南水北调中线工程白河倒虹吸防洪加固工程分期围堰施工方案和降排水设计实践

向德林 瞿行亮

(1.中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司，河南 南阳 473000；2.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司，河南 平顶山 467000)

1 工程概况

南水北调中线干线工程白河倒虹吸防洪加固工程，位于蒲山镇蔡砦村北丰山东南侧，距南阳市区约14km，距商南高速及省道约1.5km，距焦柳铁路及南鸭公路4km。

白河倒虹吸工程建筑物长1337m，起点桩号115+190，终点桩号116+527，2021年白河倒虹吸经历2次较大洪水，导致白河倒虹吸河床段出露部分管身且河床主槽两侧护岸均出现水毁现象，迫切需要对白河倒虹吸进行防洪加固，确保工程安全。

本项目施工对南水北调白河倒虹吸管身段进行防洪加固，直接关系到南水北调中线总干渠的安全，必须在确保工程质量的前提下，严格按工期要求完成。

2 工程的重点和难点

2.1 工程的重点

在整个防护工程施工中，计划提前开始一期、二期围堰填筑施工，尽早为倒虹吸防护工程顺利开展提供条件，计划于2022年6月15日主体工程完工，具备过水条件，以便尽早恢复河道原貌，为预防突发洪水创造条件。

2.2 工程的难点

本项目施工围堰分为两期，围堰采用土石围堰，黏性土压实度不小于0.92，非黏性土相对密度不小于0.7。白河河道宽300余m，河床底部为砂层或砂砾层，开挖深度大，渗水量大，因此施工围堰内的降水成为了工程的难点，直接影响到本项目的主体工程是否能够在2022年6月15日前完工。

3 工程水文地质条件

白河倒虹吸工程区地形起伏，地势开阔，地貌形态主要由河谷及孤山组成。河谷发育不对称，右岸为孤山，发育有高低漫滩、河床及Ⅰ级阶地等。

孤山：位于右岸，地形起伏，为构造剥蚀残山，地面高程130～200m，高差较大。

高漫滩：分布在左岸，宽90～230m，地面高程130.00～131.90m。

低漫滩：略高于河床，高程为128.6～130.0m。左岸宽130～250m；右岸零星分布，宽45m左右。

河床：宽浅，地形平坦，高程为119.00～128.50m，切深为2.0～5.0m。枯水期水面宽100～150m，水深0.5～1.0m。

Ⅰ级阶地：左岸阶面高程131.60～132.50m，阶面宽500～800m，右岸阶面高程129.50～132.70m，阶面宽约500m，主要分布于蔡砦村南侧。

由于在白河倒虹吸工程施工前河床部位采砂现象严重，导致工程开工时河床部位加宽，河床高程下降，局部呈深槽状。

4 围堰设计方案介绍

根据现场地形情况、规范要求、施工图纸及工期进度要求，施工导流采用分期围堰明渠泄水方式。本工程施工导流时段为非汛期，为实现快速施工，确保工期，导流分为两期实施。

4.1 一期围堰实施

利用开挖料和附近土料场进行填筑，分四块实施。第一块从白河倒虹吸上游右岸格宾石笼防护外侧约15m处至上游右岸设计混凝土护坡内侧15m处，总长约150m。第二块利用第一块部分已填筑完成的围堰，从白河倒虹吸上游右岸设计混凝土护坡外侧至下游右岸斜坡段末端防冲槽外侧15m处，总长约410m。第三块从退水闸下游格宾石笼护坡至端部格宾石笼防护外侧15m处，总长约175m。第四块考虑到白河倒虹吸退水闸排水要求，在白河倒虹吸退水闸暂停排水时，将第二块和第三块直接通过围堰连接，形成第四块，总长约125m。

一期围堰计划于2022年2月14日开工，2022年2月28日完工。

4.2 二期围堰实施

利用附近土料场的土石方，同样分四块实施。第一块从白河倒虹吸上游左岸格宾石笼防护外侧约15m处至上游左岸原混凝土岸坡内侧约15m，总长约200m。第二块利用第一块部分围堰，从上游左岸原混凝土岸坡内侧约15m处至上游管身段内侧10m，总长约400m。第三块从上游管身段内侧10m处至下游左岸格宾石笼防护外侧20m处，总长约320m。第四块根据一期围堰内主体工程进度情况，计划在一期围堰右岸范围内主体工程施工完成后，拆除部分右侧一期围堰用于过水。利用二期围堰作为施工道路，将二期围堰向前延伸约70m，延伸的区域为第四块，总长约200m。

二期围堰前三块计划于2022年2月18日开工，2022年3月6日完工，其中二期围堰第四块计划于2022年5月1日开工，2022年5月7日完工。

4.3 围堰设计

围堰为均质围堰，围堰顶设计宽度为4m，设计顶高程126.00m，填筑高度约为1.5～5.0m，围堰坡比为1∶2。为提高设备的使用率，每100m设置一处10m×6m错车平台。在围堰顶部以下40cm处每30m埋设一道DN600钢管，用于后期排水。迎水坡采用30cm厚编织袋护坡，下铺土工膜防渗(见图1、图2)。

图1 围堰施工布置

图2 围堰剖面(尺寸单位:cm)

