基于万福桥闸站工程施工围堰及降排水研究

施 军，周 艺，董 俊

(扬中市水利工程管理处，江苏 镇江，212000)

0 引言

在一些水系发达的地区，水利工程设施在防洪方面发挥着十分重要的作用，在挡水建筑物中，水闸作为重要的民生基础设施，在工程建设中应用越来越广泛，对于保障区域内水安全有着重要意义。在水闸建设过程中，围堰施工是至关重要的环节，用以围护施工的基坑，为水工建筑物施工提供干作业环境。如何做好水闸围堰施工和降排水设计，是水闸工程建设中重要的课题之一。

1 工程概况

1.1 项目背景

现万福桥闸位于扬中市，与新坝大港南端夹江江口的栏杆桥闸水系贯通，1973年7月建成，为单孔通航节制闸。为了将新坝大港排涝标准提高至20年一遇，长江侧防洪标准提高至100年一遇，拟在现有万福桥闸前约70m左右，距江口约750m处新建万福桥闸站。新建万福船闸位置见图1。

图1 万福桥闸位置

新桥闸宽6m，单孔，居中布置，设计流量65m3/s；泵站设计排涝流量18m3/s，安装4台机组，两侧布置，单机设计流量4.5m3/s。万福桥闸站工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级水工建筑物，次要建筑物为3级，临时工程为4级，闸上交通桥设计汽车荷载等级为公路－Ⅱ级[1]。

1.2 水文

扬中河段属于感潮河段，每日涨落两次，最大潮差不足2.0m，平均潮差在1.0m左右。万福桥闸站外侧夹江最大流量约9260m3/s。多年平均流量约2930m3/s，最大流速2m/s。长江主航道与夹江的流量比约9∶1，夹江水位一般比长江主航道高0.2m左右。每年汛期长江水位高潮一般为4.5m～6.5m，低潮为3.5m～5m；枯水期长江水位高潮一般为2.5m～4.4m，低潮为2m～3.5m，新坝大港区域20年一遇24小时暴雨为233.2mm，闸外长江100年一遇水位为8.43m，300年一遇水位为8.82m。

1.3 地质

土层自上而下可分为素填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土夹粉砂、粉质粘土夹粉砂、粉砂夹粉质粘土、粉细砂等。素填土成分不均一，松散稍密；粉质粘土为中等偏高压缩性；淤泥质粉质粘土夹粉砂为高压缩性；粉质粘土夹粉砂为中等偏高压缩性，以上几种土层工程力学性能都比较差。粉砂夹粉质粘土为中等压缩性，工程力学性质一般；粉细砂为中等压缩性，工程力学性质较好。

2 围堰设计与施工

2.1 围堰设计

根据«水利水电工程等级划分及洪水标准»(SL 252－2017)、«水闸设计规范»(SL 265－2016)和«水利水电工程施工组织设计规范»(SL 303－2017)的要求，围堰顶高程不应低于正常蓄水位(或最高挡水位)加波浪计算高度与相应安全加高值之和。

1、计算公式

式中，Y为坝顶安全超高，m；R为波浪沿坝坡爬升的高度，m；A为安全加高，4级不过水围堰安全加高取0.5m。

2、计算过程

(1)本次复核波浪的平均波高和平均波长计算采用莆田试验站公式:

式中，hm为平均波高，m；Tm为平均波周期，s；W为计算风速，m/s，正常运用条件下，采用多年平均最大风速的1.5倍，即21.0m/s；D为风区长度，m；Hm为水域平均水深，m；g为重力加速度，取9.81m/s2；Lm为平均波长，m。

(2)平均波浪爬高计算公式如下:

式中，Rm为平均波浪爬高，m；m为坡度系数；K△斜坡的糙率渗透系数，草包装土护坡，取0.9；KW为经验系数。

参数取值见表1。

表1 参数取值

围堰顶高程计算成果见表2。

表2 围堰顶高程计算成果

3、计算结论

根据计算成果，长江侧围堰设计顶高程取7.3m，新坝大港侧围堰设计顶高程取5.5m，可以满足规范要求。

在新坝大港侧和长江侧分别设施工围堰进行断流施工。长江侧围堰顶高程7.3m，顶宽5.0m，迎、背水坡均在水位4.50m设平台宽2.0m，迎水坡平台以上边坡为1∶2.5、平台以下为1∶3.0，在水位4.50m～水位7.30m采用草包装土进行护砌；背水侧平台以上边坡为1∶2.5，平台以下为1∶3.8。新坝大港侧围堰设计顶高程5.5m，顶宽3.0m，迎水坡和背水侧坡比均为1∶2.5，迎水坡在水位2.40m～水位5.50m采用草包装土进行护砌。

另外，长江侧围堰上新建临时道路，与两侧堤顶衔接段堰顶道路按1∶10放坡。临江侧的围堰不仅仅起到拦水作用同时也是临时交通道路，临时道路采用4.5m宽的泥结石路面，本河道左侧现有路面高程为8.7m，右侧高程为9.3m，所以本围堰要同时满足在施工期间的交通，连接左右岸，堰顶高程设计为8.7m－7.3m－9.3m，大于10年一遇高潮位设计围堰高度7.3m，能够满足本工程的围堰功能需求。

