万家寨引黄工程穿越汾河施工方案研究

李江深

（山西省黄河万家寨水务集团有限公司山西太原030012）

1 工程概况

本次穿越汾河段工程位于太原市尖草坪区，太岚线跨越汾河铁路桥上游约2.45 km 处，桩号4+577.86～4+958.86，方位为由西南向东北穿越，穿越汾河段长约381 m，呈倒虹布置。

穿汾河工程的主要设计内容包括：安装DN1400钢管381 m（钢管壁厚24 mm），左右岸各布置1 座排气阀井，以及围堰修筑与拆除、东西堤防部分拆除与恢复等临时工程。

2 工程地形、水文、地质情况

穿越汾河处河道段，由于早期任意采砂破坏形成局部沙坑，有的沙坑深达20 m。主槽在两岸堤防内蛇形摆动，宽60～100 m 左右，枯水期河槽较稳定，河床裸露，汛期水流大时漫滩，全断面过水。

穿汾河段总长381 m，东侧为75 m 岸坡段，中间主河槽段269 m，西侧为37 m 岸坡段。河东侧为河滩地，地面相对高程88.59～93.00 m，河西侧为过水段，该段现状为早年采砂后形成的沙坑，U 型断面，最低处河底相对高程74.00 m，河道内相对水位约90 m。

管基持力层为级配不良砾及级配不良砂。

基坑开挖存在涌水问题。据钻孔ZK14C-4、5 注水试验，级配不良砾层渗透系数为11.8 m/d，级配不良砂层渗透系数为2.3 m/d，取二者加权平均渗透系数为6.0 m/d。经计算，基坑涌水量为64 890.4 m3/d。

导流建筑物级别为5 级，导流按非汛期5年一遇洪水设计，泄量为68.6 m3/s。工程安排在非汛期施工。

3 初步设计穿河施工方案——围堰导流大开挖直埋法

初步设计穿汾河施工方案为两期围堰两期施工导流的大开挖基坑管道直埋方案。导流方式采用围堰挡水分期导流河床泄流方式。一期围护左岸，填筑一期围堰，右岸束窄河床泄流，二期围护右岸，填筑二期围堰，左岸已完工部分河床泄流。

一、二期围堰均采用土石围堰。一期围堰长642.0 m，按非汛期5年一遇洪水设计，泄量为68.6 m3/s，相应水位90.37 m，超高0.5 m，最大堰高17.37 m，顶宽为7.0 m，围堰迎水面边坡1∶2.5，背水面边坡1∶2.5，迎水面采用土工膜防渗、草袋土护坡，背水面采用土工布反滤、草袋土护坡。如图1 所示。

图1 初设大开挖直埋法穿汾河横断面图 （单位：mm）

二期围堰长601.8 m，按非汛期5年一遇洪水设计，泄量为68.6 m3/s，相应水位90.37 m，超高0.5 m，最大堰高17.37 m，顶宽为7.0 m，围堰迎水面边坡1∶2.5，背水面边坡1∶2.5，迎水面采用土工膜防渗、草袋土护坡，背水面采用土工布反滤、草袋土护坡。

围堰填筑料采用附近2 km 河道内的台地开挖料、拆除料，就近回填。

围堰施工后形成基坑，按照图1 在基坑内进行开挖和建筑物施工。由于河床最低相对高程为74 m，需再向下开挖约7 m 深度，将形成深度约25 m 的深基坑，基坑开挖存在涌水问题，经计算一期施工基坑开挖涌水量为8.35 万m3/d，二期施工基坑开挖涌水量为7.73 万m3/d，在基坑底部一侧设排水沟，采用明排至河道内。选用9 台IL250-400 扬程38 m，流量560 m3/h，功率132 kW 的单级立式离心泵。

初步设计穿汾河段的建筑工程投资为1 338.6 万元，施工导流工程投资为1 741.41 万元，施工排水费用为503.35 万元，合计3 084.02 万元。

该方案存在的问题：

1）土方量大，河道内水道交错，围堰土方难以收集，且质量差，透水性强；

2）采用土工膜防渗，需水下施工，难度大，且不彻底；

3）工期长，施工排水量巨大；

4）施工基坑深达25 m，水面线以下24 m，施工安全无法保证。

4 水平定向钻方案

鉴于初步设计施工组织设计的穿汾河方案存在的诸多问题，难以实现，为了避免这些问题，实现工程穿越，建设方提出了水平定向钻方案。

该方案为，自滨河东路东侧起钻，向西从滨河东路和汾河河床下穿过，汾河西堤外侧出钻，然后自西向东拖管就位，长度约900 m。该方案既可避免河道内施工，避免东西河堤的拆除与恢复，又可避免滨河东路的穿越施工，施工时间还不受季节限制。定向钻法穿越汾河在太原市有成熟的经验，但拖管直径最大为1.2 m，为稳妥起见，本工程选用双管线，单根直径为1.0 m，满足设计过水流量。工程投资约1 900 万元。

