滁州内城河闸站施工“双围堰+双导流”设计

龚 华

(安徽水安建设集团股份有限公司,安徽 合肥 230601)

滁州市内城河闸站处于内城河和清流河河道交汇处,其主要构筑物部分延伸至清流河河道中部,上游连接段延伸至内城河;滁州市内城河闸站主体结构施工前需要对清流河进行导流施工。相比传统的单一导流方式,内城河闸站工程水下结构施工期需对内城河、清流河同时导流方能提供合理的施工空间。

1 导流标准确定

内城河闸站工程等级为Ⅲ级,主要建筑物3级,次要建筑物4级,根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL303-2004)的有关规定,相应临时建筑物为5级。工程施工围堰采用土石围堰结构,其导流设计洪水标准为5～10年一遇洪水重现期。考虑到本工程规模和汛期洪水位,工程安排在非汛期施工,选用5年一遇设计洪水标准。施工期水位、流量如表1所列,其中清流河施工期10-4月的洪水规模最大,对应水位、流量分别为8.03 m、113.0 m3/s,另外内城河流量约为清流河流量的5%。

表1 清流河施工期水位、流量成果表

2 导流方案的确定

由于各建筑物所处位置在内城河、清流河中间,进行基坑开挖和水下主体建筑物工程施工时不具备分期导流施工条件。

清流河施工时段5年一遇最大流量为113 m3/s,河道具有通航要求且构筑物位于河道中间,清流河左右岸有5孔老桥相连无法拆除,施工条件受限;综上,采用土石围堰束窄河床兼顾导流明渠右岸,切削清流河左岸以满足施工期过水要求,进而形成导流明渠左岸。

内城河段施工期5年一遇最大流量为6 m3/s,具备全河床断流围堰导流施工条件;厂区道路主要布设在清流河右岸和内城河左右2岸,只有涵管导流满足通行要求。

清流河汛期洪水的主要特点是来势猛而排泄不畅,上游沙河集水库汛期调峰来水集中且流量大;为确保施工安全和汛期清流河过流要求,施工期跨2个汛期。为减少围堰工程量,降低投资,清流河围堰采用过水围堰的导流方式。

3 导流施工程序

导流时段取10-4月,清流河与内城河交汇处河口水位11 m,清流河施工时段5年一遇最大流量为113 m3/s,清流河和内城河导流示意如图1所示。

图1 清流河、内城河导流示意图

工程导流施工共分为5个阶段,具体程序如下:

(1)阶段1。第1年1月6日至1月20日,切削清流河左岸至满足施工期过水要求,形成导流明渠左岸;第1年1月16日至1月30日,利用切削土方填筑清流河围堰至12 m高程,形成清流河导流体系。

(2)阶段2。第1年2月1日至2月15日,自下游安装内城河导流双排涵管;第1年2月15日至2月28日,施打双排拉森钢板桩中间填土形成钢板桩围堰(围堰高程12 m、钢板桩桩顶高程11 m),兼顾施工厂区道路。

(3)阶段3。第1年3月1日至5月1日,双导流完成后进行基坑开挖、基础处理、桩基施工。

(4)阶段4。第1年5月1日至9月30日,汛期不施工,清流河围堰从12.0 m高程拆除至8.0 m高程,基坑过水。

(5)阶段5。第1年10月1日至第2年4月30日,汛期后恢复清流河围堰至12 m高程,完成泵房、闸室、通航孔等所有水下工程施工;拆除清流河、内城河围堰封堵导流涵管。

4 水力计算

4.1 河道过水断面复核

内城河入清流河河口设计洪水位成果如表2所列。

表2 内城河入清流河河口设计洪水位成果表 m

清流河导流明渠和围堰形成后,须分别复核10年一遇、20年一遇及50年一遇水位时的河道过水横断面面积是否满足原状河道过水面积,水位分别达到14.00 m、15.02 m、15.80 m。因为围堰顶高程为12 m,按照最不利条件12 m高程以上过水面积不变计算,只要复核计算12 m高程以下河道过水面积即可。主要是:①导流明渠12.0 m高程以下过水断面面积:(30+24+30)×6÷2=252 m2;②原河道12.0 m高程以下过水断面面积即围堰拦截填筑横截面面积:134.27 m×7.307 m÷2+(134.27 m+183.07 m)×2÷2=807.90 m2;③汛期围堰净阻水截面面积即过水需要补偿河道横断面面积:807.90 m2-252 m2=555.9 m2;④按照主汛期围堰需要拆除面积等于河道过水需要补偿的面积,核算围堰拆除高度,如果围堰拆除4 m高的面积为(134.27 m+183.07 m)×2÷2+(99.57 m+183.07 m)×2÷2=599.9 m2大于555.9 m2。因为599.9 m2满足过水最低补偿截面555.9 m2要求,所以拟定汛期围堰从12 m高程拆除到8 m高程。

内城河段施工期5年一遇最大流量为6 m3/s,清流河施工时段5年一遇最大流量为113 m3/s,由于内城河流量较小,仅为清流河流量的5%,故本文不再重复计算。

4.2 过水流量与流速复核

(1)流量。按照清流河5年一遇最大流量(10-4月)113 m3/s,计算上游遵阳街老5孔桥处流速:经过实际测量,上游遵阳街老5孔桥桥孔12.0 m以下过水断面长度为54 m左右宽,过水高度6 m高,过水面积为54 m×6.0 m=324 m2,水流流速为113 m3/s÷324 m2=0.35 m/s。

(2)流速。导流明渠的过水断面面积为252 m2,5年一遇河水全部通过导流明渠时的水流最大流速为113 m3/s÷252 m2=0.45 m/s,为低流速,满足水流通过。

