淮河截流方案的技术与经济效益分析

根据本次截流的难点和特点,结合工程的实际情况和水力学计算成果,编制了不采用沉船措施和采用沉船措施两种情况下的截流方案,并对两个方案进行比较分析,以选定合理的截流形式,选定后的截流方案作为指导截流工程的主要技术文件。

1.不采用定位沉船措施的技术、 经济效益分析

由于截流条件的变化,造成龙口抛投材料的变化、戗堤结构的改变和交通条件的改变,急剧增加了截流的难度。在不采用定位沉船措施的截流方案前提下,制订的戗堤结构形式、抛投材料和资源配置技术方案如下。

(1)戗堤结构形式设计。根据截流前对截流流量和导流条件的分析,截流时戗堤上游可能到达水位20.50m,考虑戗堤安全超高,取2m 的超高,故截流戗堤高程定为22.50m;考虑到戗堤堤顶在截流时的交通强度,堤顶宽度定为30m;根据以往施工经验,并参考类似工程,水下部分边坡为自然坡土约为1∶5,石为1∶1.5;水上部分考虑戗堤的稳定,上游坡定为1∶3,下游坡定为1∶2。考虑到截流时的抛投强度和抛投粒径,截流时的自卸汽车的载重能力需满足大于60t。因此,为满足截流时的抛投强度和承载能力,堤顶应加铺1.0m 厚的3∶7灰土和0.6m 厚的二灰结石,并加铺6层高强度土工格栅,以作为戗堤道路的承载基层,其上再铺设35cm 厚的级配碎石作为戗堤道路的面层。具体结构形式如图4-2所示。

图4-2　戗堤结构断面图 (不采用定位沉船) (单位: m)

(2)截流材料加工、堆放。截流块石全部外购,截流石料的购置准备时间仅为20d,考虑采用水运和陆运相结合的运输形式。水运的截流石料集中堆放在戗堤下游侧的左、右岸,水运工程量约为0.9 万m3,陆运的截流石料堆放在右岸距离戗堤位置约0.5km 的空旷场地内,陆运工程量月考虑到1.2 万m3(其中包括用于装钢筋石笼的1.5万m3)。截流石料的堆放场地面积分别为:左岸滩地约1500m2(长50m,宽30m),右岸滩地段约1000m2(长50m,宽20m),右岸距离戗堤位置约0.5km 的空旷场地约20000m2(长200m,宽100m)。

四面体、六面体预制块的混凝土预制工程量较大,考虑部分由施工单位预制,部分联络附近专业预制厂定做,其中四面体预制块可利用临淮岗镇预制厂已预制好的成品 (与本工程设计的四面体结构尺寸基本相符,共计1300m3)。需预制的四面体、六面体混凝土共计3100m3,预制块的施工准备时间为13d。

依照计算出的现场预制混凝土的工程量,并结合以往工程的施工经验,施工单位需投入5座C30型滚筒式拌和机。

(3)截流资源配置。不采用定位沉船措施的截流方案中,直接用于截流的主要抛填材料 (考虑储备系数为1.5)工程量见表4-8。

从技术角度看,实施本方案时,材料的抛投强度大、戗堤的交通强度高、用于抛投的材料块径大、起重及运输设备要求吨位高。截流时间受抛投强度的制约,因此实施本方案的龙口合龙的速度较慢,按期截流成功的保证率较小。

(4)截流费用估算。依照工程施工时的市场材料价格和相关国家行业定额,初步估算直接淮河截流费用见表4-9。

表4-8　主要抛投材料工程量表

表4-9　淮河截流费用估算表(不采用定位沉船措施)

2.采用定位沉船的技术、 经济效益分析

根据本工程诸多难点和特点,结合围堰料源分布、施工能力、现场条件和截流准备时间等情况,本着经济、合理、可靠、安全、确保一次截流成功的原则,经对多种外界条件的分析、比较后提出了新型截流方式为:单戗堤(顶宽15m)单向进占、定位沉船、双向合龙。

此种截流方式的主要原理是:从右岸进占,逐步向左岸推进,逐步形成龙口,且在龙口束窄到一定宽度后,将装满石块的数条船只逐条下沉到设计位置。每条沉船犹如一个水闸的闸墩,船间的空隙犹如有一定开度的闸门(或涵管),这既能够在一定程度上起到泄流的作用,减少龙口单宽能量,降低截流难度,又能保证戗堤根基稳定,得到快速抛填推进。待每条沉船稳定后,立刻在其上面进行抛填截流材料进占,沉一条,进占一次,最后一条船定位沉放后,从两岸同时向沉船位置抛填石料,进行快速合龙,最后再上游侧抛填黏土料逐步闭气(相当于下闸截水),从而实现在安全的环境中成功截流。

