漢江雅口航運樞紐工程一期圍堰結構優化設計

郭玉濤，李潤杰，陳志晧

（1.中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

0 引言

圍堰屬臨時性水工建筑物，在基坑排水后，形成干地施工條件，可保證永久建筑物順利施工。 圍堰按其使用材料可分為土石圍堰、混凝土圍堰、漿砌石圍堰、鋼板樁圍堰、竹籠圍堰、木籠圍堰及草土圍堰等。其中，土石圍堰有可充分利用當地材料、施工工藝簡單、拆除簡便等優點，在我國水利水電工程中的應用最為廣泛［1］。 但是，傳統土石圍堰又具有填筑工程量大、工期長、防滲及防沖刷要求高等缺點。 因此，如何在充分利用土石圍堰地基適應性強、便于就地取材特點的基礎上，選擇技術可行、安全可靠、經濟合理、綠色環保，并能使工程盡早發揮效益的圍堰結構是水利工程建設的一項重要研究內容。

漢江雅口航運樞紐一期圍堰工程用粉細沙代替土石料進行堰體填筑，用充填沙袋代替非直接沖刷段的戧堤， 用模袋混凝土代替鋼筋石籠護坡、雷諾護坡，構建了一種新型土石圍堰結構，減小了圍堰結構斷面，降低了圍堰對塊石及其他傳統堰殼填料的依賴性，減少了土石圍堰的整體工程量。 同時，由于其堰殼填筑及防護結構施工的便利性，加快了施工進度，縮短了工期。 筆者對漢江雅口航運樞紐一期圍堰工程的結構設計進行探討，以期為大型土石圍堰的設計和施工提供新思路。

1 工程概況

1.1 工程樞紐

漢江雅口航運樞紐工程位于漢江中游丹江口～鐘祥河段，距湖北省宜城市15.7 km，是一座以航運為主，兼顧發電、灌溉、旅游等水資源綜合開發的水利工程［2］。 該工程上距丹江口水利樞紐203 km，下距河口446 km，是漢江干流湖北省內梯級開發規劃中的第6 級，其上下游分別與崔家營航電樞紐和碾盤山水利樞紐銜接，距上游崔家營航電樞紐約52.67 km，距下游碾盤山水利樞紐約59.38 km。 漢江雅口航運樞紐工程水庫正常蓄水位為55.22 m，相應庫容為3.37 億m3，機組總裝機容量為75 MW，航道等級為Ⅲ（2）級，設計通航船舶噸級為1 000 t，其主要建筑物包括船閘、泄水閘、發電廠房、土石壩、壩頂交通橋、魚道等。

1.2 導流方式

該工程分2 期導流。 一期圍右岸船閘、電站廠房與右岸16 孔泄水閘，船閘具備通航條件后，進行二期截流。二期圍剩余的泄水閘。施工前，先進行下游河道疏挖和臨時航道疏浚，由主河床過流及通航。一期圍堰屬于大型圍堰，圍堰軸線長為4.3 km，面積為126 萬m2，采用全年土石圍堰，導流洪水標準全年為10 年一遇，Q＝13 500 m3／s。

1.3 一期圍堰工程地質條件

一期圍堰位于右岸河床，覆蓋層為第四系沖積層：上部為粉細沙，厚為0.5～12.1 m，下部為沙礫石層夾粉細沙透鏡體，厚為11.0～17.3 m。 下伏基巖為新近系黏土巖、粉細沙巖和沙礫巖，巖層單斜，產狀平緩，未發現有斷層通過，基巖面出露高程為26～35 m。堰基地下水為孔隙水，粉細沙滲透系數為2×10-3～5×10－3cm／s，屬中等透水層；沙礫石滲透系數為2×10－2cm／s，屬強透水層；新近系巖石透水率＜10 Lu，屬弱透水帶。粉細沙的抗沖刷流速為0.25 m／s，沙卵礫石的抗沖刷流速為0.50 m／s， 黏土巖的抗沖刷流速為0.60 m／s，沙礫巖的抗沖刷流速為2.50 m／s。

