典型围堰在小型水利工程中的应用研究

李旭升

摘要：针对围堰在水利工程中的重要作用，详细分析说明了水利工程围堰的作用和类型，以广州市南沙区横沥工业园外江水闸泵站工程为例，对工程的外围堰和内围堰进行分析，对不同的围堰方案进行比选，最终选择技术可行，经济可靠者为推荐方案，为类似工程围堰的选择提供了参考。

Abstract： In view of the important role of cofferdams in water conservancy projects， the role and type of hydraulic cofferdams are analyzed in detail. The external water pumping station project of Hengli Industrial Park in Nansha District of Guangzhou City is taken as an example， the external and inner cofferdam are analyzed， and the different cofferdam schemes are compared. The final selection technique with feasible and the economical reliability is taken as the recommended scheme， which provides a reference for the selection of similar engineering cofferdams.

關键词：水利工程;施工导流;围堰

Key words： hydraulic engineering;construction diversion;cofferdam

0  引言

近年来，由于部分地区极端天气问题比较突出，尤其是沿海地区台风暴雨等严重危害人民生命及财产的安全的灾难性气候，为此，国家也加大了对基础水利设施的投入，用于改善现有的行洪、排涝能力不足的现状。施工导流是水利工程中重点，而施工围堰又是施工导流的重要组成部分，鉴于此，本文就根据典型围堰形式在工程实例中的运用展开讨论，期望对相关工作起到参考作用。

1  围堰的作用和分类

围堰是指水利工程中，为了建设永久水利设施，临时修建的围护结构。一般用于水工建筑中，用作临时性挡水，因此大部分作为临时工程，用完后拆除。

围堰根据所用材料的不同，可大概分为以下几种：钢板桩围堰、土石方围堰、膜袋砂围堰、草土围堰、木笼围堰、混凝土围堰等。工程实施过程中还应考虑当地的具体条件，在满足围堰的基本要求的前提下，进行技术经济比较，选择最优的围堰种类。下面对钢板桩围堰、膜袋砂围堰两种围堰形式的优缺点进行研究并根据工程实例进行分析。

1.1 钢板桩围堰

钢板桩围堰是最常用的一种围堰形式，钢板桩是带有锁口的一种型钢，其截面形式有直板形、Z形及槽形等。常见的有拉尔森式，拉克万纳式等。其优点为：材料强度高，容易打入坚硬土层;可在深水中施工，且防水性能较好;因其由许多互相连接的单体所构成组成，能按需要组成各种外形的围堰，且可多次重复使用，因此，它的用途广泛。在水工建筑中，一般施工面积很大，则常用以做成构体围堰。围堰所围护的范围很大，不能用支撑支持堰壁，因此每个单体都能独自抵抗倾覆、滑动和防止联锁处的拉裂。钢板桩围堰适用于深水或深基坑，流速较大的黏性土、砂类土、碎石土及风化岩等坚硬河床。

1.2 膜袋砂围堰

膜袋砂围堰是一种比较新型的围堰，施工的原理是先用土工布缝制成布袋，使用水力吹填的方法，将砂土充填进入袋中，构筑成定性的围堰，随着砂土的脱水固结，最后形成一道挡水围堰，膜砂带围堰较其他形式的围堰，有整体性强，自身稳定性好，抗冲刷性强，抗水压强，可适用于淤泥质基础，对软土地基的变形和沉降适应性强，结构简单便于施工且施工速度相对较快等优点。

2  实例分析

本文以广州市南沙区横沥工业园外江水闸泵站工程施工导流围堰为例，进行分析。

根据广州市南沙区横沥工业园外江水闸泵站工程地勘资料，本工程场址范围内为厚度较深的淤泥、淤泥质粉质粘土层和淤泥质粘土层，地基承载力较低，并且由现状外江河底面高程较低造成围堰高度较大。因此，围堰需采取必要的工程措施以确保一次能安全填筑至设计高程。

目前软土地基处理方法很多，从改善地基状态的效果上来说大致可以分为两类：一种是对软土地基进行加固，如排水固结法、强夯碎石桩法、水泥土搅拌桩和爆破挤淤，这几类方法通过提高地基土层的强度参数或形成复合地基提高地基承载力;另一种是利用力的平衡原理，通过改善地基土体受力状态维持围堰稳定，如换填垫层法和反压平台法，具体方案应根据天然地层的条件、地基处理要求和工程实践经验，并从技术、经济及施工进度等方面进行选择。

根据沿海地区工程经验，本工程外围堰适合的堰型有钢板桩围堰和土工织物模袋充填砂土围堰。本工程外江围堰即采用此两种堰型进行比选，选择技术可行，经济可靠者为推荐方案。

2.1 围堰整体稳定计算公式

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013），堤身整体抗滑稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，基本公式如下：

2.2 外围堰整体稳定计算工况

本工程外江围堰稳定计算分两种工况：

①水位降落期迎水坡稳定，水位由施工期外江设计水位1.85m降落至多年平均低潮水位-0.65m。

②稳定渗流期背水坡稳定，计算在施工期设计水位1.85m形成稳定渗流的情况下背水坡稳定情况。

2.3 外围堰两种堰型整体稳定计算结果

根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004），第3.4.12条规定4级～5级土石围堰，其稳定安全系数不小于1.05，本工程围堰级别为4级，因此其稳定安全系数不小于1.05即满足要求。根据设计堰型结构和布置，本工程两种方案堰型稳定计算成果见表1和表2所示。

