宿鴨湖人工島設計及施工

賴新河

（駐馬店市豫中投資有限公司，河南 駐馬店 463000）

0 引言

宿鴨湖水庫始建于1958年，是一座以防洪為主，結合發電、灌溉、養殖、旅游等多項目綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，總庫容16.38億m3，水庫多年運行期間大量沖積物沉積庫底，嚴重淤積。2018年11月，省發改委批復實施宿鴨湖水庫清淤擴容工程，總投資31.58億元，主要建設內容：清淤擴容、人工島、機電設備及安裝、環境保護、水土保持工程等。該項目是國家規劃確定的大型水庫清淤試點項目，是河南省“四水同治”十大重點水利工程，項目實施對于提高水庫防洪興利能力，改善區域生態環境，持續發揮水庫綜合效益具有重要意義。

1 人工島設計

1.1 平面形狀

人工島的平面形狀結合旅游規劃及當地文化，考慮景觀效果與生態環境相協調，減少土方外運，利用水庫淤積土進行堆島，形成狀似蝴蝶、琵琶、葫蘆的湖中三島遙相呼應，相映成趣。三座島高度均為37 m，共堆筑土方1 222萬m3，開挖土料運至堆島區晾曬后進行碾壓，壓實度要求不小于0.96。島設計基底高程51.50 m、頂高程88.00 m，設計邊坡：1:2.50～4.50，在島坡變化處設馬道3道，寬4 m；在高程54.00 m設環島路，寬6 m。人工島建成依島體形態不同打造成生態旅游島。

1.2 水文、地質條件

宿鴨湖流域屬大陸性溫帶氣候，多年平均面降水量均值為962 mm，最大1 550 mm（1975年），最小584 mm（1966年）；年度降雨多集中在汛期6-9月份，降水量占全年降水量的61%。多年平均蒸發量為1 050 mm，多年平均氣溫15℃左右。

島場地地層為粘性土單一結構，主要巖性為淤泥質土、淤積輕粉質壤土及重壤土，其中：第①1層淤泥質土、第①2層淤積輕粉質壤土為軟塑～流塑狀，為高壓縮性土層，地質條件較差，施工時清除。第②層重粉質壤土為硬可塑狀，其承載力標準值為150 kPa，強度較高，地質條件較好，開挖土料置于第②層上。

島周圍2 km清淤范圍內，經檢測淤積土及其下部相鄰土層化學元素含量均未超標，開挖晾曬后直接用于島體填筑。

1.3 護坡頂部高程

按《水利水電工程等級劃分及洪水標準》《碾壓式土石壩設計規范》的規定，護坡頂部高程等于水庫靜水位與超高之和，分別按以下運用情況計算，取其最大值：①百年設計洪水位加正常運用情況的護坡頂部超高；②千年校核洪水位加非常運用情況的護坡頂部超高。

護坡頂部超高由下式確定：

式（1）中：y—護坡頂部超高，以m計；R—最大波浪在壩坡上的爬高，以m計；e—風壅水面高度，以m計；A—安全加高，3級建筑物設計情況A=0.70 m，校核情況按平原濱海區A=0.50 m。

波浪的平均波高和平均波周期按莆田試驗站公式計算。按規范規定，取累計頻率1%的波浪爬高值。

按照規范SL274－2020中式（A.1.12-1）計算平均波浪爬高。

式（2）中：Rm—平均波浪爬高，m；m—單坡的坡度系數，5；KΔ—斜坡的糙率滲透性系數，根據護面類型由規范SL274-2020查得，混凝土取0.90；Kw—經驗系數，hm—平均波高，m；Lm—平均波長，m。宿鴨湖水庫為平原水庫，且w＜26.50 m/s、D＜4500 m，則波浪的波高和平均波長采用鶴地水庫公式計算。

護坡頂部超高及護坡頂部高程計算成果見表1，護坡頂部高程采用61 m。

表1 人工島護坡頂部超高和護坡頂部高程計算成果表

1.4 邊坡穩定計算

人工島為次要建筑物，級別為3級。根據《水利水電工程邊坡設計規范》《水工建筑物抗震設計規范》規定，場地基本烈度為VI度，地震動峰值加速度為0.05 g。計算工況為：①完建期無水；②庫區正常蓄水位52.84 m。

