嶂山闸除险加固工程导流挡水围堰设计及施工关键技术控制

潘德洲吴 海王建新原 亮

嶂山闸除险加固工程导流挡水围堰设计及施工关键技术控制

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嶂山闸除险加固工程于2006年汛后开工建设，2008年汛后全部完成。工程主体工程大部分安排在非汛期施工，施工期间利用挡水围堰将施工区上游水源截断，采用干场作业。挡水围堰主要施工内容为围堰填筑施工及围堰防渗及运行保护等。挡水围堰施工期挡水高达8.0m，设计填筑方量大、土质差（粘土中夹杂大量的砂礓石），还需兼顾主体工程水下部分工程完工前的泄洪，故其安全运行关系到整个加固工程能否顺利实施。为此，设计、施工等相关单位对挡水围堰进行了充分论证验证，保证了加固工程如期顺利完成。

一、挡水围堰设计

根据初设报告中地质勘察成果建议值及围堰坝址和断面，在工程开工前对施工现场进行踏勘，现场取土样测定填筑土壤力学性质，对其进行抗滑和渗流稳定验算。临时建筑物围堰按设计等级标准3级设计。特征值设计水位围堰上游（骆马湖侧）23.5m，下游水位新沂河侧（闸室底板顶高程）15.0m。

1.堰体填筑料设计

土料的填筑质量需具有足够的抗剪强度和较小的渗透性、压缩性。填筑质量的主要标准是土的密实度和均匀性。对不同等级不同土料填筑的土石坝确定合理的压实度，才能使土坝断面设计经济合理。根据实际情况，就近选择上游左右岸边原兴建闸时的废弃料场，对土料进行取样复核各力学指标，确定围堰工程压实度值0.93。

2.围堰高程

依据《碾压式土石坝设计规范》计算公式堤顶超高等于波浪爬高加风雍水高度加安全加高（Y=R+e+A）确定堤顶高程。风速采用汛期多年平均最大风速的1.5倍，水深采用水域平均深度沿计算风向断面平均水深，风浪要素计算采用了蒲田试验站公式计算。根据上述参数确定及计算得出代表性断面超高值即风浪爬高1.3m，围堰安全超高取0.7m，则设计围堰顶高程为25.5m。

3.围堰布置及断面设计

根据地质勘察综合成果建议值表、相关图纸，计算比选确定了该段面。

围堰下游坝脚距闸底板上游侧300m，围堰坝址河床底高程15.5m，地质土层为粉质粘土，含少量砂礓和铁锰质结核，渗透系数为6.9×10－8cm/s，为弱透水层。通过现场探测淤泥层很少，坝基条件良好，对堰体稳定有利。

上游围堰选型横截面为梯形，围堰轴线距闸底板上游侧350m，长度为460m，顶宽 10m，围堰顶高程为25.50m，工程围堰选用土石围堰。围堰高程23.5m以下坡比为1∶5.0，高程23.5m以上坡比为1∶3.0。围堰迎水面铺设350g/m2覆膜土工布防渗，并向上游河底铺进10.0m，土工膜幅间搭接1.0m。为防风浪波击破坏采用0.2m×0.2m×0.1m预制混凝土块压盖，预制块中间预留φ50mm圆孔，用8#铅丝连接成网，压护土工膜，预制块纵横间距均为2.0m。在围堰迎水面坝肩处高程坡肩处，首先打4m木桩固定，间距2.0m，用于固定预制混凝土块。堰顶采用草袋装土填筑0.4m×0.5m防浪墙。背水侧坝脚设两层砂石反滤，反滤层高程为20.0m。围堰水面以上压实度不低于0.93。堰顶做8.0m宽50cm厚泥结碎石路面，供左右岸交通需要。

4.围堰结构计算

（1）坝身渗透稳定分析

由地勘报告可知，最大渗透系数为6.9×10-8cm/s，坝基主要由粉质粘土组成，最大渗透系数为6.9×10-8cm/s，属于弱透水层，状况良好，故按不透水坝基均质土坝渗流情况计算渗透稳定。

参照地质剖面图，选取一典型断面为代表，按照《碾压式土石坝设计规范》进行渗透稳定计算。计算程序采用理正岩土系列软件中《渗流分析计算程序》，进行渗流有限元分析计算。

计算条件：上游水位23.50m；下游水位15.50m，围堰填筑土方的渗透系数为6.9×10-8cm/s。

渗透稳定计算成果：ho=3.653m，Jab=0.200＜[J]=0.256，坝身的渗透稳定计算结果满足要求。

（2）坝身抗滑稳定分析

按照《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）要求，对坝的迎、背水坡进行不同工况下的抗滑稳定计算。根据地勘资料，取典型断面，利用简化毕肖普法进行抗滑稳定计算。计算程序采用理正岩土系列软件中的《边坡稳定分析程序》。特征设计洪水位23.5m，地震烈度8°。

