番禺区前锋水闸重建工程导流围堰技术分析

杨泽彬

（广州市水务科学研究院有限公司，广东 广州 510220）

1 工程概况

1.1 工程组成和规模

前锋水闸位于广州市番禺区石基镇内，主要由水闸和泵站两部分组成，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物为4级。工程设计防洪标准为200 a一遇，排涝标准为20 a一遇。水闸闸门宽度为16 m，2孔，单孔流道宽度为8 m，过闸流量上限为44 m3/s；闸室段长度为17.20 m，宽度为19.20 m。泵站由平面滑动钢闸门和螺杆式启闭机构成，泵型设计为半调节轴流泵，4 台，设计流量为14 m3/s，单泵流量为3.5 m3/s；设置4 孔，单孔流道宽度为3.60 m；泵站段长度为17.20 m，宽度为20.00 m。交通桥位于外江侧消力池上部；消力池长8.30 m，深0.5 m；外江侧海漫段长11.50 m，抛石槽段长6.60 m；内涌侧海漫及抛石槽段长均为6.50 m，两侧抛石防冲槽深1.2 m。

1.2 工程地质条件

通过对工程地质进行勘察以及土工试验，勘探出前锋水闸地层岩性由淤泥质黏土、砂壤土以及少量粉质黏土和粉细砂构成。经过对地表的勘察，得知水闸地下水位埋深可达3.2 m，实际水位会受降水和支流水位的影响，约为0.5 m[1]。工程建设区域内水质主要受工业、生活污水影响，但对混凝土不具有腐蚀性[2]。

1.3 区域水文气象条件

工程所在区域附近气象站提供资料显示，该区年平均气温为21.9 ℃，年最高气温为37.5 ℃，年最低气温为-0.4 ℃。根据当地洪水资料特性分析可知，每年汛期时间集中于4—8 月，前汛期出现时间为4—6 月，该时段以锋面雨为主，通常降雨区域较为集中且强度大；后汛期出现时间为7—8 月，该时段以台风雨为主，降雨量大、涉及范围广、分布较为均匀。番禺区洪水主要来源于西江、北江和流溪河三地，所以流域特征明显，加上汛期伶仃洋的潮汐作用，造成水流流态混杂。

2 导流设计标准和方案

2.1 设计标准

导流主要建筑物连接内涌和外江，在常规情况下，其横向和纵向钢板桩围堰的设计标准为10 a 一遇洪水，以应对最高潮水位3.26 m。若遇极端降雨或罕见洪水，则导流设计洪量和流量会显著增加。如针对20 a 一遇洪水，预计导流洪量和流量上限分别达到40.56 万m3和2 064 m3/s；50 a 一遇洪水，预计导流洪量和流量上限分别达到47.32万m3和2 408 m3/s。

2.2 设计方案

基于工程所在区域的洪潮水文资料和自身的特殊性质，参考类似工程的设计做法和经验，本项目采用了多种导流方案，以适应不同建筑物和流量条件[3]。设计导流建筑物时，特别考虑了内涌和外江的独特需求。同时，在汛期进行工程施工中，采取一次性断流和围堰挡水的措施，并新建了临时箱涵，接驳原泵站排涝出口，以实现在不同条件下的有效导流。导流建筑物主要包括围堰、钢板桩、隔堤和临时涵箱。首先，为了形成围堰，根据设计要求打设钢板桩；在钢板桩施工完成后开始隔堤施工，或与其同步进行；导流箱涵设计成净宽为10 m 的四口箱涵，采用C25 混凝土浇筑，在围堰建到一定高度后开始施工，以便在施工期间维持水流。外江导流时，西侧采用双排长18 m 的SP-Ⅳ钢板桩进行支撑[4]，并在内侧铺设土工膜及填砂，加上钢管焊接支撑，以增强其稳定性；东侧采用单排同样长度的钢板桩，辅以钢围檩支撑。内涌导流时，采用隔堤，隔堤顶高程设计为1.80 m，轴线长度80 m，使用土工膜袋充砂结构，同时在河床底部铺设宽5 m 的松木桩，以提高其抗滑稳定性。

