船闸隔水墙兼顾汛前临时挡水围堰工程实践

周灿，唐玉元

摘要：为使船闸工程提前建成投运，需解决提前拆除围堰后对基坑内施工作业的影响。分析了湘祁二线船闸工程围堰拆除后利用船闸隔水墙替代挡水方案的可行性。随着水压、渗流等外部边界条件改变，隔水墙挡水工况也随之改变，因此重新核算安全指标，分析挡水效果。在此基础上，结合工程实际条件，提出了隔水墙和隔水堤重构防渗体系的技术方案以及保障施工安全和工程安全的技术措施。结果表明，该方案和技术措施可行，保障了该工程提前半年完工，经济效益和社会效益显著。

关键词：船闸工程； 隔水墙； 挡水； 渗流

中图法分类号：U614.2+1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.012

文章编号：1006-0081（2023）09-0074-05

0引言

在通航河流上，船闸等通航建筑物往往与闸坝等挡水建筑物一并建设。当船闸毗邻泄水闸、电站等水工建筑物布置时，需要设置足够长度的隔水墙或隔流堤，避免引航道内产生泡漩、乱流等非恒定流态，确保通航水流条件满足过闸船舶航行安全和停泊。大部分船闸建设都要对隔水墙以及由隔水墙构成的引航道的平面布置做专题研究，包括模型试验。但相关研究大都是设计阶段基于通航安全改善口门区和引航道内水流条件，在施工阶段改变运行工况，利用隔水墙兼顾挡水围堰的工程案例相对较少。

根据湘祁二线船闸工程原设计方案，隔水墙并不兼顾围堰挡水。但建设单位基于湘祁二线船闸主体工程已经完工的实际情况，要求提前建成船闸并投入运营。为了实现在2021年7月1日前通航的目标，需要将原计划汛后施工的引航道水工建筑物提前至汛前施工。因此，提出了“船闸隔水墙兼顾汛前临时挡水围堰”的围堰替代方案。

对于隔水墙兼顾挡水围堰的运行工况，现有较为丰富的工程实践和理论成果。在围堰水流及洪水模拟方面，富春江船闸改建工程［1-2］根据近坝消能区过水围堰及水流特性，实现了围堰重点部位的分区分段差异化防冲刷设计。陸虹等［3］运用HEC-RAS软件模拟了溃堰洪水的演进过程，丰富了制定度汛方案的分析工具。在围堰稳定研究方面，除了刚体极限平衡法［4］等岩土设计规范采用的定量评价办法外，有限元法［5］等数值模拟也大量运用于抗滑稳定分析中。在围堰渗流方面，水位骤升骤降［6-8］条件下，非稳定渗流对边坡稳定性能影响很大，周建芬等［9］建立了应力场与渗流场耦合作用数值模型，分析了水位变化对沉降和渗漏的影响，为预防围堰溃决提供了理论支撑。在堤堰应力应变研究方面，陈轮等［10］通过有限元模拟了三峡工程隔流堤挡水的应力变形，解释了边坡局部滑动的原因。

湘祁二线船闸的隔水墙按运行工况进行设计，未考虑单侧挡水工况，没有布置防渗系统。本文通过结构刚度验算、抗滑稳定分析和渗流分析等理论计算，采取相应的工程技术措施，有针对性地处置隔水墙替代挡水围堰后，隔水墙单侧挡水的结构安全和稳定问题，以及保障基坑内干地作业的防渗系统重构等，实现了提前拆除围堰的替代挡水方案。

1工程概况

湘祁二线船闸位于湘江中游衡阳市境内，是湘江永州至衡阳三级航道工程的关键控制性工程之一。作为湘江高等级内河航道网的重要组成部分和控制性工程，项目建成后，岳阳城陵矶至永州萍岛全长723 km的高等级航道将全线贯通，有利于构建绿色交通、优化沿江产业布局，形成区域经济协调发展新格局。同时，对于远期沟通长江水系和珠江水系、打通湖南第二条出海通道具有重要的战略意义。

湘祁二线船闸平行布置于一线船闸岸侧，两线轴距80 m，一、二线船闸之间通过设置隔水墙（堤）分设引航道［11］。从上游至下游依次布置的主要建筑物有：上游引航道（靠船墩、隔流墙、浮式检修门门库、导航墙）、船闸主体（上闸首、闸室、下闸首）、下游引航道（导航墙、隔水墙、靠船墩）。其中，闸室有效尺度为180 m×23 m×4 m（长度×宽度×门槛水深），下游引航道全长576 m，宽55 m。平面布置见图1。

