某城区河道拦河闸坝工程施工导流设计要点分析

范 煌

(中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060)

随着城市水系治理理念的完善，城市水利向着生态景观化方向不断发展，目前的生态河道中，拦河闸坝类型多种多样，因其在营造宽阔的景观水面功能基础上兼具良好的防洪能力而得到大量应用。拦河闸坝的施工一般需要施工导流，受水文气象条件等不确定性因素影响，施工周期长、风险高，规模较大的拦河闸坝甚至需要跨年度施工，而城市河道治理项目往往有多个拦河闸坝同步实施，如何针对各个拦河闸坝结构特点因地制宜地采取合适的施工导流方案，又能将各施工方案有机结合，是城市河道治理项目面临的问题。

1 工程概况

1.1 拦河闸坝工程概况

某城区河道生态治理项目位于湖北省，隽水河为该城区主要的行洪通道，而铁柱港为隽水河的主要支流，通过新建拦河闸及生态堤岸来改善水系生态环境，提高城区防洪保障能力。该项目布置拦河闸坝3座，其中隽水河下游段布置钢坝闸枢纽1座，铁柱港上游段布置拦河闸2座，坝型分别为橡胶坝及重力式固定坝，具体见图1。

图1 拦河闸坝工程布置图

1)隽水河钢坝闸枢纽。位于隽水河下游河道桩号JSK1+084 m处，主要由钢坝闸和电站厂房两部分组成，主要功能是蓄水及发电。钢坝闸枢纽坝轴线总长206.84 m，其中钢坝闸段长168.62 m，电站厂房段长38.22 m。钢坝闸共布置3跨，单跨净宽47.00 m，闸室挡水高度4.7 m。电站厂房为河床式厂房，3台轴流定桨式机组并排布置，装机容量为3×300 kW。混凝土浇筑量约2.84万m3。

2)铁柱港橡胶坝。位于铁柱港上游河道桩号TZK3+609 m处，为充水式橡胶坝，坝轴线总长90.0 m，由右侧85.0 m长橡胶坝段以及左侧5.0 m长放空闸段组成，橡胶坝段采用单跨布置，挡水高度3.7 m。混凝土浇筑量约0.67万m3。

3)铁柱港固定坝。位于铁柱港上游河道桩号TZK3+125 m处，为重力式固定坝，坝体采用C30埋石混凝土现浇，坝轴线总长125 m，分6个坝段，坝身挡水高度2.0 m。混凝土浇筑量约0.67万m3。

1.2 施工期导流标准

根据通城水文站1959～2013年的径流统计结果，流域水量最少的时段为10月～次年2月。径流年内分布不均，年径流多集中在3～9月份，径流量占全年的80.3%，枯水期10月～次年2月的径流量仅占全年的19.7%，流域径流的年内分配变化较大。

拦河闸坝施工选择在枯水期进行，由于本项目11月份才具备进入施工准备期的条件，综合考虑拦河闸坝规模，将11月至次年3月作为第一个施工导流时段。导流建筑物均为5级，相应土石类导流建筑物导流标准在重现期5～10年一遇范围选择，考虑到拦河闸建筑物的重要性，且两种标准流量差别不大(约19%)，导流标准采用施工期重现期10年一遇[1]。拦河闸导流标准及施工期的洪水成果见表1。

表1 拦河闸导流标准及11月～次年3月施工期的洪水成果表

2 施工导流设计要点

鉴于本项目拦河闸坝类型各异，土建工程量及机电设备安装要求相差大，且部分闸坝相距较近使得导流建筑物施工互有影响，设计在摸清各类闸坝施工特点基础上，因地制宜地针对各闸坝地形地质条件及导流方案相互关系进行综合分析，确定最佳的施工导流方案。其中，施工导流方式、导流建筑物布置、导流施工组织调度、围堰结构型式是施工导流设计的要点，本文对以上要点进行简明扼要地阐述和分析。

2.1 施工导流方式的确定

一般拦河闸坝施工导流倾向于采用一次拦断河床围堰导流方式，此方式有利于加快施工进度，缩短工期[2]，对于本项目，此种导流方式需在基坑边开挖导流明渠，涉及河道沿岸的临时征地。对于闸址处河宽较大，两岸用地受限无法布置导流建筑物的情况则考虑采用河床内分期围堰导流。除闸址地形条件，施工工期需要及闸型特殊要求也是影响施工导流方式的关键因素，其分析表见表2。

表2 拦河闸导流方式关键影响因素分析表

2.2 导流建筑物布置

3座拦河闸坝的导流建筑物按河床内分期围堰导流及一次拦断河床围堰明渠导流两种导流方式区分，分期围堰导流建筑物布置要点是确定各施工期主体工程施工内容及相应导流围堰的布置，而一次拦断河床围堰明渠导流建筑物要点是导流明渠断面的确定，分别论述如下。

2.2.1 分期围堰导流建筑物布置

影响分期围堰导流建筑物布置的因素一般是多方面的，而关键因素为闸址河道地形条件及拦河闸坝布置，分期围堰导流建筑物布置原则见表3。

表3 分期围堰导流建筑物布置原则分析表

参照以上布置原则，对隽水河钢坝闸枢纽及铁柱港固定坝的导流布置进行简要说明。

1)隽水河钢坝闸枢纽。钢坝闸枢纽两期导流围堰分别在连续的两个枯水期。电站厂房位于河床右侧，现状河床左侧为河槽，一期导流施工右岸钢坝段1及电站厂房，利用左侧河槽导流；二期导流施工左侧钢坝段1及钢坝段2，二期纵向围堰与一期已实施的3号启闭机室闸墩连接，利用一期已施工完成的钢坝段1进行导流。钢坝闸枢纽分期导流布置如图2所示。

