CN104141287A - 内河工程引水施工方法 - Google Patents
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Abstract
一种内河工程引水施工方法，包括如下步骤：（1）设置拦水土坝的断面尺寸；（2）对拦水土坝断面尺寸进行渗水破坏验算和抗滑稳定验算；（3）设置引水管及其管径和数量；（4）建筑拦水土坝和埋设引水管；（5）建筑引水管进出口周边的保护设施；（6）引水；（7）拆坝放水。本发明相比较现有技术，其埋设HDPE管引水更具有可控性,如遇突发情况可通过钢板逐一堵住进水管口，及时遏制情况进一步恶化，是一种施工便捷、安全可靠、经济的引水施工方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种内河工程引水施工的方法，特别是一种采用预埋引水管进行内河引水的施工方法。
背景技术
近年来，我国内河航运基础设施建设正如火如荼地展开，尤其是新建航道开挖工程。一般新建航道待开挖至设计底标高及两岸护坡结构施工结束后，将进行引水施工。现今引水一般采取破坝引水工艺和溢流堰引水工艺。即先在水源与新建航道间预留土坝，待具备引水条件时，在土坝中开挖沟槽引水，或者全断面降低土坝标高至水源标高以下，进行溢流坝引水。上述两种方法虽然施工便捷，但如果引水不慎，土坝被冲刷后易导致溃坝，两岸护坡结构也有被冲垮的可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种采用预埋引水管进行内河引水的施工方法。
本发明采用了下列技术方案解决了其技术问题：一种内河工程引水施工方法，包括如下步骤：
（1）根据被截流河道状况以及新航道工程的具体要求，设置拦水土坝的断面尺寸，即拦水土坝的顶宽、底宽、顶标高、底标高以及两侧坡比度。
（2）对步骤（1）所设置的拦水土坝断面尺寸进行渗水破坏验算和抗滑稳定验算，
渗水破坏验算要求水力坡降i 小于发生流土的临界水力坡降icr，
，
式中：△h为拦水土坝顶高，L为拦水土坝底宽，
，
式中：Gs为土样比重，e为土样的孔隙比，
抗滑稳定验算要求沿坝基底的抗滑稳定安全系数Kc大于基本荷载组合系数3.0，
，
式中：f为粉质粘土抗剪断摩擦系数，取常数0.47，
ΣG为作用于坝结构上全部荷载对滑动平面的法向分值，
C为粉质粘土抗剪断粘结力，取常数0.025 Mpa，
A为坝基底面与岩基之间接触面面积，
ΣH为作用于土坝上的全部荷载对滑动平面的切向分值，
上述两项验算符合要求，则进入步骤（3），如其中任意一项不符合要求，则进入步骤（1）重新设置拦水土坝的断面尺寸。
（3）设置引水管及其管径和数量，所述的引水管采用高密度聚乙烯塑料（HighDensity Polyethylene）制作的空心管材（以下简称HDPE管），根据新建航道需要的引水量以及工程期限要求，依据伯努利能量方程设置引水管的管径与数量。
（4）建筑拦水土坝和埋设引水管，按照步骤（1）、（3）的设置筑造拦水土坝并埋设至少一根引水管，如果引水管为多根，其间隔距离为5～15m，呈均布状，上游水源水位与引水管出口中心高程之差为1.5～2.5m。
铺设后的引水管需回填土进行压实，并在引水管进水口处周边采用袋装土叠砌并挤压密实；
（5）建筑引水管进出口周边的保护设施，在引水管进口处拦水土坝的外侧堆土形成临时隔坝，在引水管出水口处设置防冲刷保护设施。
（6）引水，在隔坝中间开挖引水沟槽以引水入管，并准备一块面积大于引水入管口的钢板作为临时闸门之用，发生紧急情况时可使用钢板封住进水口，再填土入引水沟槽进行截流。