根据瑞典条分法对围堰设计断面分别进行迎水侧和基坑侧边坡抗滑稳定计算。

长江侧围堰迎水侧水位6.37m，新坝大港侧围堰迎水侧水位4.70m。具体计算成果见表3。抗滑稳定安全系数均大于规范允许值。

表3 围堰稳定计算成果

2.2 围堰施工

2.2.1 施工组织

围堰填筑全部采用距离本项目所在地35km的丁卯开发区外购黄黏土，长江侧围堰需土约4400m3，新坝大港侧围堰需土约3300m3，满足交通要求围堰增高增加约1000m3，共需黄土约8700m3。十天内完成围堰填筑，投入推土机2台，挖机3台，自卸汽车20台。

2.2.2 围堰填筑

(1)清理围堰填筑范围内河道两侧杂物。

(2)水中填筑围堰采用进占法施工，从河道东侧向西侧进占，围堰合拢时，用人工配合挖掘机将挤压在一起的淤泥土清除运送至弃土场[2]。

(3)围堰填土高出河水位0.5m后，用推土机分层平整压实。围堰水上填土，采用分层铺土，分层压实，层厚25cm，推土机平整压实[3]。

(4)围堰填筑完成，在迎水坡面上铺设复合土工膜，土工膜用草袋装土压紧。

(5)围堰内排水结束，在背水坡坡脚适当抛填块石镇脚，兼作渗水反滤层，并开挖排水明沟，专人排水[4]。

(6)施工过程中保护好原有的水路通道、河道沿岸涵闸的畅通，对局部地段采用缩小坡比然后采用木桩或钢板桩进行加固。

(7)围堰填筑完成，及时进行交通道路的混凝土浇筑、栏杆布设、围堰防护等工作。

2.2.3 围堰监测

(1)施工过程中加强监测，顺围堰方向做好纵向位移观测点，在围堰运行过程中，安排专人值班，做好围堰上下游水位观测和纵向位移观测并记录，每天定时两次，河道水位迅速上涨时每天八次。

(2)在基坑侧围堰顶开挖截流沟，及时排水，以防雨水冲刷坡面。定期检查和维护施工围堰，发现透水、松动等及时堵漏、填平、压实。

2.2.4 围堰拆除

(1)拆除前测算好拆除工程量，围堰拆除采用1台长臂挖机和2台液压反铲挖掘机进行挖土，1台74kW推土机进行推土，6台8t自卸汽车进行土方运输。

(2)围堰拆除时严格控制土方开挖底标高，同时监测堰体的位移，做到时刻监控。

(3)先利用液压反铲挖掘机对围堰堰顶高程进行降低，保持堰顶高度大于水面线0.5m，再利用长臂挖机对堰体两侧边坡土方进行开挖，最后再利用液压反铲挖掘机分别从中部向两端迅速开挖。

3 降排水设计与施工

3.1 降水设计

3.1.1 导流

新坝大港两头通江，南侧为栏杆桥闸直接通江，万福桥新闸站新建采用断流施工，施工期港内来水可通过栏杆桥闸自排出江，无需另行施工导流。

3.1.2 降水设计

降排水包括围堰内初期积水排除，基坑降水，基坑经常性排水，基坑周围汇水排除。下面针对基坑降水进行设计。

(1)基坑涌水量设计

依据«建筑基坑支护技术规范»(JGJ 120－2017)附录E.0.1公式计算总涌水量:

式中，Q为基坑降水的总涌水量，m3/d；k为渗透系数，m/d，本工程取1.3m/d；H0为潜水含水层厚度，m，本工程为100m；S0为基坑水位降深，m，本工程为S0＝9.2m(按勘探报告最高水位计算)；R为降水影响半径，m，R＝273.64m；r0为沿基坑周边均匀布置的降水井群所围面积等效圆的半径，m，可按r0＝计算，r0＝33.85m。

经计算，基坑总涌水量Q＝3249m3/d。

(2)降水井数量计算

降水井的数量计算公式如下:

式中，rs为过滤器半径，m，rs＝0.15m；l为过滤器进水部分长度，m，l＝3m；k为含水层渗透系数m/d，k＝1.3m/d。

经计算，单井出水量为q＝185m3/d。降水井的个数n＝19.3个，取n＝20个。

(3)井点管的埋深L

井点管的埋深计算公式如下:式中，H为基坑开挖深度，H＝7.8m；h为井点露出地面高度，h＝0.2m；△h为降水后地下水位至基坑地面的安全距离，△h＝2.0m；i为降水漏斗曲线水力坡度，环状布置取1/10；hl为井点管至基坑顶面边缘距离，hl＝1m；ro为基坑中心至基坑顶面边缘距离，ro＝30m；l为滤管长度。

