跌水消能在人工景观溢流坝中的应用

杨 利

（山西四建集团有限公司，山西 太原 030024）

在大力建设宜居城市、改善水环境的同时，对贯通城区的河流进行大力整治，利用拦洪坝修建城市蓄水景观。在各类人工景观溢流坝工程建设中，最重要的工程部分是坝体消能。现有坝体消能方式，主要有底流消能、面流消能、挑流消能，但这三种消能方式对下游河道冲刷严重，且坝后需设置复杂的海曼、消力池、消力戽等水工消能建筑物。因此大同市御河人工景观溢流坝，采用了跌水消能方式。

1 工程概况

1.1 地理位置

大同市御河流域生态修复与保护项目位于御河东路以西，十里河与御河交汇处，生态湿地建设范围约6.5 km2，主要内容包括河道清淤清障、蓄水建筑及生态蓄水池、河槽生态护砌、堤防加固、引水工程、调水工程、功能湿地、水体生态修复、湿地绿化等。

1.2 气象

大同市区，属温带大陆性气候，春季干燥多风，冬季寒冷少雪，雨量集中于7—9月，多为局部大雨、暴雨及冰雹，山洪较多。全年主导风向为西北风和北风，夏季主导风向是东南风，年平均风速是3.9 m/s，极大风速33.7 m/s。全年平均温度为6.6℃，一月最冷，温度平均值-10.9℃，极端最低温度为-29.1℃，七月最热，温度平均值为21.8℃，极端最高气温为37.7℃。年平均日照数达2 753.3 h，年平均无霜期162 d，降水量376.9 mm，蒸发量2 043.2 mm。该地区最大冻土深度1.86 m，多年平均河流封冻天数110 d，解冻天数135 d。

2 工程设计

2.1 地质条件

根据勘探资料显示，工程区内主要地层，有人工填土、第四系全新统冲积粗砂、圆砾、粉质黏土等，现将地层由新到老介绍如下。

2.1.1 现代人工堆积

杂填土层组成：包括建筑垃圾及生活垃圾，厚度1.5～2.8 m；

素填土层组成：主要由粉土自然堆填而成，分布河床漫滩表部，厚度1.1～1.8 m。

2.1.2 第四系全新统冲积（Q4al）

砂壤土、粗砂、圆砾、粉质黏土、粗砂、粉质黏土。

本工程人工景观溢流坝坝址轴线深度25 m范围内，共分布有7层地层，其中（2）层为第四系全新统冲积堆积（Q4al），岩性为砂壤土，厚度0.5～0.7 m，分布于漫滩表部，属于开挖部分。（3）层第四系全新统冲积堆积（Q4al），岩性为粗砂，中密至松散，厚度5.30～8.80 m，分布不均，承载力特征值fak=220 kPa。

河水对普通混凝土无腐蚀，对钢筋混凝土中的钢筋及对钢结构具有弱腐蚀性。

2.2 工程布置

人工景观溢流坝，位于桩号SH 0+464.12处，坝长均为147.8 m，高2.3 m。溢流坝为梯形结构，由上游铺盖段、溢流挡墙、消力池段和冲砂闸组成。

上游铺盖段为C25 W4 F200钢筋混凝土，设计长10.7 m，厚0.3 m。

挡水坝段高2.5 m，溢流坝段高2.3 m，坝顶宽度1.5 m，迎水侧直立，背水侧坡度1∶0.3。坝踵宽度0.8 m，坝趾宽度2.35 m。景观石安砌于坝后，砌筑成台阶状，营造自然跌水景观。

消力池采用0.5 m厚钢筋混凝土底板，消力池段长14 m，池深0.5 m。消力池底部设置排水管，底板下部设置反滤层。

泄水闸顺水流方向长度8 m，边墩厚0.8 m，闸底板厚度0.8 m。设置检修闸槽和2 m×2.5 m工作闸门，闸室上下游各设圆弧形导流墙。启闭机架桥高度3.3 m，机架桥顶部宽度3.5 m，四周设1.2 m高不锈钢栏杆，机架桥上游设人行交通桥，两侧设1.2 m高不锈钢栏杆，交通桥轴线与溢流坝轴线齐平。

由于地基承载力不够，本次设计基础换填沙砾石2 m深。

2.3 景观工艺

混凝土溢流坝：溢流坝采用梯形实用堰，堰高2.5m，缺口段堰高2.3 m，顶部宽1.5 m，上游垂直，下游坡向上游1∶0.3。坝踵宽度0.8 m，坝趾宽度2.35 m，如图1所示。

图注：1.混凝土梯形结构；2.自然景观石；3.上游钢筋混凝土铺盖；4.下游消力池；5.浆砌鹅卵石；6.混凝土垫层；7.φ32锚固钢筋；8.植筋；9.止水片；10.M7.5砂浆

下游坡浆砌景观石：浆砌景观石阶梯布置，借鉴自然河流跌水消能模式，营造自然跌水氛围。

坝顶浆砌卵石：坝顶采用厚15 cm的浆砌卵石盖顶，营造淳朴的自然河道景观。

3 施工方案

工艺流程：测量放线→土方开挖→基础联合验收→基础换填→垫层混凝土施工→钻孔→基础锚固钢筋的安装→坝体混凝土工程→止水、预埋件安装→植筋→浆砌景观石施工→金属结构及机电设备安装→完工验收。

