高适用性组合式铝合金挡水围堰设计原则

杜春林 毛建华 毛建党 薛娟娟

摘 要：挡水围堰是为了保护近水建筑或湖河大坝的一种临时性或者附属性建筑，在水利工程建设中占据着重要位置。本文首先分析国内外围堰的发展现状，然后探讨高适用性组合式铝合金挡水围堰的设计基础和设计原则，突出高适用性组合式铝合金挡水围堰的设计要点，以期为相关学者的研究提供参考。

关键词：铝合金挡水围堰；设计原则；设计基础

中图分类号：TV53+8.1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）19-0093-02

High Applicability Composite Aluminum Alloy Waterproofing Cofferdam

DU Chunlin MAO Jianhua MAO Jiandang XUE Juanjuan

（The Yellow River Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The water retaining cofferdam is a temporary or attached building to protect the near water building or the lakes or river dams. It occupies an important position in the construction of water conservancy projects. In this paper， the development status of cofferdam at home and abroad was analyzed， and the design basis and design principles of high applicability combined type aluminum alloy cofferdam were discussed， and the design points of high suitability combined type aluminum alloy cofferdam were highlighted in order to provide reference for the research of relevant scholars.

Keywords： aluminum alloy water retaining cofferdam；design principle；design basis

本文在對现有围堰进行研究的基础上，自行设计出一款适应能力强、使用方便且更为合理的组合式铝合金挡水围堰。

1 国内外围堰研究现状

1.1 国外研究现状

20世纪末期，防洪挡板最早出现在德国的科隆市，全程11km，投入资金大约1 100万欧元。除此之外，从2002年开始，欧洲中东部地区持续受暴风雨的影响，使得湖河水位上涨，低洼地区存在着大量的积水，导致欧洲部分地区大面积受灾。当地政府为了应对这种情况，大量购买了防洪装置，大多数积水城市纷纷采用此类装置止水。此外，该设备的施工工期短，施工时间大概为4～6h[1]。

防洪装置的核心在于连接挡板的支撑梁为铝梁，横截面为工字形状，通过水注入铝梁内，增加铝梁的质量，从而达到防水的目的。但是，该装置对地基要求较高，要去必须是混凝土装置，而混凝土制作周期长，造价昂贵，拆除较难，重复使用率低，不能实现绿色施工[2]。

1.2 国内研究现状

20世纪中期，钢板桩围堰迅速兴起，在桥梁方面得到了广泛应用，其中以武汉大桥的应用最为成功。新型的钢板桩围堰，施工过程大大简化，且承受水压较大，重复使用率高。之后，赣江大桥、长江公路大桥和宁波大桥均采用钢制围堰或钢板桩围堰。

自20世纪末期以来，国内围堰技术发展有了质的飞越，开始向混凝土围堰和复合材料围堰迈进，其中以长江二期围堰建设为典型代表。长江二期混凝土围堰规模巨大，加工和施工工期短，挡水标准较高，技术难题较大，在国内外围堰史上十分罕见。长江二期混凝土围堰建设的成功代表着我国混凝土围堰技术已经达到世界先进水平。

可见，国内围堰大多数以混凝土围堰和钢板桩围堰为主。混凝土围堰可整体施工，有一定的壁厚，结构受力情况较好，但易产生粉尘；钢板桩围堰施工方便，插入和拔出简单，但随着水深的加深，钢板桩的柔性也会相应加大，一般适用于浅水区施工。本文的设计基于混凝土围堰和钢板桩围堰的优点，克服各自的短处，设计出具有绿色施工、高效使用和无污染的围堰。

2 设计基础和设计原则

2.1 现有围堰分析

挡水围堰是为了保护近水建筑或湖河大坝的一种临时性或者附属性建筑，目的是使水利工程项目顺利开展，普遍用途是防止河水或湖水流入施工主体建筑物，同时利用水泵等抽水设备排出围堰内的积水，可以保证围堰施工的可行性，所以加强围堰设计研究具有重要意义。

围堰的施工过程较为复杂，直接导致施工难度较大，需要考虑主体建筑和附属工程建筑受到的水流冲击和河水侵蚀，对围堰的施工工期会造成一定延缓。高效的围堰施工技术在水利工程建设项目中显得更加迫切，精湛的施工技术不仅可以保证良好的施工进展，而且能保证施工的安全性和围堰的稳定性。