1.1气象及水文地质条件

湘江流域内多年平均降水量1 300～1 500 mm，衡阳市降水时空分布不均，全年降水主要集中在汛期4～9月，汛期降水量占全年的62.8 %，仅主汛期4～6月的降水就占全年总量约41.1 %，最大降水量一般出现在5月。工程区位于华南准台地的湘桂赣褶皱带之中，地层呈单斜构造，岩层产状为20°～40°∠6°～9°。区域内地质构造简单，覆盖层最大厚度约16.2 m，主要为粉质黏土，底部为厚约1.0～5.9 m的砂卵石层，覆盖层下伏中厚层状泥质粉砂岩，岩石遇水易软化，脱水易干裂，局部裂隙稍发育。地下水类型主要有第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水，强风化岩及浅埋破碎的中风化岩透水率10.6～15.1 Lu，属中等透水层［12］。基岩地质参数见表1，2。

1.2施工总体部署

湘祁二线船闸工程原计划于2021年12月31日全部完工，总工期36个月。关键控制性节点为上下闸首主体结构及人字门安装，原计划在人字门安装完成并具备挡水条件后，拆除上、下游围堰，利用主汛期结束后的枯水期启动围堰占压部位的结构施工。根据“船闸隔水墙兼顾汛前临时挡水围堰”设计方案，需要在3月春汛来临前将占压隔水堤段的纵向围堰拆除，再实施围堰占压部位的引航道边坡混凝土衬砌。下游引航道位于梯级电站库尾末端，受上游泄水影响，水位变幅较大，且纵向围堰全线占压隔水堤坡面，长达363 m，边坡衬砌工程量大。纵向围堰拆除后，湘江临水侧只留存一段顶部高程为68.5 m的隔水堤和顶部高程为73.83 m的隔水墙，隔水堤仅能抵御流量为1 800 m3/s、相当于11月至次年2月洪水频率P=33.3%的分期洪水。因此，失去围堰保护的下游引航道基坑不仅面临降雨即进水的风险，工期也无法保证。而上游隔水墙位于径流式电站无调节功能的库区，水位变幅很小，围堰“瘦身降高”后基坑进水风险反而小于下游。因此，需要重点研究汛前提前拆除下游纵向围堰的情况下保障下游引航道正常施工和施工安全的围堰替代方案。下游隔水堤与下游纵向围堰的关系见图2。

2方案论证和应对措施

基于工程实际并参考类似项目理论研究成果，湘祁二线船闸施工期间，利用船闸隔水墙兼顾汛前临时挡水围堰应当解决的主要技术问题包括：① 单侧挡水工况下隔水墙的强度及稳定性；② 隔水堤单侧挡水工况下的稳定性；③ 基础渗流状态和防渗体系构建问题。除上述关键性技术问题外，施工期水流边界条件和水力条件变化较大，临时挡水替代方案的挡水标准很低，设置可靠的临时监测体系和预警系统［13-14］及时收集水位流量、沉降位移、渗流渗压等基本水力数据以确保施工安全是必不可少的。有研究表明，刚性混凝土隔水墙与土石围堰接触面存在错动变形［15］，为了避免在接触面发生渗透破坏，需要做好隔水墙末端与纵向围堰的衔接处理，形成封闭挡水线。当单侧挡水的高度超过经计算允许高度时，隔水墙可能存在倾覆以及推移等破坏性问题。因此，预计水位将超过允许高度时，需要采取船闸基坑充水平压等应急预案。当基坑进水并在排水过程中水位骤降，可能引发围堰内侧边坡垮塌等问题时，均需要科学制定应对措施。

2.1隔水墙单侧挡水工况分析

下游隔水墙已在上一个枯水期完成施工，采用的是倒T形钢筋混凝土结构型式，混凝土强度等级C25，基础断面尺寸5.0 m×1.5 m，墩身断面尺寸1.50 m×5.33 m。原设计为双侧水压平衡的运行工况，当单侧挡水时，需重新复核结构的强度及稳定性。按基坑内无积水的最不利工况计算，当下游水位为72.2 m时，相应洪水流量6 245 m3/s，相当于11月至次年2月P=5%的分期洪水，此时的抗滑稳定安全系数刚好达到规范规定的临界值，抗倾系数大于1.5，地基承载力满足设计要求。同时，最大危险截面出现在墙身底部。经复核，墙身结构尺寸及结构配筋满足结构安全要求，计算结果见表3。 因此，只能考虑隔水墙单侧挡水时段设计挡水标准不高于11月至次年2月P=5%的分期洪水，否则，需要采取基坑充水平压等措施确保隔水墙安全。

