滁州內城河閘站施工“雙圍堰+雙導流”設計

龔 華

(安徽水安建設集團股份有限公司,安徽 合肥 230601)

滁州市內城河閘站處于內城河和清流河河道交匯處,其主要構筑物部分延伸至清流河河道中部,上游連接段延伸至內城河;滁州市內城河閘站主體結構施工前需要對清流河進行導流施工。相比傳統的單一導流方式,內城河閘站工程水下結構施工期需對內城河、清流河同時導流方能提供合理的施工空間。

1 導流標準確定

內城河閘站工程等級為Ⅲ級,主要建筑物3級,次要建筑物4級,根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL303-2004)的有關規定,相應臨時建筑物為5級。工程施工圍堰采用土石圍堰結構,其導流設計洪水標準為5～10年一遇洪水重現期?？紤]到本工程規模和汛期洪水位,工程安排在非汛期施工,選用5年一遇設計洪水標準。施工期水位、流量如表1所列,其中清流河施工期10-4月的洪水規模最大,對應水位、流量分別為8.03 m、113.0 m3/s,另外內城河流量約為清流河流量的5%。

表1 清流河施工期水位、流量成果表

2 導流方案的確定

由于各建筑物所處位置在內城河、清流河中間,進行基坑開挖和水下主體建筑物工程施工時不具備分期導流施工條件。

清流河施工時段5年一遇最大流量為113 m3/s,河道具有通航要求且構筑物位于河道中間,清流河左右岸有5孔老橋相連無法拆除,施工條件受限;綜上,采用土石圍堰束窄河床兼顧導流明渠右岸,切削清流河左岸以滿足施工期過水要求,進而形成導流明渠左岸。

內城河段施工期5年一遇最大流量為6 m3/s,具備全河床斷流圍堰導流施工條件;廠區道路主要布設在清流河右岸和內城河左右2岸,只有涵管導流滿足通行要求。

清流河汛期洪水的主要特點是來勢猛而排泄不暢,上游沙河集水庫汛期調峰來水集中且流量大;為確保施工安全和汛期清流河過流要求,施工期跨2個汛期。為減少圍堰工程量,降低投資,清流河圍堰采用過水圍堰的導流方式。

3 導流施工程序

導流時段取10-4月,清流河與內城河交匯處河口水位11 m,清流河施工時段5年一遇最大流量為113 m3/s,清流河和內城河導流示意如圖1所示。

圖1 清流河、內城河導流示意圖

工程導流施工共分為5個階段,具體程序如下:

(1)階段1。第1年1月6日至1月20日,切削清流河左岸至滿足施工期過水要求,形成導流明渠左岸;第1年1月16日至1月30日,利用切削土方填筑清流河圍堰至12 m高程,形成清流河導流體系。

(2)階段2。第1年2月1日至2月15日,自下游安裝內城河導流雙排涵管;第1年2月15日至2月28日,施打雙排拉森鋼板樁中間填土形成鋼板樁圍堰(圍堰高程12 m、鋼板樁樁頂高程11 m),兼顧施工廠區道路。

(3)階段3。第1年3月1日至5月1日,雙導流完成后進行基坑開挖、基礎處理、樁基施工。

(4)階段4。第1年5月1日至9月30日,汛期不施工,清流河圍堰從12.0 m高程拆除至8.0 m高程,基坑過水。

(5)階段5。第1年10月1日至第2年4月30日,汛期后恢復清流河圍堰至12 m高程,完成泵房、閘室、通航孔等所有水下工程施工;拆除清流河、內城河圍堰封堵導流涵管。