5 围堰降排水施工方法介绍

围堰合龙后，立刻开展降排水工作，以排除围堰内积水和渗水。保持基坑干燥，支持后续主体工程施工。围堰基坑降排水分为初期排水和经常性排水两类。

5.1 初期排水

5.1.1 初期排水能力计算

初期积水量：一期、二期围堰共分为8个部位，存水面积约为30000m2，平均水深约为3.0m，积水量为90000m3。

基坑渗漏水和围堰渗水按200m3/h计。基坑积水三天排完，每小时排水量90000m3/(24h×3)+200m3/h=1450m3/h。

排水能力按下式计算：

Q水=Q实/αηγ=1450/(0.9×0.8×0.95)

≈2119.88m3/h

(1)

式中Q水——水泵排水能力，m3/h；

Q实——实际排水量，m3/h；

α——时间利用系数，取0.9；

η——水泵平均效率，取0.8；

γ——水泵平均泄漏系数，0.95。

结合施工期经常性排水需求，按需要选择水泵及布置形式(见表1、图3)。

表1 初期排水水泵选型

图3 初期排水泵布置

5.1.2 初期排水水泵布置

一期围堰分四块施工，第一块布置2台7.5kW污水泵和1台11kW污水泵；第二块面积大，在倒虹吸管身两侧上下游布置3台22kW泥浆泵、3台11kW污水泵和3台7.5kW污水泵，22kW泥浆泵和11kW污水泵间距20m布置1台，7.5kW污水泵间距40m布置一台；第三块布置2台7.5kW污水泵和1台11kW污水泵，出水通过预埋在围堰顶内的钢管排入河道中。退水闸正在进行生态补水，第四块围堰暂时不能施工。

二期围堰分四块施工，第一块布置1台7.5kW污水泵和1台11kW污水泵；第二块在倒虹吸管身上游布置3台11kW污水泵和3台7.5kW污水泵；第三块在倒虹吸管身下游布置3台22kW泥浆泵、2台11kW和2台7.5kW污水泵，22kW泥浆泵和11kW污水泵间距20m布置一台，7.5kW污水泵间距40m布置一台，出水通过预埋在围堰内的钢管排到河道中。一期围堰主体施工完毕后，拆除一部分围堰过水，并将二期围堰向前延伸形成第四块。在倒虹吸管身下游布置3台22kW泥浆泵、2台11kW污水泵，出水通过预埋在围堰顶内的钢管排入河道中。

水泵采用人工配合挖掘机进行安装，采用发电机组供电。排水时应注意水面下降速度，如果速度过快易引起堰体失稳，威胁工程安全。排水时派专人全天候值班，发现问题立即汇报，及时采取补救措施。考虑到抽水设备长时间运行易损坏，为保证抽水工作的顺利，多余的水泵放在现场备用(见图3)。

5.2 经常性排水能力计算

降雨汇水：一期、二期基坑集水面积约30000m2，围堰使用期为枯水期，降雨量较小，最大日降雨量按5mm考虑。最大时降雨量(0.05m/24)×30000=62.5m3。

基坑渗水：基坑紧邻白河，地下水位与河水位相近，加之覆盖层为砂砾石，基坑涌水量主要为临河水流及基坑上下游透水层渗水。基坑渗漏水和围堰渗水取200m3/h。

施工弃水：施工弃水包括混凝土养护用水、冲洗用水、冷却用水及施工机械用水等，按20m3/h计。

因此，经常性排水量总量为200m3/h+62.5m3/h+20m3/h=282.5m3/h

需要的水泵排水能力根据式(1)计算为282.5/(0.9×0.8×0.95)≈413.01m3/h。

经常性排水水泵选型见表2。

表2 经常性排水水泵选型

在倒虹吸管身段两侧沿围堰基脚处挖集水沟，集水沟设置于施工基面以下50cm，两侧按1∶1的坡度放坡。在集水沟内根据水位深度情况设置集水井(长1m×宽1m×深1m)，通过水泵将积水抽排出去。

一期围堰分四块施工，第一块和第二块各布置1台7.5kW污水泵和1台11kW污水泵；第三块布置1台22kW泥浆泵、2台11kW污水泵水和2台7.5kW污水泵，水深处集水井每25m布置一眼，水浅处集水井每50m布置一眼；第四块暂时不施工，在此先不考虑。布置方案可根据现场实际抽水情况进行灵活调整。

二期围堰分四块施工，第一块布置2台7.5kW污水泵；第二块布置2台7.5kW污水泵和2台11kW污水泵；第三块布置1台22kW泥浆泵、2台11kW污水泵水和2台7.5kW污水泵，水深处集水井每25m布置一个，水浅处集水井每50m布置一眼；第四块布置1台22kW泥浆泵、2台11kW污水泵水。布置方案可根据现场实际抽水情况进行灵活调整(见图4)。

6 结 语

围堰的合理设计是水利工程顺利实施的基础，南水北调中线干线工程白河倒虹吸防洪加固工程充分分析工程的地形地质条件，分两期共八块进行围堰施工。科学的划分和有预见性地合理安排施工顺序，优化施工组织方案，使围堰工程按期保质完成，围堰建设已于2022年5月6日全部完成。围堰内基坑排水布置考虑初期排水要求和经常性排水要求，通过排水能力计算分析，设置最优化的排水设施布置方案，提高排水效率，确保工程施工质量。倒虹吸整体防护工程已于2022年6月9日完成，较计划工期提前7天，为南水北调中线干线工程白河倒虹吸防洪加固工程后续工程顺利实施和安全度汛提供了条件。