依據勘察成果，人工島填土物理力學性質指標：粘聚力c=40 kPa，內摩擦角φ=15°，最大干密度1.73 t/m3，最優含水量17%。結合工程場區實際地形條件，選擇人工島典型斷面進行穩定計算。計算方法按畢肖普（簡化）圓弧法，采用河海大學編制的大壩穩定計算程序計算，結果為：安全系數均大于規范要求，邊坡是穩定的。

1.5 護坡設計

1.5.1 護坡方案比選

邊坡防護材料主要有混凝土預制塊、砌石、雷諾護墊、重力模袋護坡等型式，表2列出了四種護坡的投資及優缺點。

表2 護坡方案比選表

根據生態及景觀需求，護坡型式選擇上避免大面積的“硬、直、光”，護坡頂部高程61 m以上至島頂部采用草皮護坡，協同旅游規劃種植花草、林木，防止水土流失，增強區域的水土保持與碳中和能力。

從表2可看出，在技術經濟方面，混凝土預制塊護坡投資較高，漿砌石和雷諾護墊護坡適中，重力模袋較低；雷諾護墊和漿砌石護坡需要大量的塊石，附近30 km范圍內沒有石料場，故選用雷諾護墊護坡和重力模袋護坡。重力模袋護坡后期綠化效果較好，常水位以上至最高水位影響到的高程之間選用重力模袋護坡，常水位以下至坡腳選用雷諾護墊護坡。

1.5.2 島體排水

降雨時雨水滲入島體會降低堆島土體強度，邊坡安全系數降低，做好排水保證邊坡穩定，在島體頂部設縱向排水溝、各級邊坡坡腳設排水溝；在島體坡面每50 m設一條橫向排水溝，采用寬0.20 m、深0.20 m的C20混凝土U型渠，將雨水導入庫內。

1.6 監測設施布置

對人工島表面變化變形和基礎沉降變形進行監測，以確保建造質量和正常使用。監測儀器的選型除考慮量程、精度、穩定性、可靠性等技術指標外，還要考慮實現自動測讀的要求和自動化系統布置的需要。

為監測島表面變化變形，每座島各布置3個監測斷面，并分別在2級馬道、3級馬道及島頂部設置沉降標點，每個斷面布置3個沉降標點；在變形影響范圍以外布置2組工作基點。

為測量島基礎的沉降變形，每座島各布置3個監測斷面，每個監測斷面布置5套單點位移計。

2 主要施工技術

2.1 施工圍堰

人工島位于庫區內，需修筑圍堰，根據《水利水電工程施工組織設計規范》，確定導流標準為10年一遇。圍堰總長27 km，采用單排木樁欄柵土圍堰結構，分區段施工。施工期水位51.84 m，圍堰底高程50.34 m，所處區域水深約1～1.50 m，考慮安全超高及波浪爬高，確定圍堰頂高程為52.84 m，頂寬6 m，平均堰高2.50 m，邊坡1:3。

施工工藝流程：測量放樣→木樁插打→竹笆、防水土工布綁扎安裝→填土→成型加固→浮式竹排消浪→圍堰內抽水。

測量放樣用GPS放出圍堰中心線及邊線，在庫中插上竹竿樁標識，間距20 m，并根據地質資料摸清圍堰水下部分的地形走勢等情況，指導圍堰填筑。

圍堰填土采用水陸兩用挖掘機迎水面湖內取土，兩次圍筑，第一次采用水陸兩用挖掘機直接從圍堰迎水面以外5 m處取土，堆放在圍堰范圍內直至填筑到水面以上0.50 m為止，待其穩定15天；再進行二次加高至圍堰頂部以上0.50 m，利用堰上晾曬后的土方對圍堰進行修補加固至設計斷面。填土過程中，隨時檢測木樁欄柵的垂直度，防止樁傾斜。根據抽水總量、工期確定離心水泵及泥漿泵的臺數，分區分段把圍堰內的水排除。