4 水力計算

4.1 河道過水斷面復核

內城河入清流河河口設計洪水位成果如表2所列。

表2 內城河入清流河河口設計洪水位成果表 m

清流河導流明渠和圍堰形成后,須分別復核10年一遇、20年一遇及50年一遇水位時的河道過水橫斷面面積是否滿足原狀河道過水面積,水位分別達到14.00 m、15.02 m、15.80 m。因為圍堰頂高程為12 m,按照最不利條件12 m高程以上過水面積不變計算,只要復核計算12 m高程以下河道過水面積即可。主要是:①導流明渠12.0 m高程以下過水斷面面積:(30+24+30)×6÷2=252 m2;②原河道12.0 m高程以下過水斷面面積即圍堰攔截填筑橫截面面積:134.27 m×7.307 m÷2+(134.27 m+183.07 m)×2÷2=807.90 m2;③汛期圍堰凈阻水截面面積即過水需要補償河道橫斷面面積:807.90 m2-252 m2=555.9 m2;④按照主汛期圍堰需要拆除面積等于河道過水需要補償的面積,核算圍堰拆除高度,如果圍堰拆除4 m高的面積為(134.27 m+183.07 m)×2÷2+(99.57 m+183.07 m)×2÷2=599.9 m2大于555.9 m2。因為599.9 m2滿足過水最低補償截面555.9 m2要求,所以擬定汛期圍堰從12 m高程拆除到8 m高程。

內城河段施工期5年一遇最大流量為6 m3/s,清流河施工時段5年一遇最大流量為113 m3/s,由于內城河流量較小,僅為清流河流量的5%,故本文不再重復計算。

4.2 過水流量與流速復核

(1)流量。按照清流河5年一遇最大流量(10-4月)113 m3/s,計算上游遵陽街老5孔橋處流速:經過實際測量,上游遵陽街老5孔橋橋孔12.0 m以下過水斷面長度為54 m左右寬,過水高度6 m高,過水面積為54 m×6.0 m=324 m2,水流流速為113 m3/s÷324 m2=0.35 m/s。

(2)流速。導流明渠的過水斷面面積為252 m2,5年一遇河水全部通過導流明渠時的水流最大流速為113 m3/s÷252 m2=0.45 m/s,為低流速,滿足水流通過。

5 導流建筑物設計及穩定計算

5.1 內城河導流及圍堰設計

5.1.1 導流涵管設計

內城河上游城西水庫不經過內城河泄流,閘站上游護坦外邊線到京滬鐵路距離為38 m,清流河施工水位為9～10 m,兩個枯水期內在內城河右岸布置雙排直徑2 m涵管進行導流,導流涵進口開口位置設置在內城河南岸距離鐵路東邊線8 m,設計導流量為6.3 m3/s,進水口底高程為8 m,出水口底高程為7 m,長度約為230 m,縱向坡度約為4‰。內城河導流涵管剖面圖如圖2所示。

圖2 內城河導流涵管剖面圖

5.1.2 雙排拉森鋼板樁圍堰設計

地質報告顯示內城河淤泥底高程為0 m,設計內城河圍堰為雙排拉森鋼板樁圍堰,鋼板樁圍堰頂高程為12 m(鋼板樁頂高程為10 m),圍堰長度約為50 m,鋼板樁內回填土并壓實,雙排鋼板樁間距為10 m,鋼板樁圍堰兩側放坡為1∶1,背水面坡腳離上游護坦外邊線5 m,上游迎水面坡腳離鐵路橋墩東邊線8 m。內城河雙排拉森鋼板樁圍堰如圖3所示。

圖3 內城河雙排拉森鋼板樁圍堰示意圖

5.2 清流河導流及圍堰設計

5.2.1 導流明渠設計

清流河導流標準為枯水期5年一遇113 m3/s,水位為11 m的情況下采用明渠底寬30 m,坡比1∶2,頂高程為12 m,明渠頂口寬為50 m,明渠上游底高程為6.5 m,下游底高程為6.0 m,明渠長度約為250 m,流水坡度為2.0‰。清流河導流明渠具體剖面圖如圖4所示。明渠進出口20 m范圍內采用堆拋石護腳護岸防沖刷,其它部位明渠采用土工布覆蓋保護邊坡。