5 导流建筑物设计及稳定计算

5.1 内城河导流及围堰设计

5.1.1 导流涵管设计

内城河上游城西水库不经过内城河泄流,闸站上游护坦外边线到京沪铁路距离为38 m,清流河施工水位为9～10 m,两个枯水期内在内城河右岸布置双排直径2 m涵管进行导流,导流涵进口开口位置设置在内城河南岸距离铁路东边线8 m,设计导流量为6.3 m3/s,进水口底高程为8 m,出水口底高程为7 m,长度约为230 m,纵向坡度约为4‰。内城河导流涵管剖面图如图2所示。

图2 内城河导流涵管剖面图

5.1.2 双排拉森钢板桩围堰设计

地质报告显示内城河淤泥底高程为0 m,设计内城河围堰为双排拉森钢板桩围堰,钢板桩围堰顶高程为12 m(钢板桩顶高程为10 m),围堰长度约为50 m,钢板桩内回填土并压实,双排钢板桩间距为10 m,钢板桩围堰两侧放坡为1∶1,背水面坡脚离上游护坦外边线5 m,上游迎水面坡脚离铁路桥墩东边线8 m。内城河双排拉森钢板桩围堰如图3所示。

图3 内城河双排拉森钢板桩围堰示意图

5.2 清流河导流及围堰设计

5.2.1 导流明渠设计

清流河导流标准为枯水期5年一遇113 m3/s,水位为11 m的情况下采用明渠底宽30 m,坡比1∶2,顶高程为12 m,明渠顶口宽为50 m,明渠上游底高程为6.5 m,下游底高程为6.0 m,明渠长度约为250 m,流水坡度为2.0‰。清流河导流明渠具体剖面图如图4所示。明渠进出口20 m范围内采用堆抛石护脚护岸防冲刷,其它部位明渠采用土工布覆盖保护边坡。

图4 清流河导流明渠剖面图

5.2.2 围堰设计

清流河围堰闸站主体和新增扶壁式主体挡墙采用整体式围堰,上游围堰迎水面堰脚到遵阳街桥距离为60 m,围堰堰顶高程为12 m,底高程最低为2 m,围堰顶宽为5 m,迎水面坡比为1∶5,在坡脚至正常水位10.5 m高程以下采用抛石护脚护坡,预防水流冲刷围堰边坡失稳,10.5 m以上高程采用土工布覆盖保护边坡,预防下雨水位上升变化水流和雨水冲刷边坡。

清流河围堰断面如图5所示。其堰顶高程为12 m,堰顶设计宽为5 m,围堰填筑最大高度10 m左右。迎水面坡度水上为1∶3,水下为1∶5,背水面坡度水上为1∶3。填筑土料的质量均符合填筑土料的要求。

图5 清流河围堰断面示意图

5.3 清流河围堰抗滑稳定计算

根据《水利水电施工组织设计规范》第3节规定,土石围堰边坡稳定安全系数:3级,K不小于1.20;4级～5级,K不小于1.05。本项目的围堰属于5级,安全系数考虑安全储备按照大于1.2选取。本次计算采用瑞典条分法进行:围堰堰顶高程12 m,最高水位11.5 m,坝顶宽5 m,迎水面高程2～10.5 m处坝坡为1∶5,高程10.5～12 m处坝坡为1∶3,背水面坝坡为1∶3。由于围堰上无恒载,故不考虑外部荷载。

5.3.1 计算原理

根据土坡极限平衡稳定进行计算。自然界匀质土坡失去稳定,滑动面呈曲面,可将滑裂面近似成圆弧计算。将土坡的土体沿竖直方向分成若干个土条,从土条中任意取出第i条,不考虑其侧面上的作用力时,该土条上存在着:①土条自重;②作用于土条弧面上的法向反力;③作用于土条圆弧面上的切向阻力。将抗剪强度引起的极限抗滑力矩和滑动力矩的比值作为安全系数,考虑安全储备的大小,按照《水利水电施工组织设计规范》要求,安全系数要满足≥1.2的要求。

5.3.2 计算公式

(1)

其中,K为边坡稳定安全系数;γ为土层的计算重度;b为第i条土条的宽度;φ为土层的内摩擦角;Hi为第i条土条的切向力;αi为第i条土中线处法线与铅直线的夹角;c为土层的粘聚力;li为第i条土条的圆弧长度;hi为第i条土的平均高度。

5.3.3 稳定计算

根据上述原理按1∶1比例画出坝体横剖面图,采用列表的方法进行计算,并确定危险滑弧圆心的范围。圆心o1的铅垂线作为1号土条的中线,向左右两侧量取土条,向左的编号为1,2,3,4,5;向右的编号为-1,-2,计算过程如下:

tanφ=tan6°=0.105 1;

弧长li=πR/180×φ=3.14×26.343÷180×6=2.758 6 m。

将有关数据代入公式计算,求坝坡的稳定安全系数。K=1.602 8>1.2,经计算围堰断面符合设计安全稳定性的要求。

清流河围堰抗滑稳定计算横剖面如图6所示。

图6 清流河围堰抗滑稳定计算横剖面图

6 结束语

内城河闸站位于内城河入清流河河口中间处,等级为Ⅲ级,主要建筑物3级,工程实施后解决了滁州遵阳老街长年汛期受淹问题,保障群众生命和财产安全。清流河为长江一级支流滁河的左岸支流,承担汛期沙河集水库、城西水库调峰作用,内城河闸站水下主体工程施工跨2个汛期不具备施工条件。在内城河闸站实施的第1年(2020年)汛期,受“莲花”台风影响,2020年8月18日清流河围堰顺利过水、淹没本工程基坑,未对滁州市城区防汛工作造成任何影响,另外经2020-2022年期间多次验证,表明本工程导流设计的合理性。