施工期配備必要的防汛物資，在圍堰排水期間和雨季，派專人值班進行觀測、檢查，發現情況及時維護，確保圍堰安全。

2.2 土方填筑

人工島填筑時首先對基礎進行清基，利用圍堰內開挖出來的淤泥土進行填筑，分層碾壓，壓實度不小于0.96。采用自卸汽車將開挖土料運輸至工點，經翻曬合格后壓實。

施工工藝流程：施工準備→測量放樣→清基鋪料→整平碾壓→試驗檢測→進行下一層土料。

①島身填筑工程開工前，熟悉核對設計文件，測設填筑邊線，調查土層穩定狀況，修建施工便道。②測量放線采用GPS，包括輪廓線及鋪填區域內的高程控制，放樣誤差應符合規范和設計要求。③填筑前應先清理淤泥至原基面，驗收合格后填筑。采用自卸汽車將土料運輸至鋪土區，從一端開始，左右成排前后成行、分區域分單元網格進占布料。④鋪土厚度、壓實遍數由土方碾壓試驗確定，測量人員控制好每層標高，機械鋪料時寬度超填不少于30cm。⑤碾壓用22 t凸塊振動碾，靜壓1遍、弱振1遍、強振4遍。碾壓速度先慢后快，先靜壓后振壓，先兩邊后中間，采用錯距法碾壓，相鄰兩輪次應至少重疊1/3，保證壓實均勻。⑥填筑碾壓完成后進行質量檢測，采用環刀法每200 m3取一個樣，壓實度不小于0.96。不合格部位處理至復驗合格后繼續下道工序。⑦填筑每3 m左右，用推土機進行邊坡修整，人工配合。

2.3 重力模袋護坡

重力模袋護坡是近幾年常用的軟質護坡型式，即在鍍鋅鋼絲網籠中放置重力模袋，鋼絲網之間鉸接牢固，袋內充填土料，夯實后形成有結構性、柔性、抗沖透水不透土的、能長草的土籠，既保證護坡的安全穩定，又兼顧后期的綠化效果。模袋袋身采用單股單一纖維編制而成的筒狀土工袋，原材料以聚丙烯和聚酯為主要成份，具有高拉力、高撕裂度、抗老化、抗凍等性能以及很好的延伸率。

施工工藝流程：測量放樣→坡面修整→鋪設土工布→鋪設砂石濾料墊層→支設鍍鋅鋼絲網籠→機械填充土方→網籠封閉。

①重力模袋在施工前，先進行測量放線，放出坡腳起坡線、起坡線高程、坡頂線高程，進行修坡整平。②土工布的鋪設長度要有一定富余量，搭接寬度大于20 cm，鋪設后用U型釘固定。③砂碎石濾料墊層自下而上鋪設，施工時打控制樁、帶線進行回填鋪裝，嚴格控制厚度。④支設鍍鋅鋼絲網籠，將重力模袋置于網箱內，每個網箱放置1個模袋，將袋子口提高約10 cm，四角平均撐開后用鐵絲固定。⑤用修整邊坡時預留的土方填充模袋，每次回填量不超過1 m3，小型夯實機械夯實，并抽檢壓實度，土料填充至袋口高于鍍鋅網箱頂10 cm左右，在模袋可視立面采取支護措施，避免模袋填裝后的鼓肚現象，確保符合設計及完工后的美觀效果。⑥土料填滿夯實按設計要求覆蓋植物纖維毯，后用專門的黏扣帶黏合，再結扎邊框線與網籠封蓋。

3 工程效果分析

水庫清淤資源化利用是解決淤泥土去向的合理途徑。在采用筑島技術處理淤泥土過程中，運輸距離不超過2 km，減少了土方外運產生的碳排放。以距棄置場地20 km核算，就近筑島減少土方運輸費超過18元/m3，三座島利用淤泥土1 222萬m3，節約投資2.20億元。

淤泥土的就近利用，避免了棄土場的占用；施工中對填筑用淤泥土的重金屬含量進行了檢測，相應值低于標準管制值，符合環境管理要求及相關法律法規要求。協同旅游規劃，在不侵占防洪庫容的情況下，造島種植花草、林木，加強了水庫沿岸水土保持與二氧化碳的吸收，增加了區域碳匯，產生了良好的經濟效益和環境效益。

4 結論

工程設計結合旅游規劃及當地文化，在平面形狀、生態護坡、監測設施布置等方面合理考慮景觀效果，與周邊生態環境相協調；同時對主要施工技術及工程效果進行了分析總結，可供其它類似工程建設參考和借鑒。

水庫清淤區域結合旅游規劃就近消納淤泥土筑島種植林木，打造成生態旅游島，在實現就近消納土方的同時，避免外運堆放造成土地的占用，減少了工程投資。在完成水庫清淤治理工程目標的基礎上，減少土方外運產生的碳排放，優化了區域生態環境；新增了寶貴的旅游資源，增強了區域的水土保持能力，實現了項目區碳中和目標，產生了良好的經濟效益和環境效益。