渠道供水条件下的预制块组合围堰应用

胡 婷，熊斌豪，张士菊，陈崇德

(湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156)

1 概述

湖北省漳河水库总干渠全长18.05km，底宽20～24m，边坡1∶2，水深4.45～4.62m，流速0.9m/s，流量121m3/s，是向灌区17.4万hm2农田灌溉和120万人口生产生活输送水量的重要通道。在非灌溉的季节，总干渠水深一般维持在1.8m左右，主要是向总干渠尾段和三干渠、四干渠进口段附近的3座水厂供水。根据灌区续建配套与现代化改造工程规划，拟对桩号16+500-18+050段(总长度1550m)现有渠道混凝土边坡(厚度10cm)及护底(厚度8cm)进行凿毛，然后浇筑混凝土加厚，其中边坡厚度10cm，底板厚度12cm，混凝土强度等级C25。施工中的主要难点：一是渠道下游不能断水，保持过流量不小于2.4m3/s，满足区域内生产生活最低需水要求；二是施工中对水质不能有较大的影响；三是时间紧，任务重，安排工期仅60天时间。

2 围堰设计与施工

2.1 围堰方案比较分析

在渠道供水条件下施工围堰方案考虑了吨包袋、土石和钢筋混凝土预制块等3种形式，围堰方案比较见表1。

表1 围堰方案比较

2.2 围堰布置与断面设计

(1)围堰位置布设

①根据工程情况，在桩号16+470、17+300、17+270处等3处分别设置横向围堰。

②围堰底层安装型式采用横向，二层和三层安装型式采用纵向，且错缝安装[1]，三层上部设置二层袋装土(长40×宽30×高20cm)。

③预制块围堰安装完成，迎水面铺设彩条布，底部、上部用袋装土压实[2]。

(2)围堰的材料。采用混凝土预制块，预制块尺寸为1.5m×0.8m×0.7m(长×宽×高)，在两段0.5m处的中心位置设置2个凹型吊点，吊点顶部平预制块面。

(3)围堰断面设计

①设计最高水位。最高水位按渠道非灌溉季节时供水水深计算，取1.8m；

②堰顶超高计算

a.波浪爬高计算：

(1)

式中，hl—波浪爬高，m；V0—计算风速，m/s，采用荆门市气象资料，最大风速20.7m/s；D—风作用于水域的长度，按5倍围堰长度计算，D=0.14km。

b.水位壅高计算：

e=KV2DCOSa/2gH

(2)

式中，e—水位壅高，m；K—综合摩阻系数，取3.6×10-3；V—设计风速，按20.7m/s计算；a—围堰底部与基础的角度，取0°；g—重力加速度；H—围堰前水域水深，取1.8m。

c.安全加高：按4级临时性建筑物选定，根

据水工建筑物设计规范，安全加高值A=0.3m。

按式(1)、(2)计算，hl=0.38m，e=0.01m，安全加高0.3m，围堰高度2.49m，确定2.5m。

③围堰剖面设计。按重力式围堰设计，堰高2.5m，堰顶宽度0.8m，堰基宽度1.5m，预制块围堰剖面如图1所示。

图1 混凝土块围堰剖面(单位：cm)

(4)围堰结构设计。原渠道底板以下为块石垫层，渠道护底厚度8cm，混凝土强度等级C25，预制块围堰直接在原渠道底板上组合。

(5)堰体荷载计算

①堰体自重：

W=γh(A1+A2)

(3)

式中，W—堰体自重，kN；γh—混凝土的重力密度，(kN/m3)，取26KN/m3；A1、A2—部分围堰剖面积，m2。

从图1可以看出，堰体自重可分为A1～A2两个部分的面积，则W=64.74KN。

②静水压力计算：

P=05γ水H2

(4)

式中，P—静水压力，kN；γ水—水的密度，kN/m3，取9.8kN/m3。

按式(4)计算，P=15.88kN。

③扬压力计算：不设置帷幕灌浆孔和排水孔，因此不考虑扬压力折减系数，计算可取a=1，从图1可以看出，扬压力计算式：

WA3=γ水A3

(5)

式中，WA3—扬压力，kN；A3—围堰的面积，m2，A3=(A1+A2)。

按式(5)计算，扬压力∑U扬=24.4kN。

(6)堰体稳定校核计算

①抗剪强度公式，其抗滑稳定安全系数：

Ks=f(∑W-U)/∑P

(6)

②抗剪断公式，其抗滑稳定安全系数：

(7)

式中，B—围堰底宽度，m；根据地质资料，选取相应的参数接触面摩擦系数f=0.65，抗剪断系数f′=0.8，抗剪断凝聚力c′=0.7MPa。

(7)结构计算：根据材料力学、二维、三维数值模拟计算，单个混凝土预制块重2t，单块预制体长1.5m、宽0.8m、高0.7m。

2.3 围堰施工流程

(1)施工与导截流采用两阶段布置。第一阶段：利用1#和2#围堰截流，抽水机组导流，完成16+500～17+300段衬砌施工；第二阶段：利用3#围堰和三、四干渠进水闸截流，抽水机组导流，完成17+300～18+050段衬砌施工。施工平面布置如图2所示。

