周口市東新區引黃調蓄工程土方處置方案設計研究

和翔

摘 要：調蓄工程能夠解決需水來水過程不匹配、用水引水不協調的局面。在開挖調蓄水庫的過程中往往存在大量的土方作業，如何有效處置好大量土方的開挖回填棄運等工作是決定調蓄工程設計成敗的關鍵。基于此，本文以周口市東新區引黃調蓄工程為例，分析介紹合理經濟的土方處置方案，通過比選，調蓄工程采用排水開挖方案進行成湖施工，棄土方案采用集中堆放與回填周邊洼地相結合的處置方案。

關鍵詞：調蓄工程;土方開挖;棄運方案

中圖分類號：TV512 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0082-03

Abstract： The regulation and storage project can solve the problem of incompatible water supply process and incompatible water diversion. In the process of excavation and storage of reservoirs， there are a lot of earthwork， how to deal with the excavation， backfilling and discarding of a large number of earthwork effectively and reasonably is the key to the success or failure of the project design. Therefore， this paper took the project of diversion and storage of the Yellow River in Zhoukou Dongxin District as an example to analyze and introduce a reasonable and economical earthwork disposal scheme， through comparison， drainage excavation scheme was adopted for Lake construction， and centralized stacking and backfilling of surrounding depressions were adopted for disposal of waste soil.

Keywords： storage engineering; earthwork excavation; abandonment scheme

1 工程概況

隨著社會的發展，引黃灌區對黃河水資源的需求不斷增長，黃河水資源供需矛盾日益突出。為從根本上解決上述問題，相關部門必須轉變原有的引黃思路，變“隨用隨引”的引黃模式為“引蓄結合”，以實現豐枯調蓄、常蓄備用，既能增加引黃水量，提高農業灌溉率，又可改善生態環境。建設引黃調蓄工程對于提高黃河水資源開發利用，提高農業灌溉保障率以及改善生態環境具有重要意義[1]。

周口市東新區引黃調蓄工程位于周淮鐵路以東，大廣高速以西，流沙河以南，沙潁河以北;西距周口市中心約7km，東北距淮陽縣約16km，南距沙潁河北堤約2.5km。工程總占地2.7km2，東西向最大跨度4.5km，南北向最大跨度1.2km，正常蓄水位46.0m，總庫容570.74萬m3，利用現有河道自賈魯河向調蓄工程引水，路線全長13km;主要功能是農業灌溉調蓄，兼顧改善生態環境;主要建設內容包括土方開挖回填、庫區防滲、庫岸護砌、新建水閘等工程;工程涉及土方量總計642萬m3。鑒于開挖回填棄運工程量較大，直接影響工程投資、工期及效果等，本次重點對土方處置方案進行詳細設計。

2 擬定開挖方案

庫區開挖施工時，周圍地下水位對成庫影響較大。庫區開挖有兩種施工方法可以選擇，一是帶水開挖方案，二是排水開挖方案。由于庫區開挖土方工程量較大，不宜采用小型挖掘機及載重量小的自卸汽車，推薦采用3m3挖掘機配合32t自卸汽車;建筑物附近的土方工程量小，作業面也小，采用1m3挖掘機。

2.1 方案一：帶水開挖方案

庫區地下水位以上采用挖掘機直接開挖成型，地下水位較淺時通過洼沖溝向庫內引水，并采用陸水兩用3m3液壓挖掘機施工，水位穩定在1m以上時，采用100m3絞吸式挖泥船施工。具體方案是：為了減輕在水下開挖成庫后庫岸線護砌的難度，相關部門應設置圍堰，施工前首先在庫區開挖控制外輪廓線內退30m再進行開挖，排泥池、管可在此30m范圍內布置，并橫向填筑格梗，用于挖泥船開挖后吹填翻曬;30m范圍以內的庫區開挖成形后，庫周30m范圍的帶狀部位采用干挖作業，沿岸線開挖并護砌，節省圍堰及抽排水費用。護砌完成之后，由庫內向外將剩余土方按設計斷面開挖完成。

