金乡县曹庄橡胶坝施工导流设计

2023-01-05周春华

山东水利 2022年11期

周春华

（金乡县水务局水利事业发展中心，山东金乡 272000）

曹庄橡胶坝位于金乡县司马镇曹庄村南，东鱼河中下游干流桩号42+000处，是金乡县南部回灌补源工程的渠首水源工程。该工程于1994年6 月建成投入运行，控制补源面积295 km2，年最大供水量6 000 万m3。橡胶坝工程总宽为195 m，共3孔，单孔净跨64 m，净高3.5 m。曹庄橡胶坝工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为2 级。

橡胶坝运行时间较长，存在安全隐患，经鉴定为四类病险水闸。本次按照原有规模和建筑物级别进行拆除重建，设计洪水标准按照50 年一遇，排涝标准5 年一遇进行复核。河道5 年一遇设计洪水洪峰流量为1 122 m3/s，洪水位为38.82 m，50 年一遇设计洪水洪峰流量为2 838 m3/s，洪水位为41.88 m。重建曹庄橡胶坝位于东鱼河主河槽内，现状河道内常年有水，工程施工需要设置导流设施。为保证项目施工安全，同时为了有效降低施工临时导流工程投资，主河槽内项目施工安排在非汛期枯水时段。

1 工程地质条件

拟重建曹庄橡胶坝位于东鱼河下游，东鱼河为人工开挖河流，水面宽阔，约200 m，橡胶坝上游场区附近河道底高程33.96～35.57 m，曹庄桥桥基附近河底高程较低，橡胶坝上游河底总体高程为北部河底高程高于南部河底高程。下游河道场区附近底高程29.72～34.04 m，分布有许多小岛，受砖厂挖土影响，下游南岸附近遍布深坑。场区位于冲积平原亚区，勘探深度内揭露地层主要为第四系全新统冲积堆积层及第四系上更新统冲积洪积堆积层。主河槽分布的①层淤泥质壤土，呈流塑状态，建议清除表层土，围堰地基座于②层黏土上，该层地基承载力特征值建议采用90 kPa，围堰地基存在渗流稳定性问题，必须采取工程措施。橡胶坝处河道右岸漫滩宽阔，无建筑物，导流明渠可设置在河右岸滩地上。右岸滩地揭露地层自上而下为砂壤土、①层淤泥质壤土、②层黏土，渠底位于①层淤泥质壤土中，渠坡主要由砂壤土组成，砂壤土岸坡稳定性及抗冲刷能力较差，导流明渠边坡建议值1∶1.50。允许不冲刷流速建议值：①层淤泥质壤土0.30 m/s，砂壤土0.35 m/s。

2 施工导流设计

2.1 导流标准及设计流量

根据《防洪标准》（GB50201-2014）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）的规定，结合金乡县实际情况，曹庄橡胶坝工程规模为中型，主要建筑物级别为2 级。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017），曹庄橡胶坝施工临时建筑物为4级，土石结构建筑物洪水标准重现期为20～10年，曹庄橡胶坝施工导流期设计洪水标准采用10 年一遇。根据项目建设内容、工期安排和现有施工技术水平，橡胶坝施工导流期选为10 月至次年4 月。根据分期导流、分期施工方案，导流时段分为10 月至12 月和次年2 月至4 月两个时段。经计算，曹庄橡胶坝导流设计流量，10 月至12 月为60.5 m3/s，2 月至4 月为18.8 m3/s。

2.2 施工导流方案

现状橡胶坝坝址上游引水闸工况为橡胶坝挡水抬高水位后引水，本项目施工需要塌坝放水，施工期间河道水位不满足引水闸引水要求，故橡胶坝施工期间上游设计来水全部需要利用东鱼河及施工导流设施下泄。

2.2.1 方案比选

跨河建筑物常用导流方案有分期导流、全断面围堰+明渠导流。现状橡胶坝底板高程34.7 m。坝址两岸均为滩地和堤防，滩地高程约38.8 m，高于橡胶坝底板4.1 m，为满足导流要求，明渠开挖断面较大，明渠开挖工程量较大，占地范围大，故本项目不宜开挖导流明渠泄流。现状东鱼河主河槽较宽，约190 m，现状橡胶坝为3 孔坝段，每孔64 m，满足分期施工导流布置要求。全断面围堰+明渠导流方案，橡胶坝基坑施工不受导流影响，可连续施工，但明渠工程量较大，占地范围大；分期导流方案相较于全断面围堰+明渠导流方案基坑内施工干扰较多，施工效率略低，但通过合理组织、调配，可满足项目建设进度要求。故本项目采用分期导流方式施工。

2.2.2 方案编制

1）橡胶坝。根据本次除险加固工程施工项目内容和规模以及工程的具体布置情况，分期施工导流具体安排为：汛后10 月在左侧河槽内填筑一期上、下游围堰及纵向围堰，完成左岸橡胶坝段拆除重建施工，利用原橡胶坝右侧未封闭的坝段导流，调算导流分期内上游最高水位；二期填筑上下游围堰及纵向围堰，施工右岸基坑内坝段，利用新建的橡胶坝左岸一孔坝段泄流，调算导流期内上游最高水位。

