黃沙古渡水源泵站圍堰的設計與施工研究探討

王艷瓊WANG Yan-qiong

（寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，銀川 750001）

1 工程概況

黃沙古渡泵站為黃河右岸臨河一體式取水泵站。由進水閘、進水前池、主副廠房、輸水管道及進場道路等組成。其位于黃河Ⅱ級階地上，前緣為黃河河道，進水閘距離水邊線水平距離約為17m，東側為出露山體，山體頂高程約1128.00m，底高程約1100.00m，總高度約28m。場地勘察期間存在地下水，地下水位高程1101.10m。泵站基礎坐落在泥巖層，底高程1088.60m，封閉圈頂高程1104.50m，泵站基坑深度36-38m，屬于一級基坑?；娱_挖分三次開挖進行，第一次開挖為場坪高程1104.5m 以上，第二次開挖為進水閘、進水前池和封閉圈構筑物基坑開挖，高程1088.60m 至1104.50m 之間，第三次為后管坑及泵站出水管管槽開挖。

2 圍堰設計

2.1 地質條件分析

泵站站址勘察期間存在地下水，地下水位高程1101.10m。且由于泵站位置處于黃河岸邊，取水水位較低，基坑邊坡巖性為不膠結砂巖，砂巖滲透系數3.0×10-3cm/s，中等透水層，開挖過程中黃河水不斷補給，存在涌水問題，基坑需要降水。

第二次開挖受地下水及黃河水的影響，在第二次開挖開始前應完成圍堰填筑，以圍護施工基坑，保證后續開挖及水工建筑物能在旱地施工。

2.2 圍堰設計

2.2.1 圍堰型式確定

根據場地條件，該工程圍堰級別為4 級，按照10 年一遇洪水設計，考慮安全超高及冬季凌汛影響，圍堰堰頂高程與泵站廠區地坪高程一致，為1104.5m。圍堰型式初步擬定土石圍堰，考慮用基坑開挖料做為圍堰回填料，但因泵站基坑開挖料以細砂為主，透水性較大，采用復合土工膜防滲。且因黃河邊水流沖刷較大，參考以往寧夏黃河邊水利工程建設經驗，在圍堰上游沖刷段采用方形噸袋裝土護坡，鉛絲籠塊石與散拋石護腳。考慮黃河岸邊基坑滲水的危害，護坡增加一層聚乙烯彩條布加強防滲。

圍堰最終結構形式如下：填筑坡比為1:2，迎水面設護坡強化防滲透、防沖刷作用，護坡形式分兩段，第一段為上游沖刷段，自上而下依次為：高程1098.80m 以上1.5m 厚方形噸袋、高程1098.80m 以下拋投鉛絲籠石與散拋石護腳+聚乙烯彩條布+3.0m 厚基坑開挖料回填+復合土工膜；第二段為下游順水流段，自上而下依次是方形噸袋+聚乙烯彩條布+3.0m 厚基坑開挖料回填+復合土工膜。

圍堰平面布置圖及結構詳圖如圖1、圖2、圖3。

圖1 圍堰平面布置圖

圖2 上游沖刷段圍堰結構圖

圖3 下游順水流段圍堰結構圖

2.2.2 圍堰堰頂高程計算

結合工程主體級別，確定本工程施工導流建筑物級別為4 級。施工導流圍堰采用土石圍堰，設計洪水標準采用10 年一遇，對應的洪水流量5530m3/s，相應水位為1102.93m。堰頂高程采用下式計算確定：

H=Zm+ha+δ

式中：H——圍堰堰頂高程；

Zm——設計洪水水位；

ha——波浪爬高，取ha=1.0m；

δ——圍堰安全超高，取δ=0.5m。

考慮凌汛對圍堰的影響，堰頂高程分別計算10 年一遇設計洪水位和冬季平均枯水位兩個工況下最大堰頂高程為最終堰頂高程。

10 年一遇設計洪水位工況：10 年一遇對應的洪水流量5530m3/s，相應水位為1102.93m，計算得堰頂高程H=1104.43m；根據黃河石嘴山站水文資料，1984-2018 年黃河12 月至2 月份日平均來水量600m3/s，相應水位1100.3m，根據歷史黃河凌汛事件，凌汛水位變幅按2m 高考慮，計算得堰頂高程H=1102.3m。

