水利工程施工技术:专项施工篇
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工作任务一 施工导流

【引例】某水利枢纽工程的导流截流工程。该水利枢纽工程为中型工程。水库总库容0.83亿m3,最大坝高124.5m。工程由拦河坝、表孔溢洪洞、底孔泄洪、冲沙、放空洞、发电引水洞、地面厂房及电站尾水渠等组成。

坝址处河谷呈不对称的V形。现代河床位于河谷右岸,宽20~40m。右岸山体雄厚,部分基岩裸露,自然边坡40°~50°,河床岸坡陡,为60°~80°,基岩裸露;左岸为宽300~500m的三级阶地面。

根据当地水文站系列统计结果,径流年内分布不均,6~8月水量约占全年的67%,5~9月水量占全年约80%,1~3月水量占全年约7%,10~12月水量占全年的9%。主汛期在6~8月,9月底基本上就进入了枯水期,到第二年4月随着气温的回升,流量开始增大。

主要建筑物有面板堆石坝、底孔泄洪冲沙放空洞、表孔溢洪洞、发电引水洞和电站厂房。拦河坝、表孔溢洪洞、底孔泄洪、冲沙、放空洞为2级,发电引水洞、发电厂房、尾水洞为3 级,导流建筑物级别为4 级。

由于坝址处河谷狭窄,现代河床宽20~40m,采用河床一次断流,上下游各设横向围堰挡水,在河道右岸山体中开挖隧洞进行导流。

本工程中,导流建筑物由导流洞、上下游围堰组成。导流洞洞身长404.8m,城门洞形,设计洞径6.0m×7.5m,中心角120°,纵坡3.45%;上游围堰采用土石围堰,堰体采用石渣料填筑。最大堰高为13m,堰顶宽10.0m,迎水面坡1:2.25,背水面坡1:1.5,结合当地气候条件、堰体填筑材料来源等因素,堰体防渗选用土工膜心墙防渗形式。下游围堰设计形式与上游围堰相同,最大堰高6.5m,堰顶宽度10.0m。

一、施工导流方法选择

河床上修建水利水电工程时,为了使水工建筑物能在干地上进行施工,需要用围堰围护基坑,并将河水引向预定的泄水建筑物泄向下游。

施工导流的方法大体上分为两类:一类是全段围堰法导流,另一类是分段围堰法导流。

(一)全段围堰法导流

全段围堰法导流是在河床主体工程的上下游一定距离各建一道拦河围堰,使上游来水通过预先修筑的泄水建筑物(如明渠、隧洞等)泄向下游,主体建筑物在排干的基坑中进行施工,主体工程建成或接近建成时再封堵临时泄水道。有时可利用水利枢纽中的永久泄水建筑物进行导流,可以节约工程投资。

全段围堰法按泄水建筑物的类型不同可分为明渠导流、隧洞导流、涵管导流等。

1.明渠导流

上、下游围堰与河道的左岸及右岸合围形成基坑,保护主体建筑物在干地上进行施工,天然河道水流经河岸或滩地上开挖的导流明渠泄向下游的导流方式称为明渠导流。

(1)明渠导流的适用条件。具备下列条件之一者,可考虑采用明渠导流。

1)坝址河床较窄,或河床覆盖层很深,分期导流困难。

图1-1 明渠导流示意图

1—导流明渠;2—上游围堰;3—下游围堰;4—坝轴线

2)河床一岸有较宽的台地、垭口或古河道。

3)导流流量大,地质条件不适于开挖导流隧洞。

4)施工期有通航、排冰、过木要求。

5)总工期紧,不具备挖洞经验和设备。

工程实践经验,在导流方案比较过程中,如果明渠导流和隧洞导流均可采用,一般优先采用明渠导流,因为明渠开挖可采用大型设备,能加快施工进度,对主体工程提前开工有利。而且有利于施工期间河道通航、过木和排冰需要。

(2)导流明渠布置。导流明渠布置在左岸右岸都可以,具体视两岸地形情况适当布置,如图1-1、图1-2所示。

1)导流明渠轴线的布置。导流明渠应布置在较宽台地、垭口或古河道一岸;明渠轴线要伸出上下游围堰外坡脚,水平距离要满足防冲要求,一般为50~100m;明渠进出口应与上下游水流衔接,与河道主流的交角以30°为宜;为保证水流畅通,明渠转弯半径应大于5倍渠底宽度;明渠轴线布置应尽可能缩短明渠长度和避免深挖方。