2）料场取土。根据本次工程设计，橡胶坝换填、回填土方缺料从橡胶坝上游河道内挖取，根据施工期水文条件，河道内取土拟采用开挖先导沟汇集河槽内明水并下泄，同时在取土区外侧预留土埂并相机采用水泵及时排除取土坑内渗水，以满足水上取土施工条件。

2.3 导流建筑物设计

2.3.1 堰型选择

在确保建筑物安全可靠和保证施工进度的前题下，按照力求经济、就地取材、施工和拆除方便的原则，结合围堰处水流情况，确定本工程一期上、下游围堰、纵向围堰采用土围堰+编织袋防冲型式；二期上、下游围堰采用土石围堰+编织袋防冲型式，橡胶坝铺盖、消力池及海漫段纵向围堰采用编织袋装土+浆砌砖复合型式，其余部位纵向围堰采用土石围堰+编织袋防冲型式。

2.3.2 围堰布置

为满足工程施工、临时施工道路的布置和围堰工程的维护等要求，并考虑到永久建筑物上游地形条件，确定围堰布置情况。一期施工围堰上游围堰位于原橡胶坝轴线上游约70 m处，线形布置，纵向围堰从原橡胶坝中间一孔坝段开始分别向上、下游方向与上下游围堰连接，下游围堰位于原橡胶坝下游约80 m处，线型布置；二期上游围堰位于原橡胶坝轴线上游约65 m处，线形布置，一侧接河道右岸，一侧接纵向围堰，纵向围堰从新建橡胶坝中墩向上下游分别与上下游围堰连接，轴线长140 m；二期下游围堰位于原橡胶坝下游约80 m 处。一期、二期下游围堰长度不需要封闭相应的分期施工基坑，仅确保各分期内水流汇入坝址下游大坑即可。

2.3.3 围堰断面设计

1）围堰顶高程。堰顶高程为为设计挡水位加波浪高度和安全加高。经计算，一期上游围堰围堰顶高程36.2 m，最大堰高1.8 m；下游围堰顶高程35.82 m，围堰处现状地面高程34.5 m，最大堰高1.32 m。二期上游围堰顶高程35.87 m，围堰基础底面高程34.0～35.1 mm，堰高1.1 m；下游围堰堰顶高程35.75 m，最大高度1.6 m。

2）围堰断面。土石围堰断面型式为梯型，上下游坡度均为1∶2.5，堰顶宽度定为4.0 m。编织袋装砂+浆砌砖复合围堰型式，为0.4 m 厚浆砌砖直墙，墙后为编织袋装砂加固体，编织袋装砂加固体顶宽0.5 m，外侧边坡1∶1。

3）护坡与防渗。为防止库内风浪冲刷影响土石围堰安全，在土石围堰迎水面需进行防冲加固，采用袋装砂（0.5 m 厚）护砌迎水坡；同时由于围堰填筑料渗透系数不大，防渗利用围堰填筑土料。

4）稳定计算。渗流稳定计算工况分为设计洪水位、水位骤降，计算断面选取最大堰高断面。经计算，围堰背水侧出逸点为堰脚上0.01 m。围堰堰体内水力坡降很小，背水坡堰脚处最大渗透坡降值大于允许渗透坡降，为了防止围堰发生渗透破坏，需在背水坡的堰脚处采取防护措施，本工程采用编织袋装土护脚。各种工况下的坝坡计算抗滑安全系数计算得出，施工围堰边坡稳定系数满足规范要求。

2.4 导流工程施工

2.4.1 围堰施工

施工围堰布置于现状东鱼河主河槽内，不计临时占地。橡胶坝施工围堰填筑土料从坝址上、下游河滩地取土。一期土石围堰土料从坝址下游滩地临时征地取料，采用挖掘机开挖自卸车运200 m；二期土石围堰土料利用一期围堰拆除料、不足部分从下游河滩地取土，采用挖掘机开挖自卸车运100 m 填筑围堰。围堰压实采用拖拉机。围堰拆除采用挖掘机配自卸汽车外运至弃土区，运距800 m。围堰借土取土前需要提前剥离取土区表层耕植土并临时堆存，取土区开挖深度3.0 m，取土坑边坡1∶2；经计算，需剥离表土708 m3（厚度按0.4 m 剥离），采用推土机施工，推运距离20 m，挖掘机拢土堆存，剥离的表土堆高2.5 m，边坡1∶1。围堰拆除后拆除料运回取土位置回填，上部利用剥离的表土覆盖。围堰取土需临时征地0.2 hm2，占用期10 个月。

2.4.2 施工基坑排水

1）初期排水。橡胶坝下游围堰填筑前可通过河床自然排除基坑内的大部分明水。下游围堰填筑完毕后基坑内少量淤水可以使用2.2 kW 潜水泵进行抽排。

2）经常性排水。橡胶坝施工时在基坑封闭后沿围堰背水侧堰脚开挖一圈截渗沟集水，间隔30 m布置集水坑，坑内设2.2 kW 潜水泵，将截渗沟内渗水抽排至基坑外河道内。同时为保证基坑内干地施工条件，还需要在基坑内布置降水管井，提前排水降低基坑内地下水水位。降水井间距40 m，梅花桩布置，需布设50眼，井深10 m，排水时间为60 d。