青弋江干流节制闸工程施工导流设计

叶 森 曹 波 李堰洲

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010;2.长江水利委员会长江工程建设局，湖北武汉 430010)

青戈江分洪道工程由三部分组成:分洪河道及两岸堤防工程，青弋江干流节制闸工程、八尺口排水闸(站)、支叉河连通闸及分洪道沿线受影响的排水泵站和排水涵闸等建筑物工程，跨越分洪道的交通工程。青弋江干流节制闸工程作为分洪道工程的主要枢纽建筑，将使分洪道工程防洪作用更为显著、更为有效。

1 导流方案比选

青弋江洪水主要由暴雨形成，汛期流量大。结合该工程实际情况，通过对施工进度进行分析，决定采用枯水期围堰挡水的导流方式。青弋江干流节制闸为2级建筑物，相应地导流工程建筑物等级为4级。根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2004)［1］，枯水期围堰挡水标准取 10 ～ 4月10%频率洪水2120 m3/s。结合工程特点和地形地质条件，提出了导流明渠泄流方案(方案1)和分洪道泄流方案(方案2)进行比选。

(1)方案1。闸址的两岸地形不对称，左岸为河滩地较平缓，导流明渠布置于左岸，明渠总长约880 m，进口高程6.0 m，出口高程5.5 m，底宽160 m;明渠内最大平均流速约2 m/s，明渠开挖边坡为土质，因此需采取防冲保护措施。在明渠坝轴线以上50 m及以下400 m范围内的底板、两侧边坡及开口线外10 m滩地，布置厚30 cm的钢丝石笼护垫。

(2)方案2。节制闸施工待三埠管以上分洪道设计过流量为2500 m3/s、满足枯水期导流标准，且分洪道施工完成并具备分流条件后，可利用已建分洪道泄流，导流建筑物仅需布置上、下游土石围堰。

经比较，两方案在枯水期的围堰规模相当。方案1增加了75.5万m3的明渠开挖，石笼护垫10.5万m2;方案2则充分利用永久分洪道，工程量较小，虽然需待分洪道具备分流条件后才能实施节制闸，工程总工期延后约6个月，但分洪道分流后已具备一定的防洪能力，对工程发挥效益影响有限。经综合比选，推荐采用方案2，即节制闸施工安排在三埠管以上分洪道施工完成并具备分流条件后进行;采用在枯水期围堰保护下于10～4月施工节制闸至高程16.5 m以上、分流建筑物为已建成分洪道的导流方案。

2 导流程序及标准

根据工程施工总进度计划，施工导流程序如下:

(1)第1年7月开始施工准备，修建场内外交通道路、营地等;8月施工分洪河道及两岸堤防工程、八尺口排水闸(站)、支叉河连通闸及分洪道沿线受影响的排水泵站和排水涵闸等建筑物工程。第4年9月底完成三埠管以上分洪河道及两岸堤防等工程。

(2)第4年10月施工干流节制闸枯水期围堰和基坑抽水;第4年10月下旬～第5年1月底，完成水泥土搅拌桩施工;第4年11月下旬～12月下旬进行船闸、水闸基础开挖，随后进行船闸引航道及水闸消力池等部位开挖，至第5年2月第完成。第4年12月下旬～第5年4月底进行船闸、水闸高程16.5 m以下混凝土浇筑。第5年5月初开始围堰拆除，同时继续进行船闸、水闸高程16.5 m以上混凝土浇筑，至第5年8月中旬完成。第5年8月中旬开始进行闸门及机电设备安装，至第5年12月中旬前完成，工程完建。

根据采用的导流方案，上游围堰按上游来流量为2120 m3/s时，分洪道过流对应的上游水位12.26 m设计。考虑到区域内水网关系复杂，下游围堰则按上游来流量2120 m3/s时对应水位10.77 m设计。导流建筑物设计标准及其特征水位见表1。