图1-2 观音岩电站右岸导流明渠

2)明渠进出口位置和高程的确定。明渠进出口力求做到不冲刷、不淤积和不产生回流,其进口高程按截流设计选择,出口高程一般由下游消能控制;进出口高程和渠道水流流态应满足施工期通航、过木和排冰要求。在满足上述条件下,应尽可能抬高进出口高程,以减少水下开挖工程量。

(3)导流断面。

1)明渠断面尺寸的确定。明渠断面尺寸由设计导流流量控制,并受地形地质和允许抗冲流速影响,应按不同的明渠断面尺寸与围堰的组合,通过综合分析确定。

2)明渠断面形式的选择。明渠断面一般设计成梯形,渠底为坚硬基岩时,可设计成矩形。有时为满足截流和通航不同目的,也有设计成复式梯形断面的。

3)明渠可通过衬砌的材料选择、开挖的方法、渠底的平整度等方面控制糙率。

(4)明渠封堵。导流明渠结构布置应考虑后期封堵要求。当施工期有通航、过木和排冰任务,明渠较宽时,可在明渠内预设闸门墩,以利于后期封堵。施工期无通航、过木和排冰任务时,应于明渠通水前,将明渠坝段施工到适当高程,并设置导流底孔和坝面缺口使二者联合泄流。

2.隧洞导流

上、下游围堰与河道的左岸及右岸合围形成基坑,保护主体建筑物在干地上进行施工,天然河道水流全部由导流隧洞宣泄的导流方式称为隧洞导流。

(1)隧洞导流适用条件。导流流量不大,坝址河床狭窄,两岸地形陡峻,如一岸或两岸地形、地质条件良好,可考虑采用隧洞导流。

(2)导流隧洞的布置。导流隧洞的布置如图1-3、图1-4所示。

隧洞布置一般应满足以下条件:

图1-3 导流隧洞的布置示意图

(a)土石坝枢纽导流隧洞;(b)混凝土拱坝枢纽导流隧洞

1—导流隧洞;2—下游横向围堰;3—主坝;4—上游横向围堰

图1-4 溪洛渡电站某导流洞进水口

1)隧洞沿线地质条件良好,能够保证隧洞施工安全及运行安全。

2)隧洞轴线宜按直线布置,如有转弯,转弯半径不小于5倍洞径(或洞宽),转角不宜大于60°,弯道首尾应设直线段,直线段长度不应小于3~5倍洞径(或洞宽);进出口引渠轴线与河流主流方向夹角宜小于30°。

3)隧洞与永久建筑物间距、隧洞间净距、洞脸与洞顶围岩厚度均应满足结构和应力要求。

4)隧洞进出口位置应保证水力学条件良好,并伸出堰外坡脚一定距离,一般距离应大于50m,以满足围堰防冲要求。进口高程多由截流控制,出口高程由下游消能控制,洞底按需要设计成缓坡或急坡,应避免形成反坡。

(3)导流隧洞断面形式。隧洞断面与明渠导流相似,其尺寸的大小,取决于设计流量、地质和施工条件,洞径应控制在施工技术和结构安全允许范围内。

隧洞断面形式取决于地质条件、隧洞工作状况(有压或无压)及施工条件,常用断面形式有圆形、城门洞形、马蹄形,如图1-5所示。圆形多用于高水头处或有压隧洞,城门洞形有利于截流和施工,马蹄形多用于地质条件不良处,国内外导流隧洞采用城门洞形较多。

图1-5 隧洞断面形式

(a)圆形;(b)城门洞形;(c)马蹄形

洞身设计中,糙率值的选择是十分重要的问题,糙率的大小直接影响到断面的大小,而衬砌与否、衬砌的材料和施工质量、开挖的方法和质量则是影响糙率大小的因素。一般情况下,隧洞爆破开挖时,可采用光面爆破技术控制开挖轮廓质量,可以对隧洞进行内部衬砌等方法来提高其过流能力。导流隧洞应考虑后期封堵要求,布置封堵闸门门槽及启闭平台设施。有条件者,导流隧洞应与永久隧洞结合,以利于节省工程投资。

3.涵管导流

涵管导流一般在修筑土坝、堆石坝工程中采用。涵管通常布置在河岸岩滩上,其位置在枯水位以上,这样可在枯水期不修围堰或只修小围堰而先将涵管筑好,然后再修上下游全断围堰,将河水引至涵管泄向下游,如图1-6、图1-7所示。

