汉江雅口航运枢纽工程一期围堰结构优化设计

郭玉涛，李润杰，陈志晧

（1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

0 引言

围堰属临时性水工建筑物，在基坑排水后，形成干地施工条件，可保证永久建筑物顺利施工。 围堰按其使用材料可分为土石围堰、混凝土围堰、浆砌石围堰、钢板桩围堰、竹笼围堰、木笼围堰及草土围堰等。其中，土石围堰有可充分利用当地材料、施工工艺简单、拆除简便等优点，在我国水利水电工程中的应用最为广泛［1］。 但是，传统土石围堰又具有填筑工程量大、工期长、防渗及防冲刷要求高等缺点。 因此，如何在充分利用土石围堰地基适应性强、便于就地取材特点的基础上，选择技术可行、安全可靠、经济合理、绿色环保，并能使工程尽早发挥效益的围堰结构是水利工程建设的一项重要研究内容。

汉江雅口航运枢纽一期围堰工程用粉细沙代替土石料进行堰体填筑，用充填沙袋代替非直接冲刷段的戗堤， 用模袋混凝土代替钢筋石笼护坡、雷诺护坡，构建了一种新型土石围堰结构，减小了围堰结构断面，降低了围堰对块石及其他传统堰壳填料的依赖性，减少了土石围堰的整体工程量。 同时，由于其堰壳填筑及防护结构施工的便利性，加快了施工进度，缩短了工期。 笔者对汉江雅口航运枢纽一期围堰工程的结构设计进行探讨，以期为大型土石围堰的设计和施工提供新思路。

1 工程概况

1.1 工程枢纽

汉江雅口航运枢纽工程位于汉江中游丹江口～钟祥河段，距湖北省宜城市15.7 km，是一座以航运为主，兼顾发电、灌溉、旅游等水资源综合开发的水利工程［2］。 该工程上距丹江口水利枢纽203 km，下距河口446 km，是汉江干流湖北省内梯级开发规划中的第6 级，其上下游分别与崔家营航电枢纽和碾盘山水利枢纽衔接，距上游崔家营航电枢纽约52.67 km，距下游碾盘山水利枢纽约59.38 km。 汉江雅口航运枢纽工程水库正常蓄水位为55.22 m，相应库容为3.37 亿m3，机组总装机容量为75 MW，航道等级为Ⅲ（2）级，设计通航船舶吨级为1 000 t，其主要建筑物包括船闸、泄水闸、发电厂房、土石坝、坝顶交通桥、鱼道等。

1.2 导流方式

该工程分2 期导流。 一期围右岸船闸、电站厂房与右岸16 孔泄水闸，船闸具备通航条件后，进行二期截流。二期围剩余的泄水闸。施工前，先进行下游河道疏挖和临时航道疏浚，由主河床过流及通航。一期围堰属于大型围堰，围堰轴线长为4.3 km，面积为126 万m2，采用全年土石围堰，导流洪水标准全年为10 年一遇，Q＝13 500 m3／s。

1.3 一期围堰工程地质条件

一期围堰位于右岸河床，覆盖层为第四系冲积层：上部为粉细沙，厚为0.5～12.1 m，下部为沙砾石层夹粉细沙透镜体，厚为11.0～17.3 m。 下伏基岩为新近系黏土岩、粉细沙岩和沙砾岩，岩层单斜，产状平缓，未发现有断层通过，基岩面出露高程为26～35 m。堰基地下水为孔隙水，粉细沙渗透系数为2×10-3～5×10－3cm／s，属中等透水层；沙砾石渗透系数为2×10－2cm／s，属强透水层；新近系岩石透水率＜10 Lu，属弱透水带。粉细沙的抗冲刷流速为0.25 m／s，沙卵砾石的抗冲刷流速为0.50 m／s， 黏土岩的抗冲刷流速为0.60 m／s，沙砾岩的抗冲刷流速为2.50 m／s。