2.2隔水堤单侧挡水工况分析

隔水堤大部分是开挖原状岸坡形成的岩堤，岩层主要是白垩系强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩，隔水堤末端岩层下伏较深，隔水墻设置在砂卵石覆盖层上，局部未达设计高程的部位由石渣混合料填筑形成。对于岩质隔水堤，采用了两级边坡并设置马道，减少边坡部分荷载，提升了边坡整体稳定性。同时，缓倾角产状与坡面大角度相交，发生弧面滑动破坏的可能性较小。为确保安全，按照极限平衡理论，采取瑞典条分法计算最小安全系数。对于隔水堤末端，覆盖层与下部风化岩层的岩-土分界面是集中渗漏通道和薄弱面。因此，在确定最小安全系数的滑动面位置时，除了常规的试算外，还应将岩-土分界面作为指定滑面进行稳定计算，即滑动面通过边坡马道坡脚处，见图3。

隔水堤原设计运行工况与隔水墙一样，为双侧水压平衡工况，当单侧挡水时，分别取隔水墙允许最高挡水高程对应的下游水位72.2 m至隔水堤堤顶高程68.5 m之间的不同挡水位，综合考虑孔隙水压力等因素，采用瑞典条分法计算抗滑稳定安全系数：

Kc=∑［W±Vcosα-ubseca-Qsinα］tanφ′+c′bsecα∑W±Vsinα+MτR（1）

式中：W为土条容重（水位以下用浮容重，水位以上用湿容重，浸润线与水位之间用饱和容重）；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力；φ′、c′为土条底面有效应力抗剪强度指标；u为作用于土条底面的孔隙水压力；b为土条宽度；α为土条底面中心的切向与水平向夹角；R为圆弧半径；Mτ为水平地震惯性力对圆心的力矩。

经多次试算后得出，挡水水位70.9 m（相当于11月至次年2月P=5%的分期洪水）工况时，岩-土分界面抗滑稳定安全系数为1.1，接近规范规定的临界值，岩质隔水堤稳定安全系数1.48，大于规范要求的最小值1.05。

取隔水墙和隔水堤单侧挡水允许最高水位的最小值作为枯水期临时挡水的设计标准，即隔水墙单侧挡水时段的设计挡水标准不高于11月至次年2月P=5%的分期洪水，对应下游水位70.9 m、相应洪水流量4 513 m3/s。

2.3防渗体系构建

纵向围堰的拆除将导致原防渗系统失效，如果重新在隔水墙下布设防渗帷幕，不仅成本高、工期长，而且帷幕灌浆与隔水墙的衔接等细部处理难度大，尤其是防渗帷幕发挥挡水作用的周期很短暂，投入产出比并不理想。因此，利用船闸隔水墙兼顾枯水期临时挡水围堰是在确保隔水墙安全稳定的指导思想下，按照“短期临时抵御过境洪峰，防止大透水，基坑内辅以抽排水”的原则构建防渗体系。

2.3.1渗流分析

对于湘祁二线船闸工程，正常库水位情况下，基坑内外有大约6 m水头差，因为浸润线的存在，隔水堤堤体中的渗流可看做稳定的无压渗流。渗流分析时假定流速v和比降J的关系符合达西定律v=kJ，渗流基本稳定，可用二维渗流方程分析：

xkxHx+ykyHy=0（2）

式中：H为测压管水头；kx和ky分别为渗透系数在x、y方向的分量。

项目位于径流式水电站的日调节水库库区，水位骤升或骤降的概率较低，可不考虑浸润线随时间变化对堤体边坡稳定的影响，但基坑进水后抽排时应控制降水速率。

地质勘测结果表明，强风化岩及浅埋破碎的中风化岩最大透水率15.1 Lu，属中等透水层。裂隙发育的缓倾角风化岩层，以及填筑石渣料、滩地砂卵石覆盖层等强透水层都极易形成渗透通道，甚至发生管涌破坏。除不良地质条件外，隔水墙基础开挖过程中，扰动、破坏了原始岩土结构，在墙基与隔水堤结合面存在渗透的可能性，当渗流沿着两种不同介质接触面流动时，将形成接触冲刷，造成渗透破坏。

2.3.2重构防渗体系

（1） 黏土铺盖。隔水墙地下轮廓线的水平段与地基土接触面间的水平接触冲刷是渗透薄弱环节，在缺少垂直防渗体系的情况下，黏土铺盖能延长渗径，将渗流坡降和渗透量降低至容许范围内。引航道基坑大量分布粉质黏土（Q4al+pl），多呈可塑状，塑性指数13.7，干密度1.62 g/cm3，渗透系数在1.5×10-6～8×10-7 cm/s之间，其物理性质及指标满足黏土铺盖的要求，适合就地取材降低成本。为防止迎水侧坡面发生直接渗漏，沿坡面铺填约1 m厚黏土，再覆盖砂卵石和块石做防冲刷处理。河床水平段采用2 m的等厚铺盖，长度一般为内外水头差的3～5倍，考虑到仅仅是短期的临时性挡水，取1倍最大挡水水头高度（8.3 m）控制，见图4。