(2)施工流程与施工工艺

①准备工作。与渠道管理、交通、电力、周边居民小区、街道办事处等单位协调、协商，调节总干渠水位，解决施工外部环境，创造施工条件[3]。

②1#、2#围堰施工。按照设计图纸，预制块由专业厂家采购并运输至现场吊装。

③安装抽水及用电设施。a.排水钢管采用压力钢管，直径Φ500，厚度10mm，布置在左侧渠顶，穿桥钢管布置在钢管架上。b.钢管架采用Φ48钢管搭设。c.变压器、输电线等安装由专业人员进行。d.管道及水泵安装完成设备调试合格后，进行抽排水作业。

④导流及基坑内排水。4台95KW水泵架设在1#围堰顶，其中1台水泵对基坑积水向2#围堰下游进行抽排，其余3台水泵抽取上游渠道内水量，确保下游供水。

⑤清淤、凿毛。a.采用推土机将淤泥汇集，挖机配合自卸汽车挖装外运，高压水管抽水对渠底、渠坡表面淤泥进行冲洗。b.凿毛采用手持凿毛机及人工相结合的方式。

⑥混凝土衬砌浇筑。按设计要求对基面处理、伸缩缝设置、土工膜铺设、模板架立等进行检查验收；混凝土采用泵送入仓，按规范要求控制塌落度、振捣及浇筑工艺[4]；混凝土表面采用收光机磨光；混凝土终凝后，进行洒水养护[5]，养护时间直至渠道通水。

⑦验收。严格按照相关验收评定规程，对基础面(凿毛)、混凝土施工缝、混凝土浇筑、混凝土外观质量等工序进行评定、验收。严格落实三检制度[6]。

⑧抽排水及临时用电设施移位。按照工程进度情况，由安装的专业人员对抽排水及临时用电设施转移到新的安装地点或拆除归还原单位。

⑨拆除围堰。渠道衬砌施工完成，具备通水条件后，立即进行围堰拆除；拆除方法为人工配合吊车与自卸货车进行；由于总干渠水深在1.8m左右，当拆除最底层预制块时，需要根据现场水深情况，聘请专业潜水人员作业。

⑩3#围堰施工。按照上述步骤重复施工流程、工艺。

3 质量、安全控制措施与效益分析

3.1 施工重点、关键点分析

(1)预制块装配式围堰在吊装组合过程中，安放应平整、稳固，上下层、左右之间不得留有缝隙，尤其是水下组合施工，对吊装作业要求较高[7]。

(2)渠道施工期间，必须确保下游供水在时间、数量、水质上符合要求。

(3)工地位于荆门市区，多条大道跨越施工区域，渠道左岸有多个居民小区，存在人员密集，车流量大，现场情况复杂等问题，因此，外围协调、安全及文明施工要求高。

(4)安排4台95kw水泵同时进行抽水导流，由于功率较大，对供电保证率要求较高；另外，设备需要连续不间断运行，保障设备安全运行、稳定，是工程建设进展顺利的关键。

(5)导流引水管需穿过市区多条主干道路、多座桥梁与涵闸等建筑物，做好导流引水管的安装是工程建设重点之一。

(6)围堰施工是在水中、岸边临水作业，安全工作非常重要。

(7)施工工期要求紧迫，需要在2个月内完成新建围堰、导流、基坑抽排水、渠道清淤、渠道衬砌等工作，需要环环相扣，紧密进行。

(8)围堰拆除时，在确保下游最低流量的水位下，确定拆除顺序并按此进行拆除。防止龙口水位过高冲刷围堰等。进行水下拆除时，请专业潜水人员配合吊车进行拆除作业[8]。

3.2 质量、安全控制措施

(1)质量控制措施。清淤、凿毛、模板架立、混凝土运输与浇筑等严格落实三检制度，保证工程施工质量。

(2)安全控制措施。保证安全必要的投入；所有机械操作人员持证上岗，做到定人定机，保持设备完好率[9]；根据工程特点，制定专项应急处置措施，包括应急组织、救援程序、应急物资、应急响应、应急措施等，确保工程施工安全[10]。

3.3 效益分析

(1)经济效益。工程于2022年灌溉季节结束后的9月中旬日开工，11月中旬完工，总工期60天(包括围堰及导流工程的施工)，质量评定为合格，无人员伤亡和机械设备事故等，实现了预期的目标任务。

(2)社会效益。在施工中，保证了荆门市城区及周边乡镇120万人的生产生活供水，供水水质符合相关标准，施工区域内社会秩序井然，取得了显著的社会效益。

(3)水环境效益。施工期间，据有关部门监测，水质总体变化不大，各项指标均控制在允许范围内，且没有出现城市管理部门处罚、居民投诉等事件。

4 结语

钢筋混凝土预制块装配式组合围堰为重力式，具有单个混凝土块体积大且可重复利用、稳定性牢固、便于拆除、安装简单、不污染水质、抗冲防渗性能好、占地范围小、适用性强、安全性高、可以两面挡水及经济等特点。在应用实践中，具有简化了施工工序，节省了施工时间，改善了施工环境，提高了施工效率等效果。但这种围堰仅适合于河床狭窄、流速较小的特定区域应用，并对操作人员的技术要求较高，因此，在选择具体围堰方案时，应综合多方面的因素统筹考虑。