经计算，井点管的埋深L＝16.1m。

(4)降水井方案设计

根据本工程特点，将地下水位降至基坑底以下0.5m后再进行开挖，施工时，降水管井管道位于基坑两侧交错布置，位于沟槽边线外2m。

管井降水:管井设置于基坑顶外侧，降水井成孔直径500mm，单井出水量为185m3/d，井间距14m～16m，共布置降水井20口。降水井深度(从自然地面5.0m算起)16.1m，其中滤水井长度3m，设一节沉砂管。

轻型井点降水考虑沿闸室左右两侧站墩、内外河侧一级翼墙外侧成环形布置，总的轴线长度约310m，降水深度为9.2m，井点管间距1.2m，集水总管长度60m为一套，根据轴线长度，设6套轻型降水设备。

3.2 管井降水施工

3.2.1 抽水试验

根据科学的施工安排，现场进行抽排水实验，实验数据作为部分计算依据。施工时根据现场在闸站两岸近轴线位置，左右岸各布设一处管井，设置观测管，进行抽水试验，测定地层实际渗透系数、单井井效、单井稳定抽水量、实际水位降深等，再对降水设计方案进行优化调整，为实施阶段做好准备。

3.2.2 管井施工

(1)管井施工设备为SPJ－200型钻机，钻头直径为ϕ550mm，正循环，泥浆护壁成孔工艺。

(2)成孔到设计标高清孔，实际成孔深度大于设计孔深30cm，防止孔内沉渣影响成孔深度。

(3)管井下沉前进行清孔并保持滤网畅通，滤管底端采用5mm的钢板封底，滤管外壁包网采用80目的塑料网包扎，滤管及井管均采用ϕ250mm钢管制作，井管高出地面20cm。

(4)安装井管到位后，及时回填滤料，回填时采取边送水边回填。滤料采用3mm～15mm中粗砂，边回填边及时测量滤料充填的高度，回填的高度超过滤管1.5m，滤料顶至地面采用粘土回填封口，滤料的充盈系数大于计算量的95%。

(5)采用反冲法洗井，用活塞上下反复冲洗，直至井内出现清水为止，含砂率要小于2%。成井后及时的洗井，做到随打随洗，不得搁置时间过长或成井后集中洗井。

(6)安装潜水泵进行试抽水，确保降水井始终处于动水状态，以防淤塞。试运转时，及时调整潜水泵的深度以满足降水要求，同时亦应避免空转，防止烧毁电机。

(7)管井抽出的水距离围堰较远，高扬程远距离抽水对水泵要求太高，在闸下游左右岸河道堤防迎水面各开挖一道排水沟，管井里抽出的水直接排入排水沟，通过排水沟排入长江。

3.2.3 降水

(1)施工完一口井即投入试运行一口，以便及时抽通水井，确保井的出水量。

(2)试运行前，测定各井口和地面标高、静止水位，然后开始运行[5]。

(3)安装前对泵体和控制系统作一次全面检查。

(4)试运行抽水时间控制在3天，检查出水质量和出水量。

(5)正式降水运行不少于15天后开始土方开挖。

3.2.4 管井封闭

管井大部分位于万福桥闸底板或护底位置，混凝土浇筑前必须对管井进行完全封闭。采用黏土球结合井外压力灌浆进行。

(1)打井时在井管外侧预留灌浆插管，底板垫层浇筑时应将井周以混凝土围填，井管及灌浆管高出地面40cm。

(2)底板混凝土浇筑前将潜水泵提出，立即向井内投抛20mm～30mm直径半干黏土球。

(3)每投抛1m厚度黏土球测量一次深度，总投抛厚度以超过承压水层以上1m为限，黏土球投抛完成后素混凝土灌入，浇筑至垫层高程为止。

(4)将高出垫层的管井敲除清理出仓面。

(5)以配置好的速凝水泥浆，通过井外预留压力灌浆管对井周进行水泥浆压注。

(6)注浆一次性进行，避免反复注浆。

3.3 基坑排水施工

基坑排水分别在每个开挖好的基坑原地面、基坑坡脚设置排水明沟。基坑坡脚明沟排除雨水和施工废水，地面排水沟主要汇集基坑外地表水、雨水，坡脚排水沟根据不同高程分别设置集水井，架设水泵抽水至沉淀池。配备1台套14寸柴油机泵，布置在基坑最底处，防止陡降暴雨，确保基坑表面积水排除。

4 实践效果

目前，该桥闸工程已经提前工期完成，在施工过程中围堰止水效果良好，设计布局合理，满足施工要求，降排水过程中与设计计算的结果一致。实践表明，结合工程项目地质特点进行围堰设计和降排水计算对于桥闸工程的施工质量保证至关重要。

5 结语

本文以万福桥闸站工程为例，根据桥闸位置工程地质力学性能差的特点，有针对性地对挡水围堰进行了科学的设计，尤其是渗透水方面的考虑，再结合地层的透水性，对围堰的降排水进行计算和研究，满足了施工质量要求的目的。同时对挡水围堰和降排水的施工流程、工艺特点和注意事项进行了分析探讨，可供参考。