參照國內很多湖泊或水庫的疏浚經驗，相關單位通過比較耙吸式、絞吸式、鏈斗式、抓斗式和鏟斗式等挖泥船后，采取絞吸式泥船。因其自帶泥泵和吸泥裝置，挖泥時用絞刀鉸松河底泥土，再用泥泵將泥漿從吸泥管吸入，經過排泥管送到岸上或排入泥駁運走，適宜于開挖沙質土、淤泥等土質較松的河底，是現有挖泥船中的一種主要類型。絞吸式挖泥船的作業過程可以一次連續完成挖泥、運泥、卸泥等工作，是一種效率高、成本低的挖泥船。

水下土方開挖應分段進行，泥層厚度超過挖泥船一次最大挖泥厚度時，應分層開挖，上層宜厚，下層宜薄。本工程開挖斷面較大，需分區分條開挖，條與條之間應重疊一個寬度，以免形成欠挖土埂。開挖時應先挖子槽使河道先通后暢，以保證設計挖深、減少停工時間、防止船舶擱淺。絞吸式挖泥船分條開挖時，為保持一個相對穩定的排泥距離，宜從距排泥區遠的一側開始，依次由遠到近分條開挖，對比較堅硬的重粉質壤土，應按絞刀切削能力進行排泥;對砂性土，宜取絞刀頭直徑的1.2～1.5倍;當土質比較松軟時，可取絞刀直徑的2倍。絞吸式挖泥船在停產和施工期非換樁操作瞬間，嚴禁將兩根定位極同時插入河床。開挖水下土方時，應在附近設置水尺，每天及時測讀，并定期核定水尺精度。根據水位、土質及船舶的吃水深度等情況，及時調整泥斗下放深度，及時組織測量人員測量河道底標高，并根據測量結果對不足的地方進行補挖。

卸泥區可先在成庫工程的紅線范圍內卸泥，即從庫中間向兩端開挖，后期岸線整理時，卸泥在岸上紅線以內30m范圍布置沉沙格梗，由近及遠地進行每個卸泥區的吹填，使吹填后的水流向卸泥區外側排放。按照施工強度和挖泥挾帶的水量進行分析，每開挖1m3底泥含水量要達到3/4，泥水混合物吹填至格梗后，吹填積水應待泥沙沉淀好后才能排放，疏導排放積水，防止浸漫周邊地塊和對河溝產生新的沖刷和淤積，排水時間較長，對工期影響較大。

該方案中，總開挖土方的60%為挖掘機開挖，可直接裝車，運距3km;另有40%水下土方由挖泥船開挖，按挖泥船開挖量的0.5%設置岸上格梗，并按150m3/m的強度設置吹填排泥管。吹填土方在沉淀后需用三鏵犁翻曬后再采用挖掘機進行二次開挖并運輸。經分析，挖泥船開挖單價30.12元/m3，此方案庫區開挖工程投資為2.89億元。

2.2 方案二：排水開挖方案

為有效降低施工期庫內地下水位，方案二采用排水后挖掘機開挖。洼沖溝正常情況下受新運河回水影響，水位較高。據調查，洼沖溝水位與庫區開挖后的地下水位基本持平，采取庫岸扒口向洼沖溝進行施工排水的方法不可行。因此，施工單位在開挖至地下水后，應采用潛水泵抽水外排方案，即先挖各分區主導流溝，溝底高程定為41.0m，低于庫區最低庫底高程42.5m;主導流溝兩側依次開挖魚刺狀次導流溝，溝底高程42.5m。按照地質報告，庫區地下水位平均為43.75m，面上余水約1.2m，采取后退式開挖作業，不會影響挖掘機施工。將庫區分解為若干施工面同時開工，用挖掘機退挖，直接上車外運。庫區5個分區共設置7個排水口，在主導流溝與洼沖溝交界處設置集水井，地下滲水通過各集水井內的水泵排向庫外洼沖溝。經計算，庫地下水位日滲水量1.5萬m3，按總施工工期17個月來計算，地下水位出露后的工期約占總工期的1/4，施工期總的排水量為225萬m3。

該方案最簡單，所有開挖方均為挖掘機施工，開挖后直接裝車，自卸汽車運輸。根據庫周回填區設計分析，單價20.75元/m3，成庫開挖投資為1.77億元。

2.3 方案比選

方案一的優點主要包括施工難度低，施工經驗豐富，無需抽排地下水，不會引起周邊地下水環境變化和地質問題。缺點是水下開挖時，庫區豎向體型難以控制，尤其庫區主要是砂壤土、中粉質壤土，很難按設計體型開挖，可操作性差;因水下開挖，開挖料含水量高，大量的泥沙運輸困難，難以堆放，施工期影響周邊環境;建筑物施工時由于水位較高，降水和圍堰費用較大;為了進行庫岸護砌，需二次開挖庫岸線，對已施工岸線造成不利影響;工程投資偏大。