2 一期圍堰原設計及其存在的問題

2.1 典型斷面

根據壩址區水文地質條件， 對圍堰進行分段設計。

2.1.1 上游圍堰典型斷面

一期上游圍堰分2 層修筑。 第一層（高程50.00 m 以下）采用塊石、沙卵石雙戧堤（坡比為1∶1.5），中間采用開挖料填筑， 塊石戧堤與開挖料之間鋪設2 m 寬的混合沙礫石料， 并沿圍堰中心線做高噴灌漿處理；迎水面做10 m×3 m（寬×厚）的拋石護底、1 m 厚的拋石護坡。 第二層按1∶3 坡比填筑， 頂部高程為56.00 m，寬為8 m。填筑時，中間設置黏土心墻，迎水面做0.3 m 厚的雷諾護墊護坡，背水面做0.3 m 厚的沙袋護坡。 具體斷面設計如圖1 所示。

圖1 一期上游圍堰典型斷面原設計圖Fig.1 Original design drawing of upstream typical section of first-phrase cofferdam

2.1.2 縱向圍堰典型斷面

一期縱向圍堰分2 層修筑。 第一層（高程49.80 m以下）采用塊石、沙卵石雙戧堤（坡比為1∶1.5），中間采用開挖料填筑， 塊石戧堤與開挖料之間鋪設2 m寬的混合沙礫石料，沿圍堰中心線做高噴灌漿處理。第二層按1∶3 坡比填筑，頂部高程為56.00～54.40 m，寬為8 m。 填筑時，中間設置黏土心墻，迎水面做1 m厚的鋼筋石籠護坡，背水面做0.3 m 厚的沙袋護坡。具體斷面設計如圖2 所示。

圖2 原設計一期縱向圍堰典型斷面圖Fig.2 Original design drawing of typical section of first-phrase longitudinal cofferdam

2.1.3 下游圍堰典型斷面

一期下游圍堰也是分2 層修筑。 第一層（高程49.80 m 以下）采用塊石、沙卵石雙戧堤，坡比為1∶1.5，中間采用開挖料填筑， 塊石戧堤與開挖料之間鋪設2 m 厚的混合沙礫石料， 沿圍堰中心線做高噴灌漿處理；迎水面做10 m×3 m（寬×厚）的拋石護底、1 m厚拋石護坡處理。第二層按1∶3 坡比填筑，頂部高程為54.40 m，寬為8 m。 填筑時，中間設置黏土心墻，迎水面采用0.3 m 厚的雷諾護坡，背水面采用0.3 m厚的沙袋護坡。 具體如圖3 所示。

圖3 原設計一期下游圍堰典型斷面圖Fig.3 Original design drawing of typical section of first-phrase downstream cofferdam

2.2 原設計一期圍堰施工存在的問題

2.2.1 工程量大、工期緊、施工強度高

原設計一期圍堰土方填筑量約為86 萬m3，塊石填筑量約為33 萬m3，坡面防護約17 萬m2，工程量大。 由于工程招投標的延遲，開工時，枯水期已經過去一半，剩余可施工時間不足4 個月。由于在汛期來臨前，必須完成所有工作內容，所以施工強度高，交叉作業干擾大。

2.2.2 塊石需求量大，難以供應

原設計采用塊石戧堤、 拋石護坡、 雷諾護墊護坡、鋼筋石籠護坡等方案，所需塊石量大，約為33 萬m3。 而該工程位于湖北省宜城市境內， 地處江漢平原，工程區周邊40 km 范圍內，缺少塊石料源。 加之進場初期，進場道路施工暫未完成，材料運輸通道僅有鄉村道路，不具備重載車輛通行條件，致使材料運輸困難。

2.2.3 沙袋護坡、鋼筋石籠及雷諾護坡施工效率低

原設計圍堰防護工程采用沙袋護坡、 鋼筋石籠護坡及雷諾護坡， 工程量大、 施工機械化程度低，而且受堰頂施工平臺制約，無法實現大面積同時施工，施工效率低。

2.2.4 護坡不能滿足要求

由于壩址區覆蓋層為第四系沖積層， 上部粉細沙層較厚，卵石料主要在地下5 m 以下且含量少，因此堰體填筑料只能采用粉細沙。 而粉細沙具有含水量大、失水快、滲透性強、土質松散、不易壓實、抗沖刷能力差等特性，原設計的沙袋護坡、鋼筋石籠及雷諾護坡的滲透性較強，粉細沙堰體容易被沖刷破壞，達不到保護堰體的作用。

3 優化后的圍堰結構及施工特點

3.1 圍堰結構

通過調研國內類似工程圍堰施工技術［3－8］，結合該工程的實際情況， 采用粉細沙代替土石料進行堰體填筑，采用充填沙袋代替非直接沖刷段的戧堤，采用模袋混凝土代替鋼筋石籠護坡和雷諾護墊護坡，采用塑型防滲墻＋復合土工膜防滲體系代替高噴灌漿＋黏土心墻的防滲體系， 并對優化后的圍堰結構進行斷面設計及穩定、抗沖刷復核驗算［9］，驗證了優化結構的可行性。