（7）拆坝放水，当新建航道内水位达到预订标高后，采取挖掘机直接开挖破坝，取出土坝中的引水管，在土坝中间的主管位置开挖一沟槽放水，待土坝两侧水位齐平，在土坝上铺设钢板作为土坝土方出运的便道，由挖掘机从沟槽处分别向两侧开挖出运土方，土坝水下残余土方用挖泥船进行挖除。
本发明采用预埋HDPE管进行引水，HDPE管与PVC管和钢筋砼管相比虽价格偏高，但管体自身质量轻，抗压强度高，耐磨损，具有一定的柔度，适应性强，且管与管采用热熔连接，管体连接处密封性好，而PVC管和钢筋砼管连接处易渗水冲刷土坝。
本发明与现有技术中破坝引水、溢流堰引水技术相比较，其突出特点在于更具有可控性。
1、水流量可控，根据新建航道总库容和引水进度，可得出单位时间内水流量，通过自由出流伯努利方程：和淹没出流伯努利方程：，即可得出我们需要埋设HDPE管的总截面面积。并且在引水过程中可根据需要随时增加或减少相应管径的HDPE管，达到控制水流量的目的。
2、突发情况可控，HDPE管管径一般最大不超过1m，单管流量有限，一旦航道两岸的护坡结构稳定性有风险，可通过钢板逐一堵住进水管口，及时遏制情况进一步恶化。
由此，本发明是一种施工便捷、安全可靠、经济的引水施工方法。
附图说明
图1为L基地内河工程拦水土坝平面示意图。
图2为拦水土坝断面示意图。
图3为引水管埋设示意图。
图4为引水管进水口保护示意图。
图5为引水管出水口伸出坝体示意图。
图6为引水管出水口处为Z字形示意图。。
图7为引水管出水口处筑丁坝和混凝土护底的示意图。
图8为引水管出水口出筑丁坝和HDPE防渗膜的示意图。
图9为土坝拆除时的平面示意图。
图中各序号分别表示为：1-被截流Q河；2-拦水土坝；3-新建航道；4 -引水管；5-隔坝；6-丁坝；7-HDPE防渗膜；8-袋装土；9-彩条布；10-挖掘机；11-混凝土护底。
具体实施方式
以下结合实施例以及附图对本发明作进一步的描述。
参见图1，本实施例将结合L基地内河工程详细描述本内河引水工艺。
步骤（1）：根据被截流Q河1的状况以及新建航道3工程的具体要求，设置拦水土坝2的断面尺寸，即拦水土坝2的顶宽、底宽、顶标高、底标高以及两侧坡比度。
参见图2，被截流Q河1最高水位为+2.8m，Q河两侧驳岸挡墙顶标高为+3.4m，拦水土坝2顶标高可参考驳岸挡墙顶标高定为+3.5m。考虑后期挖掘机10要在坝顶进行作业，挖掘机10一般占地尺寸为3×6m，为保证挖掘机10作业安全，土坝顶宽定为8M。由于该拦水土坝2由开挖航道的土方填筑而成，参考港口工程施工手册，潮湿的填方土的休止角为27°，即坡比为1:2。航道底标高为-1.5m，可得拦水土坝断面尺寸为顶宽8m，底宽28m，顶标高+3.5m，底标高为-1.5m，两侧坡比均为1:2。
步骤（2）：对步骤（1）所设置的拦水土坝2断面尺寸进行渗水破坏验算和抗滑稳定验算，
渗水破坏验算要求水力坡降i 小于发生流土的临界水力坡降icr。
水力坡降，
取Gs为土样比重为2.70，土样孔隙比e为0.76，
，
由此，i<icr，所以土坝不会发生流土及渗水现象。
抗滑稳定验算要求沿坝基底的抗滑稳定安全系数Kc大于基本荷载组合系数3.0。
其中沿坝基底的抗滑稳定安全系数。
根据基本组合下的完建后最不利工况，即土坝西侧被截流Q河1水源最高水位以及土坝东侧新建航道3无水时的工况，坝体尺寸及受力分析如图2所示。
作用于坝结构上全部的法向荷载ΣG=水源作用于坝体的法向荷载（）+坝体自身重力荷载（G）+渗透力(ΣU)，即：
作用于坝结构上全部的切向荷载，
粉质粘土抗剪断摩擦系数f取常数0.47，粉质粘土抗剪断粘结力C取常数0.025 Mpa，坝基底面与岩基之间接触面面积A取单位宽度28 m2，
由此，，所以该拦水土坝稳定。
上述两项验算符合要求，按照上述断面尺寸进行筑坝能满足施工要求。