图1-6 涵管导流示意图

1—导流涵管;2—下游围堰;3—上游围堰;4—土石坝

图1-7 混凝土涵管

涵管一般是钢筋混凝土结构。当有永久涵管可以利用或修建隧洞有困难时,采用涵管导流是合理的。在某些情况下,可在建筑物基岩中开挖沟槽,加以衬砌,然后封上混凝土或钢筋混凝土顶盖,形成涵管。由于涵管的泄水能力较低,一般用于导流流量较小的情况。

为防止涵管外壁与坝身防渗体之间的渗流,通常在涵管外壁每隔一定距离设置截流环,以延长渗径,降低渗透坡降,减少渗流的破坏作用。

(二)分段围堰法导流

分段围堰法,也称分期围堰法或河床内导流,就是用围堰将建筑物分段分期围护起来进行施工的方法。图1-8是一种常见的分段围堰法导流布置示意图。

图1-8 分段围堰导流布置示意图

(a)一期导流;(b)二期导流

1—一期围堰;2—二期围堰;3—导流底孔;4—坝体缺口;5—坝轴线

分段,就是沿着坝轴方向将河床分成若干个干地施工的基坑段进行施工。所谓分期,就是从时间上将导流过程划分成若干阶段。如图1-9所示为导流分期和围堰分段的几种情况。一般情况,段数分得愈多,围堰工程量愈大,施工也愈复杂;同样,期数分得愈多,工期有可能拖得愈长。在工程实践中,二段二期导流法采用得最多。

图1-9 导流分期与围堰分段示意图

(a)一段二期;(b)二段二期;(c)三段二期;(d)三段三期;(e)三段三期

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—施工分期

分段围堰法导流一般适用于河床宽阔、流量大、施工期较长的工程,尤其适用于通航河流和冰凌严重的河流上。这种导流方法的费用较低,国内外一些大、中型水利水电工程采用较广,分段围堰法导流,前期由束窄的原河道导流,后期可利用事先修建好的泄水道导流,常见泄水道的类型有底孔、缺口等。

1.底孔导流

利用设置在混凝土坝体中的永久底孔或临时底孔作为泄水道,是二期导流经常采用的方法。导流时让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游,保证后期工程的施工。如果是临时底孔,则在工程接近完工或需要蓄水时要加以封堵。底孔导流的布置型式如图1-10、图1-11所示。

图1-10 底孔导流布置

1—二期修建坝体;2—二期纵向围堰;3—已浇筑的混凝土坝体;4—底孔;

5—封闭闸门的门槽;6—出口封闭门槽

图1-11 重力坝段导流底孔

采用临时底孔导流时,底孔尺寸在很大程度上取决于导流的任务(过水、过船和过鱼等),以及水工建筑物结构特点和封堵用闸门设备的类型。底孔的布置要满足截流、围堰工程以及本身封堵等的要求。如底坎高程布置较高,截流时落差就大,围堰也高。但封堵时的水头较低,封堵措施就容易。一般底孔的底坎高程应布置在枯水位之下,以保证枯水期泄水。当底孔数目较多时可把底孔布置在不同的高程,封堵时从最低高程的底孔堵起,这样可以减少封堵时所承受的水压力。

临时底孔的断面形状多采用矩形,为了改善底孔四周的应力状况,也可采用有圆角的矩形。

底孔导流的优点是:挡水建筑物上部的施工可以不受水流的干扰,有利于均衡连续施工,这对修建高坝特别有利。若坝体内设有永久底孔可以用来导流,则更为理想。底孔导流的缺点是如果封堵质量不好,会削弱坝体的整体性,还有可能漏水;在导流过程中底孔有被漂浮物堵塞的危险;封堵时由于水头较高,安放闸门及止水等均较困难。

图1-12 坝体缺口过水示意图

1—过水缺口;2—坝顶;3—坝体;4—导流隧洞

2.坝体缺口导流

混凝土坝施工过程中,当汛期河水暴涨暴落,其他导流建筑物不足以宣泄全部流量时,为了不影响坝体施工进度,在涨水时仍能继续施工,可以在未建成的坝体上预留缺口以便于泄水,如图1-12所示,待洪峰过后,上游水位回落,再继续修筑缺口。预留坝体缺口的尺寸取决于导流设计流量、其他建筑物的泄水能力、建筑物的结构和施工条件。