(1)戗堤安全稳定处理。

1)戗堤道路的安全问题。施工期间填筑的戗堤土料含水量较高,填筑过程中压实比较困难。自卸汽车或推土机在戗堤上行走时,会造成戗堤土体横向滑动。为解决戗堤的安全问题,在戗堤顶部2.5m 范围内采取硬化处理,采用1.0m 厚的灰土路基和0.5m 厚三七灰土路面,路基下部1.0m 范围内铺设三道高强度土工格栅。采用上述方式处理后,有效地降低了戗堤上部土料的含水量,既增加了戗堤的整体性、安全性,又提高了堤顶施工道路路面的承载力和耐久性。(www.xing528.com)

2)戗堤的稳定问题。随着戗堤逐步推进,龙口宽度逐步束窄直至合龙,致使上、下游水位落差快速加大,可能会由于下游水位的较快回落,造成戗堤下游坡面下部的滑移 (即流变)和上部的塌方。为防止戗堤发生滑移或塌方,在戗堤下游水面位置打下两排木桩,以防止戗堤整体滑移,同时在戗堤下游侧堤肩位置打下一排木桩,以防止下游戗堤发生塌方;木桩采用强度较高的杉木桩,桩径大于20cm,间距为1.6m,桩长6～8m (见图4-3)。

图4-3　戗堤结构断面图 (采用定位沉船)

3)场区施工道路加固处理。投标及施工组织设计阶段时,料场通往截流作业面的施工道路结构型式是路基压实后,铺设30cm 厚三七灰土路面,即可满足设计施工强度要求。由于实际施工时,改为从右岸单向进占,(一个集中土料场,删除)施工强度成倍提高,设计的施工道路承载力和交通强度均不能满足施工要求。为确保截流目标的实施,经充分论证,在已成型的三七灰土路面的基础上再加铺35cm 厚的泥结碎石。

施工道路的维护设置10人组成的维护队,进行施工道路的日常维护。雨天停止施工时,路面及时用彩条布覆盖,并严禁车辆通行。

(2)定位沉船工艺。

1)戗堤裹头防护。当戗堤逐步进占直至龙口位置达到设计截流宽度 (本次龙口截流设计宽度为50m)时,水流流速达到2m/s,抛填的土料流失量已较大,停止土料抛填,改为块石抛填,当龙口束窄至35m 时,流速已达到3m/s,块石的流失量已很明显,停止块石抛投,对块石戗堤裹头位置采取了抛填钢筋石笼的防护处理措施,确保戗堤稳定。同时进行定位沉船的准备工作,并对施工道路全面进行整修。

2)定位沉船。船只的选择因地制宜,经对当地营运数量较多的大型 (150～200t)的铁驳船和混凝土驳船进行经济、技术分析比较,初步选定船只成本低、船只自重大的混凝土驳船。混凝土驳船船身长28m,宽5.5m,高2.5m,该船载重160t,船身自重20t。

将准备好的五条船停靠于截流围堰右岸上游侧,运石车直接运至装船码头,由人工进行装船。装船完毕后,将船体的船头设置两根钢索(φ26)的绑定点,进行拖动定位,两根钢索一端系于船头绑定点,另一端通过两岸锚固的定滑轮与牵引机械相连。设置在上游左、右岸的锚固点与围堰距离约100m,锚固点安装一定滑轮,牵引动力采用推土机。

牵引索的选择:按计算流速7m/s的情况下考虑定位、沉船,来计算单条船只的最大牵引力。船只的牵引设备采用TS140型推土机即可满足施工要求。

五条船在龙口部位由右岸向左岸逐条定位,定一条沉一条,沉船方式采用水泵向船体充水。

对于一个船体,从受力角度考虑,要使其准确定位,需要有船头和船尾两个地方的两维受力控制,即顺水流和垂直水流方向,而船头的牵引索通过两岸的牵引机械能够控制两个方向的受力(包括大小和方向),使船头准确定位。

3)合龙。船只下沉后,船上部分立即跟进抛石进占采用20t的自卸汽车将四面体、钢筋石笼、块石等抛投材料运至龙口两侧的堤顶上堆放,最后合龙时利用两岸T220型推土机同时向龙口中心进行高强度快速推进、抛投,直至龙口全部合龙(见图4-4)。

图4-4　龙口合龙立面示意图

(3)工程量分析。采用“单戗堤、单向进占、定位沉船、双向合龙”的截流方案时,直接用于截流的主要抛填材料(考虑储备系数为1.5)工程量见表4-10。

表4-10　主要抛填材料工程量表

(4)淮河截流费用估算。依照工程施工时的市场材料价格和相关国家行业定额,估算淮河截流费用见表4-11。

表4-11　淮河截流费用估算表(采用定位沉船措施)