为此，组织勘测设计单位进行了补充地质勘察。勘察结果揭示，河床下存在6 m 左右厚度的砂砾石层。由此定向钻施工的下坡段和起坡段穿越该层长度较大，不能保证成孔稳定，一旦发生塌孔，无法拖管成功。

5 围堰平台方案

由于地质原因水平定向钻方案未能采用，方案研究的方向只得转回初设方案的优化上。经过组织省市水行政部门并邀请专家与参建单位工程人员进行研究，提出了围堰平台方案。

图2 围堰平台法穿汾河横断面图（单位除相对高程以m 计，其余为mm）

该方案的基本原理与初步设计方案一致，仍是两期导流，大开挖形成基坑，然后在基坑内排水和管道安装。不同之处在于，初设布置的是上、下游和纵向围堰，此方案是沿轴线在主河槽填筑一个大型施工平台，平台相对高程高于水面，再在平台上开挖基坑，然后基坑排水、管道安装。平台自西向东延伸直至与东侧滩地连接，形成一道填筑坝体。在滩地上开挖明渠进行导流。如图2 所示。平台顶宽52 m，外缘部分相对高程为91 m，内部相对高程为89.5 m，河水位为89 m。平台防渗采用高压喷射防渗墙垂直防渗。防渗墙沿基坑开挖边线处置，单排旋喷结合单排单侧摆喷。防渗墙底部伸入河床下相对不透水层2 m，墙高约23.5 m。该方案设计投资估算约3 000 万元。

在对该方案深入研究时发现，由于内挖基坑较大，深度较深，加之水头较高，防渗墙存在结构剪切破坏问题，经结构计算，需增设钢筋笼。另外，滩地段施工时，由于河床基础透水性大，其深基坑的防渗措施也需采用防渗墙，设置钢筋笼。由此，旋喷桩需改为钢筋混凝土灌注桩。仅防渗墙一项，投资将达近5 000 万元。

由于投资过大，远超概算，该方案被终止。

6 顶管方案

对顶管方案也进行了探讨和研究，也调研了解了相应工程实例，但是，由于防渗和止水问题难以解决，加之该段河道存在河卵石层，顶管过程中不可预见情况较多，对该方案未再做深入研究。

7 水中沉管法

由于常规方法均是排水后进行旱地施工，“水”的问题成为方案研究的一道屏障，无法逾越。为了摆脱这一问题，方案研究的思路转向了南方。经过了解和实地调研，引进了水中沉管法。

水中沉管法，就本项目来讲，总的来说就是：如图3 所示，对管道基础进行水下开挖和填筑的同时，进行管道的制作，并将拼装焊接好的两端封堵的管道顺河流漂浮在水面上，待管基完成后，将管道浮运至设计管轴线上方的水面上，然后注水使管道下沉，直至坐落在管基上，最后水下覆盖回填。

图3 沉管法穿汾河横断面图（单位除相对高程以m 计，其余为mm）

工程投入的主要设备有：1 艘水上挖泥施工船、2 艘开底式泥驳船、2 台130 t 履带吊、救生及检查艇1 艘、潜水设备以及一定数量的浮子和超声波检测仪等。

图4 水中沉管现场施工图

主要投入的人员有机械设备操作人员、潜水员、测量人员、质量检测人员等。

工程于2018年4 开工，6月19日整体沉管成功（见图4），至9月底管顶覆土回填以及东西堤坝恢复等全部施工完成，并进行了静水压试验，试验合格，表明该方法在汾河上正式应用成功。

8 结语

水利、热力、燃气等各行业穿汾河管道工程比较多，投资基本不低于5 000 万元，有的甚至超亿元。本项目按照初步设计的方法，再增加可行的围堰止水防渗措施，投资也将突破5 000 万元。采用水中沉管法施工费用约2 000 万元左右。笔者在本刊的上期中专门详细介绍了该办法及实施的过程。