黄沙古渡水源泵站围堰的设计与施工研究探讨

王艳琼WANG Yan-qiong

（宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，银川 750001）

1 工程概况

黄沙古渡泵站为黄河右岸临河一体式取水泵站。由进水闸、进水前池、主副厂房、输水管道及进场道路等组成。其位于黄河Ⅱ级阶地上，前缘为黄河河道，进水闸距离水边线水平距离约为17m，东侧为出露山体，山体顶高程约1128.00m，底高程约1100.00m，总高度约28m。场地勘察期间存在地下水，地下水位高程1101.10m。泵站基础坐落在泥岩层，底高程1088.60m，封闭圈顶高程1104.50m，泵站基坑深度36-38m，属于一级基坑。基坑开挖分三次开挖进行，第一次开挖为场坪高程1104.5m 以上，第二次开挖为进水闸、进水前池和封闭圈构筑物基坑开挖，高程1088.60m 至1104.50m 之间，第三次为后管坑及泵站出水管管槽开挖。

2 围堰设计

2.1 地质条件分析

泵站站址勘察期间存在地下水，地下水位高程1101.10m。且由于泵站位置处于黄河岸边，取水水位较低，基坑边坡岩性为不胶结砂岩，砂岩渗透系数3.0×10-3cm/s，中等透水层，开挖过程中黄河水不断补给，存在涌水问题，基坑需要降水。

第二次开挖受地下水及黄河水的影响，在第二次开挖开始前应完成围堰填筑，以围护施工基坑，保证后续开挖及水工建筑物能在旱地施工。

2.2 围堰设计

2.2.1 围堰型式确定

根据场地条件，该工程围堰级别为4 级，按照10 年一遇洪水设计，考虑安全超高及冬季凌汛影响，围堰堰顶高程与泵站厂区地坪高程一致，为1104.5m。围堰型式初步拟定土石围堰，考虑用基坑开挖料做为围堰回填料，但因泵站基坑开挖料以细砂为主，透水性较大，采用复合土工膜防渗。且因黄河边水流冲刷较大，参考以往宁夏黄河边水利工程建设经验，在围堰上游冲刷段采用方形吨袋装土护坡，铅丝笼块石与散抛石护脚。考虑黄河岸边基坑渗水的危害，护坡增加一层聚乙烯彩条布加强防渗。

围堰最终结构形式如下：填筑坡比为1:2，迎水面设护坡强化防渗透、防冲刷作用，护坡形式分两段，第一段为上游冲刷段，自上而下依次为：高程1098.80m 以上1.5m 厚方形吨袋、高程1098.80m 以下抛投铅丝笼石与散抛石护脚+聚乙烯彩条布+3.0m 厚基坑开挖料回填+复合土工膜；第二段为下游顺水流段，自上而下依次是方形吨袋+聚乙烯彩条布+3.0m 厚基坑开挖料回填+复合土工膜。

围堰平面布置图及结构详图如图1、图2、图3。

图1 围堰平面布置图

图2 上游冲刷段围堰结构图

图3 下游顺水流段围堰结构图

2.2.2 围堰堰顶高程计算

结合工程主体级别，确定本工程施工导流建筑物级别为4 级。施工导流围堰采用土石围堰，设计洪水标准采用10 年一遇，对应的洪水流量5530m3/s，相应水位为1102.93m。堰顶高程采用下式计算确定：

H=Zm+ha+δ

式中：H——围堰堰顶高程；

Zm——设计洪水水位；

ha——波浪爬高，取ha=1.0m；

δ——围堰安全超高，取δ=0.5m。

考虑凌汛对围堰的影响，堰顶高程分别计算10 年一遇设计洪水位和冬季平均枯水位两个工况下最大堰顶高程为最终堰顶高程。

10 年一遇设计洪水位工况：10 年一遇对应的洪水流量5530m3/s，相应水位为1102.93m，计算得堰顶高程H=1104.43m；根据黄河石嘴山站水文资料，1984-2018 年黄河12 月至2 月份日平均来水量600m3/s，相应水位1100.3m，根据历史黄河凌汛事件，凌汛水位变幅按2m 高考虑，计算得堰顶高程H=1102.3m。