步骤（3）：设置引水管4及其管径和数量，所述的引水管4采用HDPE管，根据新建航道需要的引水量以及工程期限要求，依据伯努利能量方程设置引水管4的管径与数量。
引水管4流量按照伯努利能量方程进行计算，其中出水口未被水淹没时，应用自由出流伯努利方程，出水口被水淹没时，应用淹没出流伯努利方程。
上述两式中，、—引水管流量（m3/s），对于具有自由出流和淹没出流的项目总流量应为二者之和，
—引水管横断面面积（m2），
—总水头（m），，
其中，—上游水源水位与引水管出口中心高程之差（），可依据项目情况取值为1.5m～2.5m，
—包括行进水头的作用水头（m），，
其中，—上游水源水位与新建航道即时水位高程之差（m），
另外，两伯努利能量方程中，—流量系数，，
其中，—管道长度（m），
—各局部阻力系数之和，对于不同工况可在给水排水设计手册第07册中查得，
—沿程阻力系数，，
—流速系数（m1/2/s）， ，
—引水管粗糙度，
—水力半径，引入管断面积比断面湿周，圆管为直径（m），
引水管4入口流速很小时，行近流速水头可忽略不计，则按()计算。
类似项目可依据项目需要引水量和工期的要求，结合实际情况对管径d、高差H（Z）及埋管数量等进行计算确认。
本实施例工程中选择一根Φ630HDPE管和两根Φ400HDPE管，上游水源水位与引水管4出口中心高程之差为1.5米和2.0米，各参数取值及计算结果如下表1、2。
表1自由出流计算参数及结果
表2淹没出流计算参数及结果
本实施例工程航道需要引水量约为65万方。经上述公式计算，埋设1根Φ630HDPE管及2根Φ400HDPE管能在一周内达到要求引水总量，并能满足施工进度需求。验证管径选择和流量计算符合项目情况。
步骤（4）：建筑拦水土坝2和埋设引水管4，按照步骤（1）、（3）的设置筑造拦水土坝2并埋设至少一根引水管4，如果引水管4为多根，其间隔距离为5～15m，呈均布状，上游水源水位与引水管4出口中心高程之差为1.5～2.5m。
本实施例中，为减少水流对护岸结构的冲刷，Φ630HDPE管作为引水主管埋在航道中间位置，两根Φ400HDPE管作为次管埋设在距离主管10m位置处，铺设断面图如图3所示。为确保安全，引水管4的埋设应尽量在被截流Q河1低水位时进行。
即便对进口水流采取消能措施，流水依然会对管口土坝有一定冲刷，而且水流会沿管体与土坝间缝隙渗流，对土坝内部形成冲刷，威胁土坝安全。为保证引水管4的稳定性，所述的引水管4进水口周边袋装土8的底层面铺设塑料材质防水彩条布9，铺设后采用袋装土8叠砌并挤压密实，如图4所示。
步骤（5）：对建筑引水管4进出口周边的保护设施。
建筑引水管4进口周边的保护设施。由于航道引水时水流会对进水口拦水土坝2形成冲刷，为减少这一影响，在引水管4进口处拦水土坝2外侧堆土形成隔坝5。该隔坝5在被截流Q河1河道的一侧自拦水土坝2向外延伸2～3米。
建筑引水管4出水口处的防冲刷保护设施。由于出水口处水流较大，流水会对土坝及航道底部形成冲刷，因此需对引水管4出水口采取保护措施，可以采用以下两种技术方案：
1、当引水管4出水口超出拦水土坝2斜面，远离坝体时，将其设置成Z字形，出水口直接触及河底面，参见图6。此种方式中水流经过两个弯段的阻挡，局部水头损失增大，出水口水流放缓，对航道底部冲刷减小，且将水直接引至河底，远离坝体，对坝体无冲刷，是为最安全的埋设方式。
当然，如果引水管4有足够长，出口远离坝体，流水只会对河底形成冲刷，所以只需对河底进行简单防冲刷措施即可，此形式也是比较安全的一种方案，参见图5。
2、当因管材等原因无法将引水管4埋设成理想的安全方式，出水口仅探出土坝，并在在拦水土坝2斜面内时，应在引水管4出水口与拦水土坝2斜面之间设置丁坝6，参见图7，该丁坝6表面铺设砼层。