在修建混凝土坝,特别是大体积混凝土坝时,这种导流方法比较简单,因此常被采用。

底孔导流和坝体缺口导流一般适用于混凝土重力坝。对于土石坝或非重力式混凝土坝枢纽,若采用分段围堰法导流,常与隧洞导流、明渠导流等河床外导流方式相结合。

需要说明的是:底孔导流坝体缺口导流并不只适用于分段围堰法导流,在全段围堰法后期导流时,也可能采用;同样,隧洞导流和明渠导流,也并不只适用于全段围堰法导流,在分段围堰法后期导流时,也常有应用。

(三)施工导流影响因素

水利水电枢纽工程的施工,从开工到完建往往不是采用单一的导流方法,而是几种导流方法组合起来配合运用的,以取得最佳的技术经济效果。不同导流时段不同导流方法的组合,通常就称为导流方案。

导流方案受多种因素的影响。合理的导流方案,应拟订几个可能的方案,进行技术经济比较,择优选择。选择导流方案时一般应考虑以下因素。

1.地形条件

坝区附近的地形条件,对导流方案的影响很大。对于河床宽阔的河流,尤其在施工期间有通航、过木要求的情况下,宜采用分段围堰法导流,当河床中有天然岛或沙洲时,可采用分段围堰法导流,这样有利于导流围堰的布置,特别是纵向围堰的布置。在河段狭窄没有明渠导流条件,且两岸陡峻、山岩坚实的地区,宜采用隧洞导流,如图1-13所示。至于平原河道,河流的两岸或一岸比较平坦,或有河湾、老河道可以利用时,则宜采用明渠导流。

2.水文条件

河流的流量大小、水位变化的幅度、全年流量的变化情况、枯水期的长短、汛期洪水的延续时间、冬季的流冰及冰冻情况等,均直接影响导流方案的选择。一般来说,对于河床单宽流量大的河流,宜采用分段围堰法导流。对于水位变化幅度大的山区河流,可采用允许基坑淹没的导流方法,在一定时期内通过过水围堰和淹没基坑来宣泄洪峰流量。对于枯水期较长的河流,充分利用枯水期安排工程施工是完全必要的。但对于枯水期不长的河流,如果不利用洪水期进行施工,就会拖延工期。对于流冰的河流,应充分注意流冰的宣泄问题,以免流冰壅塞,影响泄流,造成导流建筑物失事。

图1-13 隧洞导流

3.工程地质及水文地质条件

河流两岸及河床的地质条件对导流方案的选择与导流建筑物的布置有直接影响。如河流两岸或一岸岩石坚硬、风化层薄,有足够的抗压强度,对选用隧洞导流有利。如果岩石的风化层厚且破碎,或有较厚的沉积滩地,则适合于采用明渠导流。如采用分段围堰法时,由于河床受到束窄,过水断面面积减小,使水流流速增大,增加了河川受到冲刷的风险,为避免河川冲刷及保护围堰,应确定河床合理的束窄程度。对于岩石河床,抗冲刷能力较强,河床允许束窄程度较大。但对覆盖层较厚的河床,抗冲刷能力较差,其束窄程度受到限制。

水文地质条件则对基坑排水工作和围堰型式的选择有很大关系。因此,为更好地进行导流方案的选择,要对工程地质和水文地质勘测工作加以重视。

4.水工建筑物的型式及其布置

水工建筑物的型式及其布置与导流方案相互影响,因此在决定建筑物的型式和枢纽布置时,应该同时考虑并拟定导流方案,而在选定导流方案时,又应该充分利用建筑物型式和枢纽布置方面的特点。

如果枢纽组成中有隧洞、渠道、涵管、泄水孔等永久泄水建筑物,在选择导流方案时应该尽可能加以利用。在设计永久泄水建筑物的断面尺寸并拟定其布置方案时,应该充分考虑施工导流的要求。

采用分段围堰法修建混凝土坝枢纽时,应当充分利用水电站与混凝土坝之间或混凝土坝溢流段和非溢流段之间的隔墙作为纵向围堰的一部分,以降低导流建筑物的造价。

就挡水建筑物的型式来说,土石坝的抗冲能力小,除采用特殊措施外,一般不允许从坝身过水,所以多利用坝身以外的泄水建筑物如隧洞、明渠等或坝身范围内的涵管来导流,这时,通常要求在一个枯水期内将坝身抢筑到拦洪高程以上,以免发生水流漫顶事故。对于混凝土坝,如混凝土重力坝,由于抗冲能力较强,不但可以通过底孔泄流,而且还可以通过未建成的坝身过水(如预留缺口),使导流方案选择的灵活性大大增加。