2 一期围堰原设计及其存在的问题

2.1 典型断面

根据坝址区水文地质条件， 对围堰进行分段设计。

2.1.1 上游围堰典型断面

一期上游围堰分2 层修筑。 第一层（高程50.00 m 以下）采用块石、沙卵石双戗堤（坡比为1∶1.5），中间采用开挖料填筑， 块石戗堤与开挖料之间铺设2 m 宽的混合沙砾石料， 并沿围堰中心线做高喷灌浆处理；迎水面做10 m×3 m（宽×厚）的抛石护底、1 m 厚的抛石护坡。 第二层按1∶3 坡比填筑， 顶部高程为56.00 m，宽为8 m。填筑时，中间设置黏土心墙，迎水面做0.3 m 厚的雷诺护垫护坡，背水面做0.3 m 厚的沙袋护坡。 具体断面设计如图1 所示。

图1 一期上游围堰典型断面原设计图Fig.1 Original design drawing of upstream typical section of first-phrase cofferdam

2.1.2 纵向围堰典型断面

一期纵向围堰分2 层修筑。 第一层（高程49.80 m以下）采用块石、沙卵石双戗堤（坡比为1∶1.5），中间采用开挖料填筑， 块石戗堤与开挖料之间铺设2 m宽的混合沙砾石料，沿围堰中心线做高喷灌浆处理。第二层按1∶3 坡比填筑，顶部高程为56.00～54.40 m，宽为8 m。 填筑时，中间设置黏土心墙，迎水面做1 m厚的钢筋石笼护坡，背水面做0.3 m 厚的沙袋护坡。具体断面设计如图2 所示。

图2 原设计一期纵向围堰典型断面图Fig.2 Original design drawing of typical section of first-phrase longitudinal cofferdam

2.1.3 下游围堰典型断面

一期下游围堰也是分2 层修筑。 第一层（高程49.80 m 以下）采用块石、沙卵石双戗堤，坡比为1∶1.5，中间采用开挖料填筑， 块石戗堤与开挖料之间铺设2 m 厚的混合沙砾石料， 沿围堰中心线做高喷灌浆处理；迎水面做10 m×3 m（宽×厚）的抛石护底、1 m厚抛石护坡处理。第二层按1∶3 坡比填筑，顶部高程为54.40 m，宽为8 m。 填筑时，中间设置黏土心墙，迎水面采用0.3 m 厚的雷诺护坡，背水面采用0.3 m厚的沙袋护坡。 具体如图3 所示。

图3 原设计一期下游围堰典型断面图Fig.3 Original design drawing of typical section of first-phrase downstream cofferdam

2.2 原设计一期围堰施工存在的问题

2.2.1 工程量大、工期紧、施工强度高

原设计一期围堰土方填筑量约为86 万m3，块石填筑量约为33 万m3，坡面防护约17 万m2，工程量大。 由于工程招投标的延迟，开工时，枯水期已经过去一半，剩余可施工时间不足4 个月。由于在汛期来临前，必须完成所有工作内容，所以施工强度高，交叉作业干扰大。

2.2.2 块石需求量大，难以供应

原设计采用块石戗堤、 抛石护坡、 雷诺护垫护坡、钢筋石笼护坡等方案，所需块石量大，约为33 万m3。 而该工程位于湖北省宜城市境内， 地处江汉平原，工程区周边40 km 范围内，缺少块石料源。 加之进场初期，进场道路施工暂未完成，材料运输通道仅有乡村道路，不具备重载车辆通行条件，致使材料运输困难。

2.2.3 沙袋护坡、钢筋石笼及雷诺护坡施工效率低

原设计围堰防护工程采用沙袋护坡、 钢筋石笼护坡及雷诺护坡， 工程量大、 施工机械化程度低，而且受堰顶施工平台制约，无法实现大面积同时施工，施工效率低。

2.2.4 护坡不能满足要求

由于坝址区覆盖层为第四系冲积层， 上部粉细沙层较厚，卵石料主要在地下5 m 以下且含量少，因此堰体填筑料只能采用粉细沙。 而粉细沙具有含水量大、失水快、渗透性强、土质松散、不易压实、抗冲刷能力差等特性，原设计的沙袋护坡、钢筋石笼及雷诺护坡的渗透性较强，粉细沙堰体容易被冲刷破坏，达不到保护堰体的作用。

3 优化后的围堰结构及施工特点

3.1 围堰结构

通过调研国内类似工程围堰施工技术［3－8］，结合该工程的实际情况， 采用粉细沙代替土石料进行堰体填筑，采用充填沙袋代替非直接冲刷段的戗堤，采用模袋混凝土代替钢筋石笼护坡和雷诺护垫护坡，采用塑型防渗墙＋复合土工膜防渗体系代替高喷灌浆＋黏土心墙的防渗体系， 并对优化后的围堰结构进行断面设计及稳定、抗冲刷复核验算［9］，验证了优化结构的可行性。