3 围堰设计、施工、拆除和防渗

3.1 设计

3.1.1 外江围堰设计

外江围堰采用土工膜袋充砂结构型式，堰基铺设一层高强土工格栅。外江围堰设计标准为10 a一遇，水位上限可达2.26 m，从安全角度考虑，超高设计0.5 m、波浪爬高0.5 m，围堰顶部高程设计为3.46 m。由于围堰不负责两岸交通任务，因此围堰顶部宽度为3.0 m，轴线长度为137.80 m。基于基坑开挖工程考虑，在距离基坑较近的内涌侧设置1 排长24 m 拉森SP-Ⅳ钢板桩，以确保工程的抗滑稳定性，并在围堰迎水面铺设土工膜和厚50 cm 砂袋，沿河床底部淤泥边缘铺宽5 m；抛石护脚顶宽8 m，放坡1∶2.5。围堰施工分段进行，在靠近导流侧预留6 m 的应急抢险段，在汛期洪水超标及城市内涝时导流满足不了泄洪要求或接到上级部门指示的情况下，可以通过扒开该部分围堰进行泄洪。

3.1.2 内涌围堰设计

内涌围堰采用土工膜袋充砂结构型式，堰基铺设一层高强土工格栅。围堰顶部宽度设计为3.0 m，水位上限为0.75 m，从安全角度考虑，超高设计0.8 m，围堰顶部高程设计为1.55 m，轴线长度为39.10 m。在围堰迎水面铺设土工膜和厚50 cm 砂袋，并在河床底部顺淤泥边缘铺宽5 m；为保证隔堤具有良好的抗滑稳定性能，在内涌侧安置6 m 松木桩进行处理，内涌隔堤导流如图1 所示。内涌围堰施工分段进行，在围堰西侧预留6 m 的应急抢险段，在汛期洪水超标及城市内涝时导流满足不了泄洪要求或接到上级部门指示的情况下，可以通过扒开该部分围堰进行排水泄洪[5]。

图1 内涌隔堤导流示意

3.2 施工

（1）清理杂物。在围堰施工前，做好工程测量工作，设置科学的平面控制点与导标；在围堰填筑前，使用挖掘机等器械清理施工区域的乱石杂物，保障河床工作环境。

（2）围堰基础采用回填块石、粗砂冲实及高强土工格栅铺设，再进行围堰护脚处理及打钢板桩。

3.3 拆除

3.3.1 拆除条件

内、外江围堰的拆除条件为主体工程水下设备和金属结构安装完毕、工程水下部分通过验收，具体条件根据实际情况及业主、运营单位的要求确定。

3.3.2 拆除过程

当水闸施工完毕达到通水条件后，须对围堰进行拆除，恢复原状。由于水闸外江围堰断面较大，为使依次拆除后残留断面能继续挡水和维持稳定，先拔除钢板桩，从围堰的背水坡开始先打开一个缺口，引水进闸，待水位与外江平衡时，分层进行拆除。首先利用水上挖掘机等挖掘设备进行拆卸，再通过汽车或运输船送到指定弃渣场。抛石体从中部开始用长臂挖掘机边挖边退，直至岸坡完成清理，将清理出的泥沙石运至备用场地，备用场地清除泥沙后可重复利用。

3.4 防渗

针对围堰的防渗处理，采用了特制的防渗材料和技术，以确保整个围堰的防渗性能。围堰防渗方案的选择基于岩土工程原理和实地地质调查，确保了防渗措施的有效性和可靠性。

整个围堰采用土工膜袋充砂结构型式，西侧与支护钢板相衔接，钢板桩有凹槽位，钢板桩施工后会出现微小位移现象，从而导致膜袋砂与钢板桩衔接处出现缝隙，达不到完全止水目的。根据场地实际情况，围堰防渗处理步骤为：①围堰膜袋砂与钢板桩衔接处，在吹填砂前，预留约500 mm长土工膜袋，当钢板桩出现位移时，膜袋砂跟随钢板桩位移而自动扩充填实。②钢板桩凹槽位置及钢板桩位移位置，采用膏状浆液灌浆处理。③因漏水缝隙有流水，需要急速凝胶止水。配制水玻璃双液，具体方法是先取得浓度为35或40 Bé的水玻璃，然后按照1∶1的比例将水与水泥混合，制成水泥浆，再按照1∶0.3的体积比配制水泥浆与水玻璃混合液，即可进行现场试验。从地质勘探资料可知，江底淤泥较深（＞8 m），需作堰体基础处理。将块石用船运至指定位置，抛填于已开挖好的围堰基础处，厚度约2 m，平整完成后用粗砂冲实，再铺设高强土工格栅和土工布，搭接长度≥30 cm。④围堰堤身用土工膜袋充砂分层填筑，土工膜袋选用高强度聚丙烯编织布（防老化型）。围堰填筑时，应实时关注位移和变形情况。当膜袋砂表面垂直方向沉降大于10 mm/d 或水平方向位移大于5 mm/d 时，应暂停填筑，当垂直方向沉降和水平方向位移速率稳定后再进行施工[6]。填过2层膜袋砂后，需停止施工1～2 d，在膜袋砂沉降无显著变化后再继续充填。⑤为保证围堰稳定性，在围堰主体填筑到水面高度开始进行抛石施工，抛石施工完毕后停止施工5～7 d，等膜袋砂及抛石整体沉降稳定后再往上充填膜袋砂。⑥为保证隔堤具有良好的抗滑稳定性，在内涌侧安置1 排拉森SP-Ⅳ钢板桩，并利用抛石挤淤方法使围堰外侧基底达到一定高程，再铺设双向土工格栅。