用简化毕肖普法进行抗滑稳定计算。计算程序采用理正岩土系列软件中的《边坡稳定分析程序》。围堰应分别进行上游下游边坡抗滑稳定计算。

计算公式如下：

式中：K—抗滑稳定安全系数；b—单个土条的宽度（m）；W—条块重力（kN），浸润线以上取重度，以下取饱和重度；U—条块所受到的浮力；D—条块所受的渗透力；θ—条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角（°）；α—条块的渗透力与水平线的夹角（°）；C—土的粘聚力（常数）；Φ—土的内摩擦角（常数）。

各断面的计算结果见表1。

结论：各种工况下，坝防抗滑稳定计算均满足规范要求。

5.截渗设计

根据水文资料显示，嶂山闸施工区域冬季多偏北风，吹程较大。为防止风浪破坏围堰，以及增加围堰截渗效果，在围堰迎水面铺设350g/m2覆膜土工布防渗，并向上游河底铺进10m。土工膜幅间搭接 1m，用 0.2m× 0.2m×0.1m预制混凝土块对防渗膜压盖，预制块中间预留φ50mm圆孔，用棕绳穿过圆孔链接成网以压护土工膜，预制块纵横间距均为2m，在围堰迎水面坝肩处打4m木桩固定。堰顶采用草袋土填筑0.4m×0.5m防浪墙。

二、围堰填筑施工

上游围堰于2006年8月20日开始填筑，采用了从两岸向中间推进的进占法施工，至2006年10月1日围堰合龙。围堰填筑土料从监理工程师和业主指定的闸上游左、右岸毗邻河道之土场中采取，土料开采深度4.00～5.00m。左岸总取土量13万m3，右岸总取土量17万m3。

上游围堰填筑量25.3万m3，分三期施工，第一期左右岸填筑围堰至高程23.5m，长度各100m，填筑量约为10万m3，一期围堰完成后，修整边坡及裹头，宣泄洪水，调节骆马湖水位。泄水过后，清理一期围堰裹头，填筑二期围堰，二期围堰填筑量约为12.5万m3。

根据施工现场的工况条件，围堰填筑过程中，施工截流期间新沂河水为静水，围堰填筑采用进占法施工，由两岸取土区取土，向河心推进。上游围堰一期填筑顶高程23.50m，典型断面填筑方量为496m3/m，填筑时，加强取土区排水，定期检测不同开挖深度土料含水量，控制上坝土料的含水量。

围堰合龙时，由中间向两侧填筑，即先填筑围堰轴线部分，再填筑堤肩部分，将前期坝头饱和的软弱土层逐步挤出。

在围堰合拢后，用长臂挖掘机座在坝肩按照设计坡比对一、二期围堰进行坡面整平后，再分层填筑三期围堰至25.50m，三期围堰典型断面方量32m3/m，填筑时铺土厚度25cm，75kW拖拉机压实，排压时沿轴线方向由坝肩向中心碾压，直到面层在全宽、全深度范围内都均匀压实。

三、防渗土工膜施工

为增强围堰的防渗效果，在上下游围堰迎水面铺设防渗土工膜。上游河水深度为8m，土工膜、砂袋和预制混凝土块铺设一次完成，潜水员将覆膜土工布在堰顶上通过卷轴机加重芯卷成轴，使一端在堰顶固定，潜水员沿坡面潜入水中进行铺设。预制混凝土块压重通过水中驳船吊放，潜水员水中作业连接及码放。水上部分利用人工铺设，外边在修筑泥结碎石路面时，直接压入垫层下面。

四、堰顶泥结碎石路面施工

因工期紧，闸室拆除工程和围堰填筑必须同期施工，且上游围堰兼顾了左右岸临时道路，所以按临时施工道路工程进行施工控制，选定标准为围堰顶泥结碎石路面宽8m、厚80cm。材料选用原闸拆除的混凝土废渣，按比例掺入1/3的粘土，用挖掘机在取土场拌和，把拌和好的混合料用运输车运至围堰顶，然后用推土机分层摊铺平整并调整含水量，碾压方法同施工道路。

五、围堰设计参数核定

上游围堰填筑完成后，委托权威部门对围堰设计的技术参数进行了核定，用地质钻机在典型断面坝段的轴线处分4个钻孔钻取土样（从高程23.50～15.50m），送试验室进行分析，验证围堰设计中各种参数是否准确，对围堰安全做出全面评价。经验证，勘探成果与围堰设计中选取的物理力学参数非常接近，所以，围堰的设计是合理的、结论是可靠的，围堰的抗滑稳定和渗流稳定是安全的。

六、结语

嶂山闸除险加固工程建设经参建各方共同努力，工程得以顺利完成。围堰工程虽属临时工程，但其安全运行对关键线路起到了不可替代的作用。其充分论证的关键技术、严格的质量控制、运行期间维护观测及相关的应对措施，可为以后类似工程提供参考

表1 抗滑稳定计算成果表

（作者单位：1.淮委沂沭泗局骆马湖水利管理局 223800 2.南水北调中线工程建设管理局天津直管建管部 300000）