（2） 混凝土塞和混凝土铺盖。隔水墙基础埋深1.5 m，基础开挖时预留了超出底宽边线的作业空间，原设计在基础浇筑完成后回填石渣。当洪水漫过隔水堤堤顶时，沿基础轮廓是集中渗水通道。为防止隔水墙墙基结合面发生接触渗漏，首先将基础两侧回填的石渣清除至基底，再换填强度等级为C25的混凝土予以封闭。河侧堤顶采取混凝土铺盖的形式进行封闭，即沿隔水堤基础顶面往江侧浇筑厚约20 cm、强度等级为C25的混凝土铺盖，确保河侧覆盖到迎水侧坡面并适当包裹，见图5。

（3） 砂卵石反压。隔水堤内侧边坡还没有完成混凝土衬砌支护的结构段，采用袋装砂卵石反压坡面，防止渗流溢出范围发生管涌、流土等渗透破坏，保护裸露边坡，增强边坡稳定性能。具体做法是沿坡面码砌两层袋装砂卵石，按照粒径随渗流方向增大的原则设置：第一层为袋装粗砂，第二层为袋装卵石，每层厚度均为0.5 m，码砌高度约2 m，相当于坡面高度的一半。

（4） 其他防渗措施。原设计所有结构段伸缩缝没有设置止水，采取粘贴防水卷材做防渗处理。

3工程实践

2021年上半年，湘江流域遭遇连续阴雨天气超过50 d，仅1～3月，下游水位屡屡超过隔水堤顶0.5 m以上。3月11日过境的小洪峰流量达3 000 m3/s，下游水位69.84 m，超过隔水堤顶1.3 m，下游引航道基坑内外水头差达到8.14 m。引航道基坑内虽然有明显渗水，但未形成集中透水通道，未发生边坡垮塌，两台功率为50 kW的排水设备完全满足现场抽水需求，船闸隔水墙发挥了预期的挡水作用。同时监测表明，隔水墙沉降位移值在安全允许范围。由于采取了隔水墙兼顾临时挡水围堰的方案，成功将汛后施工计划提前至汛前实施，最终提前实现了项目整体施工目标，工程于2021年6月24日建成通航，社会和经济效益显著。

4结语

对于湘祁二线船闸工程，施工期间利用隔水墙临时挡水改变了水工建筑物的原设计工况，随着外部边界条件变化，需要结合工程实际条件和受力状况，系统分析结构的整体抗滑和抗倾稳定性、边坡稳定性、地基承载力、渗水渗流等，重新核算建筑物安全指标，并制定相应的解决措施，以确保建筑物安全。

在湘祁二线船闸工程隔水墙基础未进行专门防渗设计的情况下，不能有效控制渗流。采取黏土铺盖能有效降低水力坡降。混凝土封闭措施能有效截断途经隔水墙墙趾开挖区域的渗透通道，防止产生管涌、接触冲刷等渗透破坏。基坑内侧渗流出口设置砂卵石反滤体有效防范了管涌等渗透破坏。经适当防渗处理后，隔水堤在施工期满足挡水高度要求的情况下，可用于短期或临时挡水。

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（编辑：李慧）

Engineering practice of ship lock cut-off wall taking into account the temporary cofferdam before flood

ZHOU Can1，TANG Yuyuan2

（1.Hunan Provincial Water Transportation Construction & Investment Group Co.，Ltd.，Changsha 410011，China；2.Hunan Provincial Communications Planning，Survey & Design Institute Co.，Ltd.，Changsha 410011，China）

Abstract： In order to enable the lock project to be completed and put into operation ahead of schedule，it is necessary to address the impact of removing the cofferdam ahead of schedule on the construction work in the pit.The feasibility of replacing the water retaining program by permanent building after cofferdam removal was analyzed.With the change of external boundary conditions such as water pressure and seepage，the working conditions of the cut-off wall were changed.The construction safety factors were recalculated based on the engineering practice，and water retaining effect was discussed.The reconstructed anti-seepage system of cut-off wall and embankment was proposed，and technical measures，ensuring the safety in construction and engineering were put forward.The results showed that the proposed technical programs and measures were feasible，ensured that the project was completed six months ahead of schedule，and achieved significant economic and social benefits.

Key words： ship lock project； cut-off wall； water retaining； seepage