5.施工期间河流的综合利用

施工期间,为了满足通航、筏运、渔业、供水、灌溉或水电站运转等的要求,使导流问题的解决更加复杂。如在通航河流上,大多采用分段围堰法导流。要求河流在束窄以后,河宽仍能便于船只的通行,水深要与船只吃水深度相适应,束窄断面的最大流速一般不得超过2.0m/s。此外,为了保证渔业的要求,还要修建临时的过鱼设施,以便鱼群能洄游等。

6.施工进度、施工方法及施工场地布置

水利水电工程的施工进度与导流方案密切相关,通常是根据导流方案才能安排控制性进度计划。在水利水电枢纽施工导流过程中,对施工进度起控制作用的关键性时段主要有导流建筑物的完工期限、截断河床水流的时间、坝体拦洪的期限、封堵临时泄水建筑物的时间以及水库蓄水发电的时间等。但各项工程的施工方法和施工进度又直接影响到各时段中导流任务的合理性和可能性。例如,在混凝土坝枢纽中,采用分段围堰施工时,若导流底孔没有建成,就不能截断河床水流和全面修建第二期围堰,若坝体没有达到一定高程和没有完成基础及坝体接缝灌浆以前,就不能封堵底孔和使水库蓄水等。因此,施工方法、施工进度与导流方案三者是密切相关的。

此外,导流方案的选择与施工场地的布置相互影响。例如,在混凝土坝施工中,当混凝土生产系统布置在一岸时,以采用全段围堰法导流为宜。若采用分段围堰法导流,则应以混凝土生产系统所在的一岸作为第一期工程,因为这样两岸的交通运输问题比较容易解决。

二、围堰施工

围堰是导流工程中临时的挡水建筑物,用来围护施工中的基坑,保证水工建筑物能在干地上进行施工。在导流任务结束后,如果围堰对永久建筑物的运行有妨碍或没有考虑作为永久建筑物的一部分时,应予以拆除。

水利水电工程中经常采用的围堰,按其所使用的材料,可以分为土石围堰、混凝土围堰、钢板桩格形围堰和草土围堰等。

按围堰与水流方向的相对位置,可以分为纵向围堰(平行于河道水流方向)和横向围堰(垂直于河道水流方向)。

按导流期间基坑淹没条件,可以分为过水围堰和不过水围堰。过水围堰除需要满足一般围堰的基本要求外,还要满足围堰顶过水的专门要求。

围堰施工中,为保证工程质量及安全,围堰一般应满足如下条件:有足够的稳定性、防渗性、抗冲性和一定的强度;造价低,构造简单;围堰的布置应力求使水流平顺,避免水流冲刷;围堰接头和岸边连接都要安全可靠;有时应设置抵抗冰凌、船筏的冲击和破坏的设施。

(一)围堰的型式选择

1.土石围堰

土石围堰可以就近取材,是水利水电工程中采用最为广泛的一种围堰型式,如图1-14、图1-15所示。土石围堰还可充分利用开挖弃料作填料,构造简单,施工方便,易于拆除,工程造价低,可以在流水中、深水中、岩基或有覆盖层的河床上修建。但其工程量较大,堰身沉陷变形也较大。

图1-14 土石围堰

(a)斜墙式;(b)斜墙带水平铺盖式;(c)垂直防渗墙式;(d)灌浆帷幕式

1—堆石体;2—黏土斜墙、铺盖;3—反滤层;4—护面;5—隔水层6—覆盖层;7—垂直防渗墙;8—灌浆帷幕;9—黏土心墙

图1-15 土石围堰填筑

因土石围堰断面较大,一般用于横向围堰,但在宽阔河床的分期导流中,由于围堰束窄河床增加的流速不大,也可作为纵向围堰,但需注意防冲设计,以保围堰安全。

2.混凝土围堰

混凝土围堰的抗冲与防渗能力强,挡水水头高,断面小,易于与永久混凝土建筑物相连接,必要时还可以过水,应用比较广泛。一般情况下,横向围堰采用拱形混凝土围堰,纵向围堰采用重力式混凝土围堰。