3.1 测量放线

采用全站仪进行测量放线。按照先整体后局部原则，将基准点引至坝体左侧，按施工方案先放出开挖边线，开挖过程中及时测量坡度及坡脚位置，开挖至基坑标高时，首先放出坝体轴线，再逐步放出坝址、坝踵边线，施工过程中及时复线和纠偏。

3.2 土方开挖

开挖采取“自上而下，分层开挖，先岸坡后基槽的”的原则。先清除表土，做好基坑周边的防排水工作，有效避免河槽中水流进入基坑。随后由1 m3挖掘机配合装载机挖土并装车、10 t自卸汽车运输，将多余土方运至指定弃土场。挖至距建基面20 cm后，采用人工开挖，开挖至设计标高。

3.3 基础联合验收

初步验收：当基坑开挖至建基面后，需用白灰撒出边线，准备好验收所需资料并自检合格后上报监理进行验收。初步验收合格后，再由建设单位组织施工单位、设计单位、监理单位、建设单位、勘察单位进行联合验收，经验收合格后进行下一道工序的施工。

3.4 基础换填

基础换填采用3∶7灰土，压实系数不小于0.97，灰土按配比在存土场拌合后运至坝基摊铺，虚铺厚度0.30 m，摊铺好后，随即夯实碾压。本工程大面采用22 t压路机碾压，压路机压不到的部位采用蛙式打夯机进行夯压。碾压遵循先两侧后中间、先静压后振动的方式进行碾压，灰土碾压回填采用整体分层，不进行分段施工。回填至设计标高验收合格后，按照图纸尺寸要求将基面挖成企口形状。

3.5 垫层混凝土施工

垫层厚度10 cm，现场采用商品混凝土进行浇筑，从左岸开始向右岸浇筑，分7段浇筑，左、右岸坝段为23.9 m，中间坝段均为20 m。混凝土浇筑过程中应及时进行振捣、收面。浇筑完成后及时进行覆膜养护，养护时间不少于一周。

3.6 钻孔

垫层浇筑养护7 d后进行钻孔，采用直径为36 mm的风钻，梅花型放线，钻孔，间距1.5 m，孔深1 m。

3.7 基础锚固钢筋安装

先行清孔，后将植筋胶注入孔内，将直径32 mm螺纹钢置于孔内；锚固长度1 m，外漏长度0.8 m。

3.8 坝体混凝土工程

坝体混凝土工程包括钢筋工程、模板工程、混凝土浇筑、止水安装、伸缩缝处理等。

坝体混凝土分段长度与垫层相同划分为7个坝段浇筑，左、右岸坝段为23.9 m，中间坝段均为20 m，总长147.8 m，采用跳仓法浇筑，先浇筑奇数坝段，后浇筑偶数坝段。

高度方向分四次浇筑，第一层浇筑至与下游消力池顶板齐平，第二层浇筑至与上游铺盖齐平，第三、四次浇筑至顶板标高。

3.9 止水、预埋件安装

止水采用50 cm宽，2 mm厚的铜止水，采用小钢筋弯头对称布置于止水两侧，达到固定止水同时保护止水不受破坏的目的，预埋件采用二次浇注的施工方法达到准确安装的效果。

3.10 植筋

在本工程施工景观石砌筑中，施工人员受建筑工程填充墙施工中植筋工艺的启发，在混凝土坝体中植入14的钢筋，在景观石安砌过程中压入砂浆层，使得坝体与景观石结合更牢固，经该工程实践，取得了良好的拉结效果。

3.11 浆砌景观石施工

景观石安砌采用坐浆法施工，施工中用12 t起重机配合装载机及人工进行安砌，砂浆采用M 7.5的干混砌筑砂浆，景观石采用天然石材，通过试砌，达到协调美观的效果，形成人工跌水台阶，达到和谐美观的人工景观溢流坝。

3.12 金属结构及机电设备安装

土建工程完成后进行闸门、启闭机的安装工作，本工程采用定型铸铁闸门及配套启闭机设备。

4 技术优势

在溢流坝施工过程中，立足于实用性、创新性，采用的跌水消能方式，在人工景观溢流坝建设中优势明显：

（1）混凝土坝底板增设锚杆，加强了坝体与地基的整体性，减小了坝体体积。

（2）坝后植筋，埋设于景观石的灰缝中，增强了坝体与景观石的联结，提高了稳定性。

（3）景观石砌筑成台阶状，形成跌水瀑布，提高了城市景观效应。

（4）景观石与混凝土薄坝结合成一个有机整体，形成了新型的重力坝结构体系，节约了投资，缩短了工期。

（5）坝后景观石砌筑成台阶状，水流通过跌水消能，减少了对下游河道的冲刷。

5 结语

溢流坝保留了自然风光，营造了灵动的风景和幽静的自然景观，为人们远离喧嚣的都市生活、愉悦心情，提供了休憩空间。该技术目前获得发明专利一项，科技成果登记（重大成果）一项，企业级工法一项。