3.1.1 上游圍堰典型斷面

一期上游圍堰分2 層填筑。 第一層（50.50 m 以下）采用塊石戧堤（坡比1∶1.5），中間采用開挖料填筑，塊石與開挖料之間鋪設2 m 厚的混合沙礫石料。圍堰中心線處設置60 cm 厚的塑性防滲墻。 迎水面做10 m×1.5 m（寬×厚）的拋石護底、1 m 厚的拋石護坡；背水面做5.0 m 寬的充填沙袋護坡。 第二層迎水面按1∶3 坡比填筑， 背水面按1∶2 坡比填筑，中間設復合土工膜。迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土護坡，背水面做2.5 m 寬的充填沙袋護坡。 堰頂高程為56.00 m，寬為8 m，頂部設置30 cm 厚卵石墊層＋20 cm 厚碾壓混凝土道路。 具體斷面設計如圖4 所示。

圖4 優化后的一期上游圍堰典型斷面圖Fig.4 Optimized typical section drawing of first-phrase upstream cofferdam

3.1.2 縱向圍堰典型斷面

一期縱向圍堰分2 層修筑。 第一層（高程50.30 m 以下）采用塊石戧堤（坡比1∶1.5），中間采用開挖料填筑， 塊石與開挖料之間鋪設2 m 厚的混合沙礫石料，沿圍堰中心線做60 cm 寬的塑性防滲墻；迎水面設置10 m 寬防沖堆石體， 底部鋪設200 g／m2的丙綸布沉排；背水面做5.0 m 寬的充填沙袋護坡。 第二層迎水面按1∶3 坡比填筑， 迎水面按1∶2 坡比填筑，中間設復合土工膜。迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土護坡，背水面做2.5 m 寬的充填沙袋護坡。 堰頂高程為56.00 m，寬為8 m，頂部設置30 cm 厚卵石墊層＋20 cm 厚碾壓混凝土道路。 具體斷面設計如圖5 所示。

圖5 優化后一期縱向圍堰典型斷面圖Fig.5 Optimized typical section drawing of first-phrase longitudinal cofferdam

3.1.3 下游圍堰典型斷面

一期下游圍堰分2 層修筑。 第一層（高程50.30 m 以下）采用塊石戧堤（坡比1∶1.5），中間采用開挖料填筑， 塊石與開挖料之間鋪設2 m 厚的混合沙礫石料，沿圍堰中心線做60 cm 寬的塑性防滲墻；迎水面做10 m×1.5 m（寬×厚）的拋石護底、1 m 厚的拋石護坡，底部鋪設200 g／m2的丙綸布沉排；背水面做5.0 m 寬的充填沙袋護坡。第二層迎水面和背水面均按1∶3 坡比填筑， 且中間設復合土工膜。 迎水面做20 cm 厚的模袋混凝土護坡，背水面做2.5 m 寬的充填沙袋護坡。 堰頂高程為56.00 m，寬為8 m，頂部設置30 cm 厚卵石墊層＋20 cm 厚碾壓混凝土道路。 具體斷面設計如圖6 所示。

圖6 優化后一期下游圍堰典型斷面圖Fig.6 Optimized typical section drawing of first-phrase downstream cofferdam

3.2 施工特點

3.2.1 減少了圍堰整體工程量

優化后， 一期圍堰土方填筑量約為64.2 萬m3，塊石填筑量約為10.1 萬m3，充填沙袋約22.4 萬m3，塑性混凝土防滲墻約為10 萬m2， 模袋混凝土約為2.32 萬m2， 總體填筑工程量減少約22.3 萬m3。 其中，土方填筑量減少約19.8 萬m3，塊石填筑量減少約22 萬m3，增加充填沙袋約22.4 萬m3。

3.2.2 提高了施工效率，加快了工程施工進度

采用充填沙袋代替非直接沖刷段的戧堤以及背水面的沙卵石戧堤， 同時采用丙綸布沉排＋塊石護底、護坡，減小了斷面尺寸，減少了約22 萬m3的塊石用量，不僅緩解了道路運輸壓力，還能不受塊石戧堤單頭進占的影響，在水面增開多個工作面，從而提高了施工效率。