图2 隽水河钢坝闸枢纽分期导流布置图

2)铁柱港固定坝。铁柱港固定坝在一个枯水期内实施两期导流围堰。现状河床右侧为浅滩，左侧河槽，安排一期导流施工右侧浅滩上的3个坝段，利用现状左侧河槽导流；二期导流施工左侧3个坝段，利用一期已施工完成的3个坝段进行导流，由于固定坝没有闸墩，二期围堰是跨过一期已实施坝段的。铁柱港固定坝分期导流布置如图3所示。

图3 铁柱港固定坝分期导流布置图

2.2.2 一次拦断河床围堰明渠导流建筑物布置

明渠导流建筑物布置的要点是明渠断面的确定，明渠断面面积降低，相应上游围堰高度加高，明渠内水流流速加大，需从造价、水流冲刷影响等方面分析。铁柱港橡胶坝在一个枯水期内实施，右岸导流明渠长249.0 m，渠底高程与同上下游现状河底，现状右岸地面高程较高具备放坡开挖的条件，渠底原状土层为强风化花岗岩。开挖明渠拟采用梯形断面的型式，两侧边坡坡比1∶2，在暂不考虑其他拦河闸坝施工导流影响的前提下，对渠宽10、15、20 m三种断面方案进行综合比较，具体详见表4。

表4 导流明渠断面方案比较表

由表4可知，10 m渠宽方案造价最省，15 m渠宽方案造价次之，约超过方案一3.7%，20.0 m渠宽方案造价最高，超过方案一15.7%，从造价方面来看，方案一与方案二是接近的。由于过流面积的减少，方案一较方案二最大流速急剧增长，超过一般岩层能承受的抗冲流速，考虑到导流明渠为临时工程，洪水位以下岸坡采用袋装砂进行防护，而渠底为强风化岩层维持原状，从工程安全角度看，两个方案中选取15.0 m底宽明渠方案更为合理，施工期如渠底遭洪水冲刷，可在洪水过后采用袋装砂对冲坑进行回填[3]。铁柱港橡胶坝明渠导流布置如图4所示。

图4 铁柱港橡胶坝明渠导流布置图

2.3 拦河闸工程施工组织调度

拦河闸坝工程施工导流方案初步拟定后，对各座拦河闸坝施工之间关联性进行分析[4]，确定拦河闸坝工程的施工组织调度方案。该项目3座拦河闸坝中，隽水河钢坝闸枢纽与其他2座拦河闸坝位于不同河道，且无上下游关系，施工互不干扰，可在两个枯水期内独立进行施工。对布置于铁柱港上游的橡胶坝及固定坝，坝轴线之间相距484 m，而导流围堰之间最小间距320 m，如果导流时段均定在第一个枯水期，下游固定坝导流围堰的建设会束窄河床，从而抬高了上游橡胶坝坝址处的施工期设计水位，需加高橡胶坝上下游导流围堰堰顶高程；如果将2座拦河闸坝施工导流时段安排在两个枯水期，先行施工上游的橡胶坝，则可以避免以上问题，有效降低围堰规模，铁柱港橡胶坝及固定坝施工时段分析见表5。

表5 铁柱港橡胶坝及固定坝施工时段比较表

2.4 围堰结构型式

常见的围堰型式有土石围堰、混凝土围堰及钢板桩围堰等，其中土石围堰能充分利用当地材料，对地基适应性强，工艺简单，有条件情况下一般优先采用[5]。土围堰应考虑其防渗性能，本工程场地周边粘土土料丰富，且生态堤岸工程尚需粘土料筑堤，拟将临时工程与该项目堤岸工程的土料进行结合，3座拦河闸坝均利用粘土筑堰，堰型为粘土均质堰，在施工导流完成后将土围堰拆除，围堰水上部分直接开挖，水下部分可采用机械倒退法挖运[6]，拆除的粘土料用作该项目堤岸工程的回填料。粘土均质导流围堰断面图见图5。

图5 粘土均质导流围堰断面图

导流围堰堰顶宽取4.0 m，临水侧边坡1∶2，基坑侧边坡1∶2.5，临水侧设0.6 m厚袋装土以防冲刷。粘土围堰堰身具有良好的防渗性，但3座围堰建基面均有不超过1.5 m厚的砾砂层，下伏强风化至中风化花岗岩层，砾砂层为强透水层但埋深不大，在堰前设穿透砾砂层的粘土防渗槽，并在迎水侧全坡面铺设单层土工膜，粘土防渗槽可在河道低水位时段筑子堰进行围护施工。

3 结 语

1)大型河道治理项目中拦河闸闸型及数量多，各拦河闸施工导流方案应综合统筹制定，设计在摸清各类闸坝施工特点基础上，因地制宜地针对各闸坝地形地质条件及导流方案相互关系进行综合分析。抓住施工导流方式、导流建筑物布置、导流施工组织调度、围堰结构型式等设计要点，是解决复杂拦河闸坝工程施工导流设计的关键。

2)分析多个拦河闸工程施工导流方案之间的关联性，选定最优的施工顺序。合理的施工组织调度可在不延误施工总工期的前提下降低施工导流建筑物工程量，节省成本。

3)拦河闸施工导流围堰筑堰材料考虑与整个项目永久工程材料的结合，本项目中围堰采用粘土料作为筑堰材料，在满足堰身的防渗需要的同时，围堰拆除后可再用作该生态堤岸工程的填料，合理的围堰型式在提高围堰安全性的同时在一定程度上节省了施工成本。