上述两种情况相比较取大值，最终确定围堰顶高程为1104.43m。

2.2.3 围堰渗流稳定及抗滑稳定分析

经AUTOBANK 建模分析，黄沙古渡水源泵站围堰结构满足渗流稳定及抗滑稳定要求。

3 围堰施工

3.1 施工准备

①施工放样。

在围堰填筑前由测量人员进行施工放样，按设计图纸提供的坐标定出围堰轴线，预埋高于地面1.5m 的彩色标杆作为标志，并由工程技术人员和试验人员进行填筑前的土工试验以确定碾压参数[1]。

根据施工期和工程量合理安排施工机械和调配人员并配备一定数量的铅丝石笼和方形吨袋。

②抛投料制备。

围堰填筑结合第二次开挖进行，当基坑第二次开挖至高程1102.5m 时，正式开始围堰填筑，围堰填筑先行推填至施工期水位高程，后采用上下游双侧进占施工。围堰推填至施工期水位后，开始铅丝石笼的绑扎和方形吨袋填土。

1）方形吨袋填土。

吨袋应使用满足规格的编织袋和绑扎绳，人工将回填土料装进编织袋内，每个编织袋装土量为85%左右，用塑料绳绑扎封口，人工搬运堆放整齐等待抛投。

2）石笼装填绑扎。

石笼填料过程中，应分批、均匀向网箱内填料，避免对单个网箱一次性填满。高度≤100cm 的网箱，单次填充高度不应大于网箱高度的1/2；高度＞100cm 的网箱，单次填充高度不应大于网箱高度的1/3。

填料过程中，不同粒径的填料应按照大石码边、小石填中、相互搭接、平稳均匀的方式完成，以提高网箱填充率；填料过程中，应避免石笼出现＞15%的变形，同时避免石笼损伤[2]；填料过程中，需要机械与人工合理搭配，其中人工装填、码放对石笼结构体质量更有保障。

石料装填好后，将顶盖翻裹封顶，并将边缘绑扎结实，绑扎的搭接宽度不小于10cm。装填后的石笼应基本达到填石饱满，外形方正，扎口结实，在进占时不开口，不漏石。

吨袋及石笼装填如图4、图5。

图4 方形吨袋填土

图5 铅丝石笼绑扎

3.2 围堰填筑

结合现场实际情况，针对围堰特点，分阶段进行围堰施工。

首次填筑为施工期水位+0.5m 高程以下围堰施工。上游冲刷段：以铅丝石笼+稻草为主材、方形吨袋土枕相辅的方式进行围堰进占，形成防冲刷体系；从场坪自东向西至围堰方向按1:2.0 坡比进行堰体推进填筑，回填料采用泵站基坑开挖料，推填至高出施工期水位时，由上游至下游开始分层碾压回填，要求相对密度≥0.75，复合土工膜作为主要防渗体，加以彩条布，形成防渗体系。下游顺水流段：采用吨袋土枕进行围堰进占；泵站开挖料进行堰体推进填筑；复合土工膜作为主要防渗体，加以彩条布，形成防渗体系。

第二阶段填筑为施工期水位+0.5m 高程以上围堰施工。采用吨袋进行护坡，复合土工膜防嗮以保护吨袋；泵站开挖料进行堰体培厚加高；复合土工膜作为主要防渗体，加以彩条布，形成防渗体系。直至回填至1104.50m 高程且达到设计堰顶宽度。

由于进占体设计外坡比为1∶2，抛填过程中无法一次性达到设计坡比，施工时按照设计坡脚线控制抛填范围，水下部分填筑完成后采用长臂反铲对超填部分进行清除，修整至设计边坡[3]。

