜，背水侧边坡坡比均为1∶1.5，坡面设1m厚砂包压载导渗。为提高内围堰抗滑稳定，迎水侧-7.00m高程设5m宽抛石护脚平台。 为提高外围堰抗滑抗渗稳定，内外边坡高程1.50m处设3m宽压载平台，迎水侧-2.00m高程设5m宽抛石护脚平台。考虑到外围堰基础主要为强～微风化凝灰熔岩，为提高填筑土料同基岩接触面的抗渗强度， 堰基与基岩结合处回填0.5m厚1∶8水泥土防渗。

采用《理正岩土系列软件》进行抗滑与渗流稳定有限元分析，经采取一定抗滑抗渗措施后，内外围堰迎水坡抗滑稳定系数1.18～1.27，最大堰坡/堰基渗流出逸比降为0.31～0.50，满足抗滑与抗渗稳定要求。围堰抗滑抗渗计算如表4。

表4 围堰抗滑抗渗计算结果

枯水期一次拦断围堰导流方案布置如图2。

图2 枯水期一次拦断围堰导流方案布置

内围堰典型断面如图3，外围堰典型断面如图4。

图3 内围堰典型断面

图4 外围堰典型断面

6 导流建筑物施工与主体工程施工强度分析

围堰土石方填筑量合计约3.7万m3， 根据围堰工作量， 10月初至11月中旬完成围堰填筑，3月中下旬完成围堰拆除。 围堰施工利用落潮时段预进占施工，根据地形条件及施工道路布置，内外围堰均从岸边向中间推进，堰体填筑料利用外购料，采用1m3装载机装5t自卸汽车运输， 推土机平料，10t自行式振动碾分层碾压，分次填筑达到设计断面，随后进行防渗土工膜、内外压载导渗护坡及抛石平台护脚施工。围堰填筑形成后基坑初期积水量约400m3， 采用明沟引蓄后通过两台潜水泵排出坑外，同时做好渗流量记录与观测。

本方案枯水期内主体工程施工期为11月中旬至3月初，共约120d。为保证4月汛前具备闸门临时吊装启闭功能，施工期内至少需完成以下施工内容：闸室拆除及闸墩以下结构重建、新建两侧空箱挡墙、新建内外消能池及两侧翼墙及闸门安装调试，共涉及土石方开挖量1.76万m3， 常态海工混凝土浇筑量0.95万m3，土石方回填量1.05万m3。 结合围堰施工计划，土石方开挖安排在第一年11月下旬至第一年12月底， 月平均施工强度1.17万m3/月，混凝土浇筑安排在1月初至3月上旬（含二期混凝土），月平均施工强度0.4万m3/月，土石方回填安排在第二年3月，月平均施工强度1.05万m3/月，3月中下旬完成预制交通桥板吊装与闸门安装调试。根据地区同类项目施工经验，虽然工作量大且需集中配套设备较多， 通过合理施工管理优化，施工强度可控。 同时，在实际实施过程中紧密对接地方防汛部门， 根据汛期气候趋势分析预测科学研判汛情态势， 经主管部门批准后方可适时提早开展围堰填筑工作，以延长主体施工工期。

7 度汛与应急抢险预案

根据施工进度安排， 工程开工后的10月初至次年3月底为施工临时度汛期，期间洪水通过东堤水闸3孔全开排出，最大排洪流量111m3/s；次年4月后进入主汛期，汛期洪水可通过东堤水闸3孔全开及西堤水闸2孔全开排出， 其中西堤水闸最大排洪流量423m3/s。 为确保安全度汛，需在次年3月底之前完成水闸闸门及预埋件制作安装，并保证4月份进入汛期后，至少3孔闸门具备正常启闭功能，汛期洪水来临时，使用吊车临时启闭闸门，以保证安全度汛，同时做好应急抢险预案。

8 结语

（1）西堤水闸除险加固施工期短，施工期间需保证正常纳潮排水运用， 闸址坐落基岩及高潮位的水文地质条件导致全年期分期围堰导流方案实施周期、难度及投资较大。枯水期一次拦断围堰导流方案虽然施工期短， 但良好的地质条件使得水闸闸室及临时围堰无需基础处理， 一定程度上减少了临时工程与主体工程水下部分施工工程量， 在保证枯水期内纳潮运用及工程质量前提下， 进一步使枯水期内一次拦断河床施工方案成为可能， 在节省了大量投资之余，提早发挥了部分工程效益。

（2）工程实施过程中，于次年2月底完成主体工程下部结构，次年3月完成了闸室上部结构及闸门安装，并通过部分工程提前投入使用验收，提早了2个月发挥部分工程效益。 本工程施工导流设计技术总结可供类似工程参考。