表1 青弋江干流节制闸导流标准

3 导流建筑物设计

3.1 围堰断面设计

根据计算水位，上游土石围堰、下游土石围堰的堰顶高程分别取14.0 m和12.5 m，堰顶宽均为10 m，上、下游土石围堰两侧边坡坡比均依次为1∶3、1∶6，其中上游土石围堰迎水侧和背水侧平台高程均为9.0 m，平台宽度均为15 m;下游土石围堰迎水侧和背水侧平台高程均为7.5 m，平台宽度均为15 m;为防止水流对围堰边坡的冲刷，在上、下游围堰迎水侧高程6.85 m以上布置30 cm袋装壤土防护。上游土石围堰与左岸滩地相接的子堤用袋装壤土加高至14.0 m。

由于围堰地基承载力较低，为确保围堰施工期的稳定性，在施工过程中围堰各部分应均衡上升。

3.2 围堰边坡稳定分析

(1)计算方法及工况。参照《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)，围堰稳定计算选用简化毕肖普法［2］。

(2)物理力学性质指标取值。根据地质建议值，围堰填料及其基础各土层的物理力学参数取值见表2。

(3)计算断面。根据本工程地形地质条件、围堰高度及基坑深度，选取河床段最大堰高剖面进行围堰边坡稳定分析，如图1，图2。

表2 围堰填筑料及堰基土层设计参数

图1 上游土石围堰典型断面

图2 下游土石围堰典型断面

(4)计算工况及结果。参照《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)及围堰的施工、运行条件，核算以下工况的边坡稳定性:①稳定渗流期的背水坡;②水位降落期的迎水坡。各计算工况及稳定分析内容见表3。

表3 围堰边坡稳定计算工况

根据上述计算参数、水位等，围堰典型断面的稳定计算结果见表4、图3～图6。

表4 围堰稳定计算成果

图3 上游围堰挡水期背水坡稳定计算成果

图4 上游围堰水位降落期迎水坡稳定计算成果

图5 下游围堰挡水期背水坡稳定计算成果

图6 下游围堰水位降落期迎水坡稳定计算成果

从表4可知，各工况下抗滑稳定安全系数均大于规范要求，围堰边坡稳定满足要求。计算结果表明，堰基中淤泥质粉质壤土的摩擦角只有5.5°，对围堰边坡稳定的影响较敏感，围堰布置了多级反压平台，但基坑开挖不当仍会导致围堰失稳。因此，基坑内开挖起坡线距围堰背水侧坡脚应控制在15 m左右，基坑开挖保证5m一级平台，平台宽度为20 m，开挖坡比大于 1∶6(或采取压坡措施)［3］。

3.3 围堰填料设计

围堰填筑料为利用料，分别为开挖的层砂层壤和淤泥质粉质壤土。填筑土料分水上和水下两部分，水上部分填筑层砂层壤，并要求分层碾压，压实干容重大于1.65 t/m3(最终应根据压实实验确定);水下部分填筑淤泥质粉质壤土。

4 结语

(1)青弋江干流节制闸工程采用枯水期围堰挡水、已建分洪道泄流的导流方案施工，充分利用了永久建筑物的泄流能力，在枯水期内施工节制闸至水面高程16.5 m以上，汛期继续浇筑完成。如本工程安排在三埠管以上分洪道完成前施工，则需增加导流明渠，该导流方案省去了明渠开挖及防护，节省了工程投资。

(2)对软土地基上采取利用料填筑围堰，利用力的平衡原理，通过设置反压平台，并充分考虑基坑开挖对围堰稳定的影响，经过理论计算以论证其结构的合理，可为类似工程设计提供参考。

［1］ SL303-2004.水利水电工程施工组织设计规范［S］.

［2］ SL274-2001.碾压式土石坝设计规范［S］.

［3］ 马永锋，石 裕，万启宣.淤泥地基上模袋砂围堰设计与关键性施工技术［J］.人民长江，2007(2):32～33.