圖4 清流河導流明渠剖面圖

5.2.2 圍堰設計

清流河圍堰閘站主體和新增扶壁式主體擋墻采用整體式圍堰,上游圍堰迎水面堰腳到遵陽街橋距離為60 m,圍堰堰頂高程為12 m,底高程最低為2 m,圍堰頂寬為5 m,迎水面坡比為1∶5,在坡腳至正常水位10.5 m高程以下采用拋石護腳護坡,預防水流沖刷圍堰邊坡失穩,10.5 m以上高程采用土工布覆蓋保護邊坡,預防下雨水位上升變化水流和雨水沖刷邊坡。

清流河圍堰斷面如圖5所示。其堰頂高程為12 m,堰頂設計寬為5 m,圍堰填筑最大高度10 m左右。迎水面坡度水上為1∶3,水下為1∶5,背水面坡度水上為1∶3。填筑土料的質量均符合填筑土料的要求。

圖5 清流河圍堰斷面示意圖

5.3 清流河圍堰抗滑穩定計算

根據《水利水電施工組織設計規范》第3節規定,土石圍堰邊坡穩定安全系數:3級,K不小于1.20;4級～5級,K不小于1.05。本項目的圍堰屬于5級,安全系數考慮安全儲備按照大于1.2選取。本次計算采用瑞典條分法進行:圍堰堰頂高程12 m,最高水位11.5 m,壩頂寬5 m,迎水面高程2～10.5 m處壩坡為1∶5,高程10.5～12 m處壩坡為1∶3,背水面壩坡為1∶3。由于圍堰上無恒載,故不考慮外部荷載。

5.3.1 計算原理

根據土坡極限平衡穩定進行計算。自然界勻質土坡失去穩定,滑動面呈曲面,可將滑裂面近似成圓弧計算。將土坡的土體沿豎直方向分成若干個土條,從土條中任意取出第i條,不考慮其側面上的作用力時,該土條上存在著:①土條自重;②作用于土條弧面上的法向反力;③作用于土條圓弧面上的切向阻力。將抗剪強度引起的極限抗滑力矩和滑動力矩的比值作為安全系數,考慮安全儲備的大小,按照《水利水電施工組織設計規范》要求,安全系數要滿足≥1.2的要求。

5.3.2 計算公式

(1)

其中,K為邊坡穩定安全系數;γ為土層的計算重度;b為第i條土條的寬度;φ為土層的內摩擦角;Hi為第i條土條的切向力;αi為第i條土中線處法線與鉛直線的夾角;c為土層的粘聚力;li為第i條土條的圓弧長度;hi為第i條土的平均高度。

5.3.3 穩定計算

根據上述原理按1∶1比例畫出壩體橫剖面圖,采用列表的方法進行計算,并確定危險滑弧圓心的范圍。圓心o1的鉛垂線作為1號土條的中線,向左右兩側量取土條,向左的編號為1,2,3,4,5;向右的編號為-1,-2,計算過程如下:

tanφ=tan6°=0.105 1;

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

將有關數據代入公式計算,求壩坡的穩定安全系數。K=1.602 8>1.2,經計算圍堰斷面符合設計安全穩定性的要求。

清流河圍堰抗滑穩定計算橫剖面如圖6所示。

圖6 清流河圍堰抗滑穩定計算橫剖面圖

6 結束語

內城河閘站位于內城河入清流河河口中間處,等級為Ⅲ級,主要建筑物3級,工程實施后解決了滁州遵陽老街長年汛期受淹問題,保障群眾生命和財產安全。清流河為長江一級支流滁河的左岸支流,承擔汛期沙河集水庫、城西水庫調峰作用,內城河閘站水下主體工程施工跨2個汛期不具備施工條件。在內城河閘站實施的第1年(2020年)汛期,受“蓮花”臺風影響,2020年8月18日清流河圍堰順利過水、淹沒本工程基坑,未對滁州市城區防汛工作造成任何影響,另外經2020-2022年期間多次驗證,表明本工程導流設計的合理性。