采用充填沙袋護坡代替沙袋護坡、 采用模袋混凝土護坡代替鋼筋石籠及雷諾護墊護坡， 施工機械化程度大大提高， 而且施工方法簡單、 便于就地取材，加快了護坡工程的施工進度。 同時，由于土工織物的滲透性較小，提高了邊坡的抗沖刷性，為粉細沙堰體的填筑提供了保障。

3.2.3 粉細沙堰體填筑施工速度快， 且充分利用了當地原材料

粉細沙堰體填筑采用碾壓法和水力沖填法相結合的方法，其中，水力沖填法施工不僅合理地利用了河床及灘地的粉細沙、 廠房及泄水閘等開挖的棄渣料， 而且相對于常規填筑法， 它也具有施工工序簡單、進度快等優點。 同時，由于水力沖填采用水下取料，取料深度不受水的限制，在取相同體積料源的條件下，水力沖填相對常規填筑所需料場面積較少。

3.2.4 塑性防滲體＋復合土工膜防滲體系加快了防滲工程的施工進度

塑性防滲墻＋復合土工膜防滲體系是一種常見的防滲形式［10］。 塑性混凝土防滲墻施工程序簡單，便于機械施工，從而加快施工進度。 復合土工膜防滲材料透水性小、性能可靠、施工方式簡單快捷。 同時，由于一期圍堰工程壩址區粉細沙及沙卵石覆蓋層深厚，高噴灌漿的可灌性差、漿體流失量大，難以形成完整的防滲帷幕，容易影響圍堰防滲效果。

3.2.5 圍堰結構綠色環保

傳統的土石圍堰一般采用塊石戧堤， 沙礫料及石渣料等非黏性土料進行堰體填筑， 且以鋼筋石籠和雷諾護坡。這種圍堰結構占地面積大、材料需求量大，而且工期長、工程造價高，對于施工工期短、材料供應難的土石圍堰適用性低。 該工程優化后的圍堰結構采用充填沙袋戧堤、 模袋混凝土及充填沙袋護坡，在保證工程質量和施工安全的前提下，減少了外購土石料的工程量，充分利用了當地粉細沙、沙卵石等天然建筑材料， 降低了圍堰施工對環境的負面影響，達到了經濟、環保和快速施工的目的。

4 實際應用效果

4.1 順利按節點要求完成圍堰施工

漢江雅口航運樞紐工程一期圍堰結構優化后，減少了圍堰的整體工程量， 同時減少了塊石的填筑量， 增加了便于機械化施工的充填沙袋及模袋混凝土用量，加快了圍堰施工進度，順利地在夏汛來臨前完成了圍堰的整體施工。

4.2 防滲效果良好，基坑滲水量遠小于設計估算量

一期圍堰基坑圍護面積約106 萬m2，泄水閘及廠房基坑開挖完成后， 實測基坑經常性排水量約為300～400 m3／h， 遠遠低于施工組織設計中估算的經常性排水強度703 m3／h， 實際排水設備及用電量大大減少。

4.3 成功抵御了超設計標準洪水

2017 年， 一期圍堰經歷了多年不遇的漢江秋汛，安全度過了超10 年一遇設計洪水。 該次秋汛自9 月27 日至10 月19 日，歷時長達23 d，其中10 月5 日～7 日的洪水流量持續超過圍堰設計防洪標準13 500 m3／s，期中最大洪峰流量為15 400 m3／s，最大流速為6～7 m／s。 在超標準洪水工況下，圍堰堰體內側坡面坡腳無任何沖刷和管涌破壞現象， 無明顯滲漏水逸出點，基坑內排水量無明顯變化。

4.4 圍堰沉降穩定

一期圍堰共布設8 個變形監測點， 形成實時監測總平面布置結構（如圖7 所示）。 圖7 中，J02為基準控制點，C1～C5為新增加的變形監測點，J03～J05為用前期加密控制點。經過對圍堰變形監測成果分析，汛后復測最大變形值為7 mm，發生在C6位置，其余觀測點變形值均在1～5 mm 之間，圍堰沉降穩定。

圖7 一期圍堰變形監測點平面布置圖Fig.7 Layout diagram of monitoring points of firstphrase cofferdam deformation

5 結語

傳統的土石圍堰結構占地面積大、 材料需求量大，而且工期長、工程造價高。 漢江雅口航運樞紐一期圍堰工程通過優化設計，采用充填沙袋戧堤、粉細沙堰體、 充填沙袋和模袋混凝土護坡這種新型的土石圍堰結構，成功解決了該工程工期緊、工程量大、土石料短缺的問題， 順利地在節點工期內高質量地完成了工程施工。