4 围堰施工监测

4.1 监测点位布设

导流围堰施工监测的首要任务是设置监测点位，主要包括以下4 个方面：①平面控制网点布设。应设置于基坑影响范围外的建筑物，在各个施工段均设置3个网点，并在网点下方埋设反射棱镜。②水准基点布设。应选择在基坑影响范围外的建筑物首层，该建筑物必须是桩基础且满足已建多年的要求，以保证沉降基本稳定。在各个施工段均设置3个高程网点。③沉降观测点设置。在混凝土失去塑性前埋入Φ18 钢筋，在钢筋裸露部位焊接钢板，再在钢板上固定反射片。钢筋顶部突出的部位，经磨光后可作为沉降观测点。④水下监测点设置。分别于内涌、外江和基坑各设置2个监测点，其中内涌和外江监测点布设后，基于点位安装水文尺。基坑监测点位需要钻孔，孔深为15 m，内直径为110 mm，然后向孔内插入PVC 过滤管，进行填砾及洗井，方能测得孔内水位。

4.2 监测注意事项

4.2.1 测量精度指标与设备选择

结合国家相关规范及本工程特点，建筑物观测规范的三级标准符合本工程需求，可用来规范本工程监测精度指标，其中沉降观测点坐标误差为±1.5 mm、位移观测点坐标误差为±10 mm。在测量仪器选择上，选用精密自动安平水准仪观察沉降情况，可配合测微器及精密铝合金水准尺进行观测，测量精度为0.7 mm；选用CTS-632R4 全站仪进行位移观测，测距精度可达2 mm+2 ppm×D，测角精度为2.0″。为保证观测数据的可靠性，监测所用设备均应定期进行校准核验。

4.2.2 监测频率确定

在导流围堰项目启动前，应测定稳定初始值，并应不少于2 组；当遭遇暴雨、结构变形、危险事故等重大变化时，应当加密连续监测[7]。一般情况下，埋设初期0～7 d，每天监测1 次；7～30 d，每2 d 监测1 次；1～3 个月，每周监测1～2 次；3 个月以后每月监测1～2 次，直至变形趋于平衡，达到最大收敛值为止。监测主要以仪器测量为主，日常巡视为辅。每次监测前，应对控制点位进行反复校核，若有位移情况，应及时进行纠正，保证仪器测量准确度[8]。

4.3 监测信息化处理

施工监测的目的是通过数据信息，掌握和应对可能出现的险情，以便及时反馈到决策层，制定解决方案，完善处理方法，从而保障施工安全[9]，因此信息的传递必须准确快速。本工程采用了先进的监测设备，委派经验丰富的专业人员进行现场测量工作，并将测量数据及时输入计算机进行后期处理。由于本工程规模较大、监测周期长，为此，组建了专业测量小组，并配有高性能的监测设备和通信网络。按照工程设计要求和相关规范标准，明确相应报警值界限详见表1。

表1 报警值界限mm

测量结束后，将实际测量值与允许值进行对比，从而预测变形发展动态趋势。当发现数值差异较大，则应及时向有关部门提交报表，汇报情况；若测量结果无异常，则需在监测结束后向上级递交完整的观测报告，从而实现信息化施工的目的。

5 结语

番禺区前锋水闸重建工程导流围堰施工综合考虑了工程地质、水文情况，采用钢板桩导流方法，在围堰施工中采用土工膜袋充砂结构型式，同时依据场地实际情况，进行围堰防渗处理及施工安全信息化监测。经过现场验证，本工程在导流围堰施工进度、成本控制、施工质量方面都取得了较好的效果。在建设期间，由于受到导流流量大、人力资源有限等条件的制约，造成工期滞后，因此，建议在今后导流围堰设计与施工中，合理安排施工计划，以保障水利水电工程的施工效率和质量安全。