3.1.1 上游围堰典型断面

一期上游围堰分2 层填筑。 第一层（50.50 m 以下）采用块石戗堤（坡比1∶1.5），中间采用开挖料填筑，块石与开挖料之间铺设2 m 厚的混合沙砾石料。围堰中心线处设置60 cm 厚的塑性防渗墙。 迎水面做10 m×1.5 m（宽×厚）的抛石护底、1 m 厚的抛石护坡；背水面做5.0 m 宽的充填沙袋护坡。 第二层迎水面按1∶3 坡比填筑， 背水面按1∶2 坡比填筑，中间设复合土工膜。迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土护坡，背水面做2.5 m 宽的充填沙袋护坡。 堰顶高程为56.00 m，宽为8 m，顶部设置30 cm 厚卵石垫层＋20 cm 厚碾压混凝土道路。 具体断面设计如图4 所示。

图4 优化后的一期上游围堰典型断面图Fig.4 Optimized typical section drawing of first-phrase upstream cofferdam

3.1.2 纵向围堰典型断面

一期纵向围堰分2 层修筑。 第一层（高程50.30 m 以下）采用块石戗堤（坡比1∶1.5），中间采用开挖料填筑， 块石与开挖料之间铺设2 m 厚的混合沙砾石料，沿围堰中心线做60 cm 宽的塑性防渗墙；迎水面设置10 m 宽防冲堆石体， 底部铺设200 g／m2的丙纶布沉排；背水面做5.0 m 宽的充填沙袋护坡。 第二层迎水面按1∶3 坡比填筑， 迎水面按1∶2 坡比填筑，中间设复合土工膜。迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土护坡，背水面做2.5 m 宽的充填沙袋护坡。 堰顶高程为56.00 m，宽为8 m，顶部设置30 cm 厚卵石垫层＋20 cm 厚碾压混凝土道路。 具体断面设计如图5 所示。

图5 优化后一期纵向围堰典型断面图Fig.5 Optimized typical section drawing of first-phrase longitudinal cofferdam

3.1.3 下游围堰典型断面

一期下游围堰分2 层修筑。 第一层（高程50.30 m 以下）采用块石戗堤（坡比1∶1.5），中间采用开挖料填筑， 块石与开挖料之间铺设2 m 厚的混合沙砾石料，沿围堰中心线做60 cm 宽的塑性防渗墙；迎水面做10 m×1.5 m（宽×厚）的抛石护底、1 m 厚的抛石护坡，底部铺设200 g／m2的丙纶布沉排；背水面做5.0 m 宽的充填沙袋护坡。第二层迎水面和背水面均按1∶3 坡比填筑， 且中间设复合土工膜。 迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土护坡，背水面做2.5 m 宽的充填沙袋护坡。 堰顶高程为56.00 m，宽为8 m，顶部设置30 cm 厚卵石垫层＋20 cm 厚碾压混凝土道路。 具体断面设计如图6 所示。

图6 优化后一期下游围堰典型断面图Fig.6 Optimized typical section drawing of first-phrase downstream cofferdam

3.2 施工特点

3.2.1 减少了围堰整体工程量

优化后， 一期围堰土方填筑量约为64.2 万m3，块石填筑量约为10.1 万m3，充填沙袋约22.4 万m3，塑性混凝土防渗墙约为10 万m2， 模袋混凝土约为2.32 万m2， 总体填筑工程量减少约22.3 万m3。 其中，土方填筑量减少约19.8 万m3，块石填筑量减少约22 万m3，增加充填沙袋约22.4 万m3。

3.2.2 提高了施工效率，加快了工程施工进度

采用充填沙袋代替非直接冲刷段的戗堤以及背水面的沙卵石戗堤， 同时采用丙纶布沉排＋块石护底、护坡，减小了断面尺寸，减少了约22 万m3的块石用量，不仅缓解了道路运输压力，还能不受块石戗堤单头进占的影响，在水面增开多个工作面，从而提高了施工效率。