图1-16 拱形混凝土围堰

(a)平面示意图;(b)横断面示意图

1—拱身;2—拱座;3—灌浆帷幕;4—覆盖层

(1)拱形混凝土围堰。拱形混凝土围堰(图1-16)。一般适用于两岸陡峻、岩石坚实的山区河流,常采用隧洞及允许基坑淹没的导流方案。通常围堰的拱座是在枯水期的水面以上施工的。对围堰的基础处理,当河床的覆盖层较薄时需进行水下清基,若覆盖层较厚,则可灌注水泥浆防渗加固。堰身的混凝土浇筑则要进行水下施工,因此难度较高。在拱基两侧要回填部分砂砾料以利于灌浆,形成阻水帷幕。

拱形混凝土围堰由于利用了混凝土抗压强度高的特点,与重力式围堰相比,断面较小,可节省混凝土工程量。

(2)重力式混凝土围堰。采用分段围堰法导流时,重力式混凝土围堰往往可兼做第一期和第二期纵向围堰,两侧均能挡水,还能作为永久建筑物的一部分,如隔墙、导墙等。

重力式围堰可做成普通的实心式,与非溢流重力坝类似,也可做成空心式,重力式混凝土围堰如图1-17、图1-18所示。

图1-17 混凝土围堰断面示意图

(a)双向挡水支墩式;(b)撑墙式;(c)溢流重力式

纵向围堰需抗御高速水流的冲刷,所以一般均修建在岩基上。为保证混凝土的施工质量,一般可将围堰布置在枯水期出露的岩滩上。如果这样还不能保证干地施工,则通常需另修土石低水围堰加以围护。因碾压式混凝土施工快,重力式混凝土围堰现在有普遍采用碾压混凝土浇筑的趋势。

3.钢板桩格形围堰

钢板桩格形围堰是重力式挡水建筑物,由一系列彼此相接的格体构成。按照格体的平面形状,可分为圆筒形格体、扇形格体和花瓣形格体,应用较多的是圆筒形格体,如图1-19、图1-20所示为钢板桩格形围堰。它是由许多钢板桩通过锁口互相连接而成为格形整体。钢板桩的锁口有握裹式、互握式和倒钩式三种。格体内填充透水性强的填料,如砂、砂卵石或石渣等。在向格体内进行填料时,必须保持各格体内的填料表面大致均衡上升,因高差太大会使格体变形。工程实践中也有用若干片钢板通过倒扣等形式进行连接,形成围堰围护基坑。

图1-18 三峡工程三期上游混凝土围堰

图1-19 钢板桩格形围堰平面示意图

(a)圆筒形格体;(b)扇形格体;(c)花瓣形格体

图1-20 钢板桩围堰围护桥墩基坑

钢板桩格形围堰具有坚固、抗冲、防渗、围堰断面小,便于机械化施工等优点;钢板桩的回收率高,可达70%以上。尤其适用于束窄度大的河床段作为纵向围堰,但由于需要大量的钢材,且施工技术要求较高,我国目前仅应用于较大工程中。

圆筒形格体钢板桩格形围堰,一般适用的挡水高度为15~18 m,可以建在岩基上或非岩基土,也可作为过水围堰使用。

圆筒形格体钢板桩格形围堰的修建由定位、打设模架支柱、模架就位、安插钢板桩、打设钢板桩、填充料渣、取出模架及其支柱和填充料渣到设计高程等工序组成(图1-21)。圆筒形格体钢板桩格形围堰一般需在流水中修筑,受水位变化和水面波动的影响较大,施工难度较大。

图1-21 圆筒形格体钢板桩格形围堰施工流程图

(a)定位、打设模架支柱;(b)模架就位;(c)安插钢板桩;(d)打设钢板桩;(e)填充料渣;(f)取出模架并填充料渣

1—支柱;2—模架;3—钢板桩;4—打桩机;5—填料

图1-22 草土围堰断面示意图

1—戗土;2—土料;3—草捆

4.草土围堰

草土围堰是一种以麦草、稻草、芦柴、柳枝和土为主要原料的草土混合结构,如图1-22所示,我国运用它已经有2000多年的历史。草土围堰施工简单、速度快、取材容易、拆除也方便,具有一定的抗冲、抗渗能力,堰体的容重较小,特别适用于软土地基,但这种围堰不能承受较大的水头。草土围堰的施工方法比较特殊,就其实质来说也是一种进占法。按其施工条件可分为水中填筑和干地填筑两种。由于草土围堰本身的特点,水中填筑质量比干填法容易保证,这是与其他围堰所不同的,实践中的草土围堰,普遍采用捆草法施工。

