蜂窝井型退水口在吹填退水施工中的应用

中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007

1 工程概况

引江济淮J010-2标项目部渠道开挖主要以水下疏浚施工为主，除了J80+670—J81+020段和J93+625—J94+125段为全断面干地开挖，其余19.585km河段19m高程以上为干地开挖、19m高程以下为水下开挖疏浚，疏浚施工中产生的泥浆吹填至排泥场，经排泥场沉淀后通过退水口使水质澄清后流入渠道。如果退水口的位置设置不合理、退水口形式选择错误以及施工质量不达标等，将会对排泥场围堰安全造成重大隐患，后果十分严重，因此退水口是整个退水系统的核心部分，关系到整个排泥场退水系统能否正常安全运行、回水泥浆浓度能否得到有效控制。

2 退水口选型

2.1 老式钢箱式退水口

老式钢箱式退水口根据围堰内泥面堆积高度，通过增减退水口门周边的挡水板调节场区水位，水流从挡水板顶部溢流至退水口，排入渠道。老式钢箱式退水口主要存在两个问题：一是退水口挡水板存在接缝封堵不严密，将泥浆带入渠道，使排入渠道的回水含泥量浓度增加；二是水位升高需要增高挡水板，挡水板需要在水下进行增高，施工不方便，甚至可能造成增高时接缝不严，使排入渠道的回水含泥量浓度增加。

2.2 埋管式退水口

埋管式退水口结构设计简单，应用方便，不需要投入较多的资金。按照是否对水位进行控制，可以划分为简易式、闸池式退水口。该种退水口埋管位置不高，可以满足流水的正常要求，不会对围堰外坡脚产生很大的冲刷，也不会对围堰交通产生影响。其在应用过程中还需要对土与钢管结合部位进行防渗透加强处理，避免产生决口事故。但是埋管式退水口存在不足之处，会随着围堰内吹填平面的不断抬升而变高，增加了大量重复埋设的工作量，多用于泥浆含量较低的砂土类吹填施工。在高围堰的情况下，内外水面会产生很大的压差，可以利用虹吸钢管埋设到堰顶来进行排水，可避免退水口部位管道壁产生渗漏，也可为安装与拆卸提供便利。

2.3 溢流堰式退水口

溢流堰式退水口一般采取抬升吹填区域的水位，在堰顶部位将尾水溢出至排水渠内，避退水口出水对围堰水流形成过大的干扰，对降低尾水淤塞泥浆污染有着很好的效果。堰体结构设置比较简单，有着很好的安全性、耐用性，比埋管式退水口对围堰水流扰动小，可以促进吹填泥浆的沉淀，降低泥浆对生态环境的污染。但溢流堰式退水口的缺点在于会对堰上交通产生阻隔，需要较多的维护工作量。如果吹填区容积不断变少，退水路径会变得更短，沉淀的泥浆会对水渠下游产生影响，存在淤塞与污染的风险。溢流堰式退水口可以应用到尾水泥浆较大、退水路径较长的疏浚吹填水利工程项目，需要根据吹填厚度改变情况来加高堰顶，进而得到更浅的溢流高度。针对高度较大的围堰吹填工程项目，退水口堰顶高度不断变大，会使堰体安全性变差，需要根据实际情况来慎重选择。在实际的工程项目施工过程中，如果对堰壁进行加固处理，采用活动闸板来对水位、排水量进行调节，就会转变成薄壁堰式退水口。

2.4 竖井式退水口

竖井式退水口结合了埋管式、溢流堰式退水口优点，是一种新型的退水口，结构设计更为合理，操作更为安全可靠。竖井式退水口一般设置在距离出水口较远位置，可以提高泥沙沉淀效果，主要由活动闸板、底座、横撑等构成，底座采用块石混凝土浇筑而成，立柱每间隔一定距离采用钢筋混凝土与预制横撑相连接，设置有闸板槽，中部设计有退水涵管，底部再采用砂卵石作为垫层，中间再设置有两道防渗墙，合理设计涵管坡降。

吹填区存在的尾水可以通过排水渠引入河流，避免出现冲刷、淤积等问题，还可以防止泥浆对附近生态环境造成污染。竖井式退水口位置需要设置在排泥管出口部位，可以有效提高泥沙沉淀效果。竖井式退水口施工需要使退水涵管与竖井、防渗墙相互的接缝部位保持良好的密封条件，避免涵管出现渗漏。退水渠的设置需要保证有平顺的坡降，入河口部位还应该配有抵消冲能的设施。在疏浚吹填施工过程中，需要增加闸板来提升吹填区域的水位，进而得到宽浅适宜的溢流，避免出水口水流产生较大的扰动，对改善泥沙沉淀效果发挥着积极作用，还可以防止出现水土流失、泥浆污染等问题，使施工尾水达到含浆量控制规范要求。退水从涵管部位排放出来，可以更好地保证围堰安全，也不会对堰上交通造成影响，缺点在于施工过程较为复杂，需要投入较多的资金。