2.4 堰型方案选定

2.4.1 外江围堰堰型选定

从表1和表2围堰整体稳定计算成果可知，两种堰型在技术上均可行，均能保证基坑安全。因此，堰型选择的因素就可以排除技术上的可行性，根据本工程外江地形地质条件，影响堰型选择的决定性因素为围堰布置和围堰工程造价两方面。

本工程四座外围堰均需填筑在相应内河涌出口处，围堰已伸入外江河道，空间受很大限制，且出口处即为洪奇沥水道河床岸坡，洪奇沥水道为航道，常有千吨级船只通行，若采用土工织物模袋充填砂土围堰需修筑在岸坡上，轮船通过之后形成的波浪对围堰冲击很大，根据以往工程经验，极易失稳，为保证稳定，土工织物模袋充填砂土围堰填筑坡度較缓，占地面积过大，对洪奇沥水道有较大缩窄，造成水流流速增大，易对河床造成冲刷，危及两岸堤防安全，在本工程主体工程修建于内河涌出口的情况下，围堰的填筑还要考虑对附近建筑物的影响，二涌西出口右岸建有粮食储备中心高桩码头，左侧建有冯马庙水文站，土工织物模袋充填砂土围堰占地范围广，围堰轴线需向外河凸出很多，强行实施填筑围堰，占地范围必定影响码头和水文站，轻微滑动即可造成码头和水文站破坏，损失难以估计，本堰型难以实现。相比之下钢板桩围堰轴线可向内河大幅度移动，占地范围大大缩小，能克服土工织物模袋充填砂土围堰遇到的困难，且所用砂土吹填量少，在两种堰型施工均需要在水上作业的情况下，钢板桩围堰施工难度并不明显。造价方面，经计算，三座钢板桩外围堰工程直接费为721.62万元（其中一涌西154.70万元、二涌西227.01万元、三涌西339.91万元）;三座土工织物模袋充填砂土围堰工程直接费为1667.44万元（其中一涌西127.87万元、二涌西556.76万元、三涌西982.81万元），钢板桩围堰能节省投资1227.12万元，优势明显。因此，从工程布置、技术经济比较可知，钢板桩围堰优势较大，本阶段外围堰选定堰型为钢板桩围堰。外围堰详见图1。

2.4.2 内河围堰堰型选定

本工程内河河底均比较平缓，河口宽度较小，且河底高程普遍较高，内围堰工程量小很多，两种围堰轴线平行或重合，围堰轴线长度相差无几，虽然土工织物模袋充填砂围堰依然比钢板桩围堰填砂量要大，但因围堰高度基本一致，且钢板桩单价较贵，钢板桩围堰在造价方面相比土工织物模袋充填砂围堰就无明显优势，再者内河场地开阔、施工方便，模袋砂围堰的施工更方便快捷，因此，初步设计内围堰选定堰型为土工织物模袋充填砂围堰。内围堰详见图2。

2.5 围堰结构设计

根据水文计算成果，外围堰的枯水期20年一遇设计洪水位为1.85m;根据围内地面高程确定内围堰的设计水位为1.00m。除四涌西水闸采用现状水闸作为施工期外江围堰外，其余建筑物施工期外江围堰均采用钢板桩围堰。结合本工程施工场地实际情况，参照相关工程经验，本工程外围堰考虑采用钢板桩围堰，其型式为采用2排拉森Ⅳ型钢板桩围闭，中间用钢管对撑，钢筋对拉，两桩内填充砂形成挡水结构。外围堰，其设计挡水位为1.85m，考虑波浪爬高（0.54m）及安全超高（0.50m），堰顶高程计算得为2.89m，设计取围堰顶高程为3.00m。内围堰除一涌西水闸采用封堵现状内河二闸作为施工期内河围堰外，其余建筑物施工期内河围堰均采用土工织物模袋充填砂围堰。内围堰，其设计挡水位为1.00m，考虑波浪爬高及安全超高，内围堰的堰顶高程取为1.50m。根据本工程布置，结合水闸出口不同的地形条件，除四涌西水闸采用现状水闸作为外围堰外的其余三座外围堰的主体结构型式一致，均为钢板桩围闭内填砂。根据外河河床地形，为保证围堰稳定，分别采用不同的压脚、护脚型式。

3  结语

总之，围堰的选择最终还是根据工程的具体情况，进行方案的可行性比较，充分考虑工程的技术方案以及工程造价等综合因素决定围堰的种类。总的来说对于施工时间短，深水或深基坑，流速较大地质情况较好的坚硬河床，建议使用钢板桩围堰;对于施工工期长，水深较浅，流速较小，河床渗透性较小，地质条件为较差的工程，适合使用土石围堰;对于水深浅，砂源充足，淤泥质软地基基础的工程适合采用膜袋沙围堰。

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