水电工程项目的施工地、施工环境和现场施工条件不同，导致围堰的加工种类也不尽相同。根据围堰施工时所用材料（包括就地取材材料）的种类，可以将围堰分为以下几种。

①土石围堰。土石围堰是围堰中最为常见的类型之一。我国大多数江河大坝或近水建筑所用的围堰以土石围堰居多。土石围堰所填筑的材料通常为土石或土渣，优点在于能充分利用材料，就地取材，且加工工艺和施工工艺简便。但是，南水北调工程中的水为饮用水，在土石围堰施工过程中，可能会有土石土渣掉落水中，影响水的质量，应用土石围堰并非明智之选。

②混凝土围堰。水利枢纽工程的围堰广泛应用混凝土围堰。这主要是因为混凝土围堰挡水高度较高，围堰底部较宽，抗水流冲击能力较大，水在堰顶可溢出，在过水围堰和挡水围堰方面均可应用。但是，对于南水北调工程而言，混凝土围堰在施工后拆除较为麻烦，且造价不菲，施工后由于混凝土的物理性质，需要在完全凝结后才能继续施工。

③钢板桩围堰。钢板桩围堰在桥梁建筑、水利施工方面也属于常见的板桩围堰，由于应用材料为钢（或合金钢），所以，其具有强度高的优势，容易嵌入坚固的土层，既可以应用于深水地区，也可应用于浅水地区，可多次重复使用。但是，由于钢（合金钢）的密度较大，可能会造成局部结构过重，对加工过程和施工过程都产生一定的限制。因此，需要在此基础上设计出更优的方案。

本文在以上常见围堰的基础上，对围堰底座进行分离式加工，在需要施工的地段预先埋好基座，使用吊装机使相匹配的底座与基座吻合；材料使用铝合金，减轻围堰的总体质量，且铝合金易加工，整体拆装方便；结构采取单元底座装配，降低加工难度和施工难度。本文所述围堰的设计研究具有良好的应用前景，可以为后来者在相关方面提供一定的借鉴。

2.2 设计原则

2.2.1 围堰施工稳定性。为了保证围堰的顺利施工，设计人员和操作人员应对现场的状况进行实地考察，充分讨论各种因素对围堰稳定性的影响程度。除施工方式外，围堰的建筑结构、场地配置和施工材料的选择也对围堰施工工期有一定程度的影响。

2.2.2 围堰设计的合理性。相对于主体建筑和附属建筑而言，围堰是一种临时性的挡水结构，所以，在对围堰进行设计时，要充分考虑主体建筑施工结束后，围堰大多数会被拆除的问题。围堰的设计不仅要求施工方便，还要要求设计合理，拆除过程简单。

2.2.3 围堰设计的匹配性。考虑到围堰在施工时受到自身重力、水流的正面压力和侧面压力等各方位的静压力或动压力，这就要求围堰能抵御水流各方向的压力。因此，在设计时要综合考虑各方面受力的分配。

2.2.4 围堰设计的严密性。由于設计围堰是为了挡水，因此，在设计过程中，要充分考虑容易渗漏水的部位。一般情况下，围堰连接处和变形较大处存在渗水和漏水的情况。为了维护围堰结构的稳定性，需要对连接处进行强化处理，以保证其严密性。对围堰连接处有目的地进行加固，保证围堰应用的安全性。

2.2.5 围堰施工的经济性。围堰堰体建造对水利工程项目具有重要意义，所以施工过程中合理选择材料能有效降低成本，严格控制各个环节的成本。

本文研究的围堰主要在钢桩板围堰和混凝土围堰的优势上进行创新设计，既能抵御受力，又能达到防水的目的。其主要有以下优势：既可以临时支撑，也可以成为附属建筑；能避免施工过程中产生的建筑垃圾、灰尘、粉末等污染问题；有利于绿色施工，对环境友好；重复使用率较高等。

3 结语

围堰技术在我国水利水电项目中的地位依然不可撼动。但目前，国内的水利工程围堰设计和加工施工过程中仍存在诸多问题，多数围堰在施工完成后存在渗水、漏水等问题。为了促进我国水利工程事业的发展，提高水利工程质量，迫切需要技术人员准确把握围堰核心技术，并能通过试验和实践不断改进围堰技术，提升整体的设计水平。

参考文献：

[1] Dong Z，Yan Y，Duan J，et al. Computing Payment for Ecosystem Services in Watersheds： An Analysis of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion in China[J]. 环境科学学报（英文版），2011（12）：2005-2012.

[2]夏仲平.水利工程施工围堰技术进展[J].人民长江，2005（11）：3-4，74.