上述兩種情況相比較取大值，最終確定圍堰頂高程為1104.43m。

2.2.3 圍堰滲流穩定及抗滑穩定分析

經AUTOBANK 建模分析，黃沙古渡水源泵站圍堰結構滿足滲流穩定及抗滑穩定要求。

3 圍堰施工

3.1 施工準備

①施工放樣。

在圍堰填筑前由測量人員進行施工放樣，按設計圖紙提供的坐標定出圍堰軸線，預埋高于地面1.5m 的彩色標桿作為標志，并由工程技術人員和試驗人員進行填筑前的土工試驗以確定碾壓參數[1]。

根據施工期和工程量合理安排施工機械和調配人員并配備一定數量的鉛絲石籠和方形噸袋。

②拋投料制備。

圍堰填筑結合第二次開挖進行，當基坑第二次開挖至高程1102.5m 時，正式開始圍堰填筑，圍堰填筑先行推填至施工期水位高程，后采用上下游雙側進占施工。圍堰推填至施工期水位后，開始鉛絲石籠的綁扎和方形噸袋填土。

1）方形噸袋填土。

噸袋應使用滿足規格的編織袋和綁扎繩，人工將回填土料裝進編織袋內，每個編織袋裝土量為85%左右，用塑料繩綁扎封口，人工搬運堆放整齊等待拋投。

2）石籠裝填綁扎。

石籠填料過程中，應分批、均勻向網箱內填料，避免對單個網箱一次性填滿。高度≤100cm 的網箱，單次填充高度不應大于網箱高度的1/2；高度＞100cm 的網箱，單次填充高度不應大于網箱高度的1/3。

填料過程中，不同粒徑的填料應按照大石碼邊、小石填中、相互搭接、平穩均勻的方式完成，以提高網箱填充率；填料過程中，應避免石籠出現＞15%的變形，同時避免石籠損傷[2]；填料過程中，需要機械與人工合理搭配，其中人工裝填、碼放對石籠結構體質量更有保障。

石料裝填好后，將頂蓋翻裹封頂，并將邊緣綁扎結實，綁扎的搭接寬度不小于10cm。裝填后的石籠應基本達到填石飽滿，外形方正，扎口結實，在進占時不開口，不漏石。

噸袋及石籠裝填如圖4、圖5。

圖4 方形噸袋填土

圖5 鉛絲石籠綁扎

3.2 圍堰填筑

結合現場實際情況，針對圍堰特點，分階段進行圍堰施工。

首次填筑為施工期水位+0.5m 高程以下圍堰施工。上游沖刷段：以鉛絲石籠+稻草為主材、方形噸袋土枕相輔的方式進行圍堰進占，形成防沖刷體系；從場坪自東向西至圍堰方向按1:2.0 坡比進行堰體推進填筑，回填料采用泵站基坑開挖料，推填至高出施工期水位時，由上游至下游開始分層碾壓回填，要求相對密度≥0.75，復合土工膜作為主要防滲體，加以彩條布，形成防滲體系。下游順水流段：采用噸袋土枕進行圍堰進占；泵站開挖料進行堰體推進填筑；復合土工膜作為主要防滲體，加以彩條布，形成防滲體系。

第二階段填筑為施工期水位+0.5m 高程以上圍堰施工。采用噸袋進行護坡，復合土工膜防嗮以保護噸袋；泵站開挖料進行堰體培厚加高；復合土工膜作為主要防滲體，加以彩條布，形成防滲體系。直至回填至1104.50m 高程且達到設計堰頂寬度。

由于進占體設計外坡比為1∶2，拋填過程中無法一次性達到設計坡比，施工時按照設計坡腳線控制拋填范圍，水下部分填筑完成后采用長臂反鏟對超填部分進行清除，修整至設計邊坡[3]。