为了保证围堰填筑内外坡比达到设计要求，每填筑2～3 层后及时修坡，采用人工配合反铲及时修坡。

堰体与岸坡结合处为防渗的薄弱环节，因此在围堰填筑时应注意土工膜布与岸坡上下游两端的裹头处理。

铅丝笼块石与散抛石抛投顶宽2.0m，顶高程1098.80m，坡比1:2.5；方形吨袋自高程1098.8m 开始，厚1.5m，吨袋规格1.0m*1.0m*1.0m。

石笼和吨袋进占时由专人指挥用吊车吊起，使石笼平稳的滑入水中。进占时要备有充足的石笼且连续进占，减少施工冲坑。单个石笼沉放宜自下游向上游进行，以使上游石笼的下端压在下游石笼的上端，以减小水流对石笼的动力作用，达到石笼入水后衔接紧密的效果。

3.3 基坑降水

围堰基坑建基面约高程1095.00m，泵站背水侧平台宽约20～28m，后接泵站封闭圈基坑。地下水水位高程1101.00m，黄河水通过围堰堰体及基础不断渗透补给至背水侧基坑，开挖过程中可能存在涌水问题，为保证基坑开挖及后续水工建筑物可以干燥施工，基坑需要降排水。

根据《水利水电工程施工基坑排水技术规范》（DL/T5719-2015），降水应考虑初期排水和经常性排水。结合地质资料及工期安排，经常性排水主要考虑基坑渗水、基坑覆盖层中的含水量等。为保证基坑干燥施工，降排水系统主要由管井降水和明沟排水两部分组成。

基坑积水量：围堰闭气以后河床底标高以上存水量，计算得Q=36245.48m3。

基坑渗水量计算：采用理正岩土渗流分析软件进行渗水计算，计算模型选择均质土堤、透水堤基、无排水设备进行计算。

计算得单宽渗流量q=7.787m3/（d·m），围堰全长306m，渗流量Q=1557.4m3/d。

基坑覆盖层中含水量：根据《工程地质手册》（第五版），细砂给水度按照0.2 取，本工程基坑覆盖层含水量计算得Q=13910m3。

水泵选型：根据渗流计算，结合排水工期，水泵选择50m3/h 潜水泵。

管井降水：管井采用无砂砼管固壁，井径400mm，间距30m，平均深20m；排水沟沿基坑四周布置，其中：围堰背水侧施工平台处按15m 间距布设2 排，共计14 眼；封闭圈基坑内在1104.5m 马道按照15m 间距布设一排，共计19 眼；在基坑1093.3m 马道上按15m 间距布设一排，共计13 眼。井深至不透水层（约19～31m），全部共布设降水井46 眼。

明沟排水：主要由排水沟、集水坑和排水泵等组成，在封闭圈范围线外侧2m 处按1:0.75 开挖边坡沿基坑底面下挖0.5m 深，底宽0.3m 设置，同时在低洼处设置集水井3 个，先将积水排至集水坑，再集中抽排出。

初期排水的降水速度控制在0.5～0.8m/d，明沟和管井排水均抽排至黄河内。

4 结束语

土枕布袋装土后用于黄河治理工程中水下进占的抛投体，这在宁夏已十分常见。黄沙古渡泵站围堰采用高强度吨袋和铅丝石笼做为围堰护坡防冲刷体，通过加固防护围堰护坡，减少水流对围堰的冲刷，以提高围堰进占体的有效利用率。土工膜及彩条布的双重应用，有效降低黄河水通过围堰向基坑的渗透。本工程围堰堰体结构的设计及实际实施，严格控制围堰填筑及防渗施工质量，保障了施工过程中极好的防渗、抗冲刷能力。黄沙古渡泵站围堰自填筑成功到泵站封闭圈建筑物浇筑成功，围堰坚固无冲毁现象，泵站基坑没有任何渗水现象，得到工程参建相关单位的高度认可。由此，为以后同类型工程的设计和施工积累了实践经验，增加了更具实际操作性的参考意义。