3 蜂窝井形式退水口设计

蜂窝井形式退水口设计充分结合施工作业现场的实际条件，对排泥容量、施工设备、弃土高度、围堰结构等进行全面分析，确定最为科学合理的余水深度，应用水力学相关理论进行计算，确定退水口每个部件的合理尺寸。井口高度需要保证水流呈现出自由流状态，可以进行初步消能，但还需要考虑水流对出口区段的影响，对退水口安全性进行设计与验证，确定最为合理的结构尺寸；做好余水深度的估算，确定退水土方的流失量，这样可以更好地控制成本；做好受力分析与最大应力计算，避免构件出现变形，内部设置的立柱具备足够的刚度，保证在一定的水位条件下，退水口结构稳定性不会受到排泥场风浪影响，还可以保证立板的稳定性。竖井结构具备的整体刚度需要满足施工要求，使出水口溢流保持顺畅。围堰土方回填作业前，需要做好全面检查工作，保证回填土的压实，如果采用人工回填方式，需要保证捣实后的土体达到足够的强度。退水管的选择需要避免过流后出现虹吸现象，退水管满管流量需要超过设计流量。

新式蜂窝井型退水口是通过井型砖砌墙在每个边墙布置PVC管，通过PVC管进行排水，当水位增加时，用定制的盖子将PVC孔盖上，施工操作简单，且泥浆浓度较低，避免出现接缝部位封堵不严、需在水下将挡水板增高的问题。这种类型的退水口外侧四个边角都设置有固定座，侧壁部位留有多个退水口，每个退水口内部都埋设有PVC管，多个PVC管采取活动连接方式并与挡水盖连接；挡水盖中部设置有固定板，并采用两个斜撑杆进行固定，斜撑杆由弹簧进行连接，一端与支撑进行连接，另一端采用第二弹簧和挡水盖顶、底端实现连接；挡水盖内采用橡胶圈来实现密封，内部还设置有多个加强柱进行固定并采用垂直放置方式；支撑板外侧都安装有橡胶垫，具体结构见图1。

图1 新式井型蜂窝式退水口设计图

4 蜂窝井型退水口退水设计及应用实效

4.1 退水口水力计算

该标段水下疏浚施工将投入500m3/h绞吸式挖泥船施工，挖泥船设计总排水流量为5000m3/h，出泥量为整个排水流量的10%，则实际出水量应为排水流量乘以0.90的系数；同时，挖泥船作业一般有效施工时间为18h/d，退水流量系数应为18÷24=0.75。根据以上分析，投入该工程的挖泥船实际排水流量应为Q排= 5000÷3600×0.9×0.75≈0.938m3/s，则排入冲填区的水流总流量Q总=K×Q排=1.1×0.938≈1.032m3/s，其中，修正系数K取1.1（实际与理论出水的修正值）。

确定泄水孔直径B的堰流公式如下：

式中：m为流量系数，按薄壁堰计算取0.42；H0为堰顶水头，取0.5m。

从式（1）可知，B=3.85m，则单边井宽为L=3.85÷3=0.96m，考虑到排泥场的平整度，每个排泥场至少需要2个退水口，退水口门宽度不小于0.96m。综合考虑，退水口泄水孔直径按0.25m设置。

4.2 应用效果

通过运用蜂窝井型退水口，预计可节约后续环境治理费用约333.7万元，如果发生一次环境污染事件，环境治理将投入（人工+设备+材料）约100万元；通过运用蜂窝井型退水口，缩短了排泥区沉淀期，并减少了排泥区内格梗填筑数量，一个排泥区所需费用约233.7万元。通过研究该课题，未发生一次内河环境污染事件，受到了当地村民、政府以及当地环境监管部门的好评。

5 结束语

综上所述，应该将延长泥浆退水流程、促进泥沙沉淀、有助于衔接与设置下游排水通道作为退水口的选型与设计原则，再考虑施工投资投入、施工周期和生态环护等多方面因素，综合选择与设计退水口位置与类型。蜂窝井型退水口保证了疏浚吹填工程的安全顺利进行，提高了施工效率，具有很好的推广应用价值。