(二)围堰的平面布置

围堰的平面布置主要包括围堰内基坑范围确定和围堰轮廓布置两个问题。

1.围堰内基坑范围确定

围堰内基坑范围大小主要取决于主体工程的轮廓和相应的施工方法。当采用一次拦断法导流时,围堰基坑是由上下游围堰和河床两岸围成的。当采用分期导流时,围堰基坑是由纵向围堰与上下游横向围堰围成的。在上述两种情况下,上下游横向围堰的布置,都取决于主体工程的轮廓。通常基坑坡趾到主体工程轮廓的距离,应考虑到布置排水设施、交通运输道路、堆放材料和模板等因素,如图1-23所示。基坑开挖边坡的大小,与地质条件有关。

图1-23 围堰与基坑布置示意图(单位:m)

(a)平面图;(b)A—A剖面;(c)B—B剖面

1—主体工程轮廓;2—主体工程轴线;3—基坑;4—上游横向围堰;5—下游横向围堰;6—纵向围堰

当纵向围堰不作为永久建筑物的一部分时,基坑坡趾到主体工程轮廓的距离,一般不小于2m,以便布置排水导流系统和堆放模板,如果无此要求,只需留0.4~0.6m。实际工程的基坑形状和大小往往不同。有时可以利用地形以减少围堰的高度和长度;有时为了照顾个别建筑物施工的需要,将围堰轴线布置成折线形等。

2.分期导流纵向围堰布置

在分期导流方式中,纵向围堰布置是施工中的关键问题,选择纵向围堰位置,实际上就是要确定适宜的河床束窄度。束窄度就是天然河流过水面积被围堰束窄的程度,一般可用式(1-1)表示:

式中 K——河床的束窄程度,%;

A1——围堰和基坑所占据的过水面积,m2

A2——原河床的过水面积,m2

允许束窄度主要与河床地质条件和通航要求有关。对于非通航河道,如河床易冲刷,一般均允许河床产生一定程度的变形,只要能保证河岸、围堰堰体和基础免受淘刷即可。束窄流速常可允许达到3m/s左右,岩石河床允许束窄度主要视岩石的抗冲流速而定。对于通航河道,要进行适当的研究,确定典型船舶适宜的河流流速。

纵向围堰的布置应充分利用河心洲、浅滩、小岛、基岩露头等,这些部位便于纵向围堰施工,并有利于防冲保护。还应尽可能利用厂坝、厂闸、闸坝等建筑物之间的隔水导墙作为纵向围堰的一部分,此时要求纵向围堰的结构强度、材料等性能应满足主体工程需要。

如果天然河槽呈对称形状,没有明显有利的地形地质条件可供利用,可以通过经济比较方法选定纵向围堰的适宜位置,使一、二期总的导流费用最小。

分期导流时,上下游围堰一般不与河床中心线垂直,围堰的平面布置常呈梯形,既可使水流顺畅,同时也便于运输道路的布置和衔接。当采用一次拦断法导流时,上下游围堰不存在突出的绕流问题,为了减少工程量,围堰多与主河道垂直。

(三)围堰的拆除

围堰是临时建筑物,导流任务完成后,应按设计要求拆除,以免影响永久建筑物的施工及运转。

土石围堰相对来说断面较大,拆除工作一般在运行期限的最后一个汛期过后,随上游水位的下降,逐层拆除围堰的背水坡和水上部分,如图1-24、图1-25所示。但必须保证依次拆除后所残留的断面,能继续挡水和维持稳定,以免发生安全事故,使基坑过早淹没,影响施工。土石围堰的拆除一般可用常规挖土机械挖运或爆破开挖等方法。

图1-24 土石围堰的拆除程序示意图

1—黏土斜墙;2—河床覆盖层;3—心墙;4—堆渣;5—防渗墙;Ⅰ、Ⅱ~Ⅳ—拆除顺序

图1-25 土石围堰常规机械拆除

混凝土围堰的拆除,一般选用爆破法炸除,如图1-26所示。但应注意,必须使主体建筑物或其他设施不受爆破危害。钢板桩格形围堰的拆除,首先要用抓斗或吸石器将填料清除,然后用拔桩机起拔钢板桩。

图1-26 混凝土围堰爆破拆除