方案二為常規施工方法，具有施工工藝簡單;開挖斷面可控，在庫底開挖時可根據具體情況對庫底形態進行調整，沒有施工工藝限制;干槽成庫，庫岸護砌可同期施工的優點。缺點是庫岸由砂壤土及中粉質壤土組成，屬于弱透水層，施工時必須不間歇排水，會引起周邊地下水位下降，導致生態環境破壞;施工期庫內無水，影響景觀效果。

以上兩個成庫方案各有優缺點，筆者通過對兩個方案進行論述和詳細比較得出結論，方案二在投資上占絕對優勢，推薦采用方案二。

3 棄土處置方案

庫區土方開挖料較大，可作為自然地面回填料，土壤酸堿度、土壤含鹽量等指標不會對庫區環境造成負面影響。庫區開挖料首先進行庫周堤防填筑，剩余土方棄至規劃的棄土場地。東新區在整體規劃豎向高程時應考慮水庫挖方，整平并適當抬高建設區域。庫周回填地面高程應滿足防止鹽堿化臨界水位、地面建筑要求安全高度的要求。

棄土處置方案受建設工期、土地征用指標、開發建設模式、周邊城市規劃深度和建設進度等諸多因素影響，棄土處置應因地制宜，綜合考慮上述因素進行合理確定。近期選擇棄土集中堆放，按堆高25m匡算，占地約33hm2，有利于工程實施，社會影響相對較小;遠期棄土與南部低洼區的回填相結合，可以緩解該區域農田的除澇問題，并與城市建設相結合，減少城市建設成本，有利于區域排水，但應加強綜合協調力度，保證工程順利實施。

4 土方挖填平衡分析

為減少土方運距，降低工程投資，施工單位應根據各個分區開挖方量、回填區域的回填高程、回填面積，確定各個區域的回填方量，結合防洪排澇、交通、地面排水、城市景觀等方面的綜合要求，對自然地形進行利用、改造、確定坡度、控制高程和平衡土方，對回填區域進行整體規劃。

本著節約投資、加快工程進度的原則，施工單位應統籌各分區土方供需量，在大比例尺的地形圖上，根據開挖方量的多少，將每個庫區再詳細劃分為各個不同的部分。繪制各填方區域“高程-填方量”曲線和各挖方庫區“水位-庫容”（高程-挖方量）曲線，對比兩組曲線，查找調整敏感高程，重點區域詳細分析，對區域高程、水域岸線高程、庫底高程、道路高程提出建設性意見，并力求方案最優。從“高程-填方量”曲線上查出填方高程對工程投資的敏感性影響，并通過一些工程措施，使不利影響最小化，工程收益最大化。根據分區回填需土量，分區劃定庫區供土量及供土開挖時機，力爭達到整體工程土方最優調配，運距最短，并使挖、運、填一步到位，堅決避免二次倒運產生不必要的投資浪費。根據回填需土量，調整開挖方案，統籌親水、生態、水質交換等各種因素，并充分考慮挖填方松實系數的影響，進行庫底形態重塑。

通過采取有效的工程措施進行合理調配，在保證各區域功能不受洪澇和次生鹽堿化影響的前提下，提出最優土方平衡方案、最短距離內的土方平衡調度計劃和合理施工順序，挖、運、填一步到位，避免二次倒運，提出各回填區域最低設計標高，最大限度地節省資金[2]。

根據各個方案的比較，本次實驗將開挖區域共劃分為24個細化分區，將回填區域細劃為27個細化分區，根據各個開挖分區開挖土方量的多少及距離遠近合理確定各個開挖區對應的回填區域;同時，與本次設計的堤頂高程順接，整個地塊回填呈中間高南北低的地勢。

參考文獻：

[1]王兵，李丹.河南省某引黃調蓄工程建設必要性及規模論證分析[J].河南科技，2017（17）：85-86.

[2]王汴歌，付瑞杰，李洪雷，等.引黃灌區管養存在問題及對策[J].河南水利與南水北調，2017（7）：63-64.