采用充填沙袋护坡代替沙袋护坡、 采用模袋混凝土护坡代替钢筋石笼及雷诺护垫护坡， 施工机械化程度大大提高， 而且施工方法简单、 便于就地取材，加快了护坡工程的施工进度。 同时，由于土工织物的渗透性较小，提高了边坡的抗冲刷性，为粉细沙堰体的填筑提供了保障。

3.2.3 粉细沙堰体填筑施工速度快， 且充分利用了当地原材料

粉细沙堰体填筑采用碾压法和水力冲填法相结合的方法，其中，水力冲填法施工不仅合理地利用了河床及滩地的粉细沙、 厂房及泄水闸等开挖的弃渣料， 而且相对于常规填筑法， 它也具有施工工序简单、进度快等优点。 同时，由于水力冲填采用水下取料，取料深度不受水的限制，在取相同体积料源的条件下，水力冲填相对常规填筑所需料场面积较少。

3.2.4 塑性防渗体＋复合土工膜防渗体系加快了防渗工程的施工进度

塑性防渗墙＋复合土工膜防渗体系是一种常见的防渗形式［10］。 塑性混凝土防渗墙施工程序简单，便于机械施工，从而加快施工进度。 复合土工膜防渗材料透水性小、性能可靠、施工方式简单快捷。 同时，由于一期围堰工程坝址区粉细沙及沙卵石覆盖层深厚，高喷灌浆的可灌性差、浆体流失量大，难以形成完整的防渗帷幕，容易影响围堰防渗效果。

3.2.5 围堰结构绿色环保

传统的土石围堰一般采用块石戗堤， 沙砾料及石渣料等非黏性土料进行堰体填筑， 且以钢筋石笼和雷诺护坡。这种围堰结构占地面积大、材料需求量大，而且工期长、工程造价高，对于施工工期短、材料供应难的土石围堰适用性低。 该工程优化后的围堰结构采用充填沙袋戗堤、 模袋混凝土及充填沙袋护坡，在保证工程质量和施工安全的前提下，减少了外购土石料的工程量，充分利用了当地粉细沙、沙卵石等天然建筑材料， 降低了围堰施工对环境的负面影响，达到了经济、环保和快速施工的目的。

4 实际应用效果

4.1 顺利按节点要求完成围堰施工

汉江雅口航运枢纽工程一期围堰结构优化后，减少了围堰的整体工程量， 同时减少了块石的填筑量， 增加了便于机械化施工的充填沙袋及模袋混凝土用量，加快了围堰施工进度，顺利地在夏汛来临前完成了围堰的整体施工。

4.2 防渗效果良好，基坑渗水量远小于设计估算量

一期围堰基坑围护面积约106 万m2，泄水闸及厂房基坑开挖完成后， 实测基坑经常性排水量约为300～400 m3／h， 远远低于施工组织设计中估算的经常性排水强度703 m3／h， 实际排水设备及用电量大大减少。

4.3 成功抵御了超设计标准洪水

2017 年， 一期围堰经历了多年不遇的汉江秋汛，安全度过了超10 年一遇设计洪水。 该次秋汛自9 月27 日至10 月19 日，历时长达23 d，其中10 月5 日～7 日的洪水流量持续超过围堰设计防洪标准13 500 m3／s，期中最大洪峰流量为15 400 m3／s，最大流速为6～7 m／s。 在超标准洪水工况下，围堰堰体内侧坡面坡脚无任何冲刷和管涌破坏现象， 无明显渗漏水逸出点，基坑内排水量无明显变化。

4.4 围堰沉降稳定

一期围堰共布设8 个变形监测点， 形成实时监测总平面布置结构（如图7 所示）。 图7 中，J02为基准控制点，C1～C5为新增加的变形监测点，J03～J05为用前期加密控制点。经过对围堰变形监测成果分析，汛后复测最大变形值为7 mm，发生在C6位置，其余观测点变形值均在1～5 mm 之间，围堰沉降稳定。

图7 一期围堰变形监测点平面布置图Fig.7 Layout diagram of monitoring points of firstphrase cofferdam deformation

5 结语

传统的土石围堰结构占地面积大、 材料需求量大，而且工期长、工程造价高。 汉江雅口航运枢纽一期围堰工程通过优化设计，采用充填沙袋戗堤、粉细沙堰体、 充填沙袋和模袋混凝土护坡这种新型的土石围堰结构，成功解决了该工程工期紧、工程量大、土石料短缺的问题， 顺利地在节点工期内高质量地完成了工程施工。