為了保證圍堰填筑內外坡比達到設計要求，每填筑2～3 層后及時修坡，采用人工配合反鏟及時修坡。

堰體與岸坡結合處為防滲的薄弱環節，因此在圍堰填筑時應注意土工膜布與岸坡上下游兩端的裹頭處理。

鉛絲籠塊石與散拋石拋投頂寬2.0m，頂高程1098.80m，坡比1:2.5；方形噸袋自高程1098.8m 開始，厚1.5m，噸袋規格1.0m*1.0m*1.0m。

石籠和噸袋進占時由專人指揮用吊車吊起，使石籠平穩的滑入水中。進占時要備有充足的石籠且連續進占，減少施工沖坑。單個石籠沉放宜自下游向上游進行，以使上游石籠的下端壓在下游石籠的上端，以減小水流對石籠的動力作用，達到石籠入水后銜接緊密的效果。

3.3 基坑降水

圍堰基坑建基面約高程1095.00m，泵站背水側平臺寬約20～28m，后接泵站封閉圈基坑。地下水水位高程1101.00m，黃河水通過圍堰堰體及基礎不斷滲透補給至背水側基坑，開挖過程中可能存在涌水問題，為保證基坑開挖及后續水工建筑物可以干燥施工，基坑需要降排水。

根據《水利水電工程施工基坑排水技術規范》（DL/T5719-2015），降水應考慮初期排水和經常性排水。結合地質資料及工期安排，經常性排水主要考慮基坑滲水、基坑覆蓋層中的含水量等。為保證基坑干燥施工，降排水系統主要由管井降水和明溝排水兩部分組成。

基坑積水量：圍堰閉氣以后河床底標高以上存水量，計算得Q=36245.48m3。

基坑滲水量計算：采用理正巖土滲流分析軟件進行滲水計算，計算模型選擇均質土堤、透水堤基、無排水設備進行計算。

計算得單寬滲流量q=7.787m3/（d·m），圍堰全長306m，滲流量Q=1557.4m3/d。

基坑覆蓋層中含水量：根據《工程地質手冊》（第五版），細砂給水度按照0.2 取，本工程基坑覆蓋層含水量計算得Q=13910m3。

水泵選型：根據滲流計算，結合排水工期，水泵選擇50m3/h 潛水泵。

管井降水：管井采用無砂砼管固壁，井徑400mm，間距30m，平均深20m；排水溝沿基坑四周布置，其中：圍堰背水側施工平臺處按15m 間距布設2 排，共計14 眼；封閉圈基坑內在1104.5m 馬道按照15m 間距布設一排，共計19 眼；在基坑1093.3m 馬道上按15m 間距布設一排，共計13 眼。井深至不透水層（約19～31m），全部共布設降水井46 眼。

明溝排水：主要由排水溝、集水坑和排水泵等組成，在封閉圈范圍線外側2m 處按1:0.75 開挖邊坡沿基坑底面下挖0.5m 深，底寬0.3m 設置，同時在低洼處設置集水井3 個，先將積水排至集水坑，再集中抽排出。

初期排水的降水速度控制在0.5～0.8m/d，明溝和管井排水均抽排至黃河內。

4 結束語

土枕布袋裝土后用于黃河治理工程中水下進占的拋投體，這在寧夏已十分常見。黃沙古渡泵站圍堰采用高強度噸袋和鉛絲石籠做為圍堰護坡防沖刷體，通過加固防護圍堰護坡，減少水流對圍堰的沖刷，以提高圍堰進占體的有效利用率。土工膜及彩條布的雙重應用，有效降低黃河水通過圍堰向基坑的滲透。本工程圍堰堰體結構的設計及實際實施，嚴格控制圍堰填筑及防滲施工質量，保障了施工過程中極好的防滲、抗沖刷能力。黃沙古渡泵站圍堰自填筑成功到泵站封閉圈建筑物澆筑成功，圍堰堅固無沖毀現象，泵站基坑沒有任何滲水現象，得到工程參建相關單位的高度認可。由此，為以后同類型工程的設計和施工積累了實踐經驗，增加了更具實際操作性的參考意義。