在丁坝6周边的河底设置混凝土护底11。所述的混凝土护底11为一锅底形，其上口半径为2m，该锅底采用15cm厚的C20素砼垫层，锅底外侧向新建航道3方向延伸2m形成引水沟槽，该引水沟槽宽1m，该锅底上口周边和引水沟槽周边亦采用15cm厚的C20素砼垫层进行防护。
或者在丁坝6周边的河底铺设高密度聚乙烯塑料制作（HDPE）的防渗膜7，该HDPE防渗膜7的四周用袋装土压载密实，参见图8。
步骤（6）：引水。
在隔坝5中间开挖引水沟槽以引水入管，并准备一块面积大于引水入管口的钢板（80×80×0.8cm）作为临时闸门之用，发生紧急情况时可使用钢板封住进水口，再填土入引水沟槽进行截流。所述的引水沟槽两侧铺设能防止水流冲刷的塑料材质防水彩条布。
步骤（7）：拆坝放水。
本实施例工程经过7天的管中引水，新建航道3内水位达到预订标高+1.5m。由于拦水土坝2两侧水位高差只有1.2m，具备了破坝放水的条件。
参见图9，拆坝采取挖掘机10直接开挖，取出拦水土坝2中的引水管4，在土坝中间的主管位置开挖1m宽度沟槽放水，经过3小时放水，土坝两侧水位齐平，在土坝上铺设钢板作为土坝土方出运的便道，由挖掘机10从沟槽处分别向两侧开挖出运土方，土坝水下残余土方用挖泥船进行挖除。
Claims (7)
1.一种内河工程引水施工方法，包括如下步骤：
（1）根据被截流河道状况以及新航道工程的具体要求，设置拦水土坝的断面尺寸，即拦水土坝的顶宽、底宽、顶标高、底标高以及两侧坡比度；
（2）对步骤（1）所设置的拦水土坝断面尺寸进行渗水破坏验算和抗滑稳定验算，
渗水破坏验算要求水力坡降i 小于发生流土的临界水力坡降icr，
，
式中：△h为拦水土坝顶高，L为拦水土坝底宽，
，
式中：Gs为土样比重，e为土样的孔隙比，
抗滑稳定验算要求沿坝基底的抗滑稳定安全系数Kc大于基本荷载组合系数3.0，
，
式中：f为粉质粘土抗剪断摩擦系数，取常数0.47，
ΣG为作用于坝结构上全部荷载对滑动平面的法向分值，
C为粉质粘土抗剪断粘结力，取常数0.025 Mpa，
A为坝基底面与岩基之间接触面面积，
ΣH为作用于土坝上的全部荷载对滑动平面的切向分值，
上述两项验算符合要求，则进入步骤（3），如其中任意一项不符合要求，则进入步骤（1）重新设置拦水土坝的断面尺寸；
（3）设置引水管及其管径和数量，所述的引水管采用高密度聚乙烯塑料制作的空心管材，根据新建航道需要的引水量以及工程期限要求，依据伯努利能量方程设置引水管的管径与数量；
（4）建筑拦水土坝和埋设引水管，按照步骤（1）、（3）的设置筑造拦水土坝并埋设至少一根引水管，如果引水管为多根，其间隔距离为5～15m，呈均布状，上游水源水位与引水管出口中心高程之差为1.5～2.5m；
铺设后的引水管需回填土进行压实，并在引水管进水口处周边采用袋装土叠砌并挤压密实；
（5）建筑引水管进出口周边的保护设施，在引水管进口处拦水土坝的外侧堆土形成临时隔坝，在引水管出水口处设置防冲刷保护设施；
（6）引水，在隔坝中间开挖引水沟槽以引水入管，并准备一块面积大于引水入管口的钢板作为临时闸门之用，发生紧急情况时可使用钢板封住进水口，再填土入引水沟槽进行截流；
（7）拆坝放水，当新建航道内水位达到预订标高后，采取挖掘机直接开挖破坝，取出土坝中的引水管，在土坝中间的主管位置开挖一沟槽放水，待土坝两侧水位齐平，在土坝上铺设钢板作为土坝土方出运的便道，由挖掘机从沟槽处分别向两侧开挖出运土方，土坝水下残余土方用挖泥船进行挖除。
2.根据权利要求1所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：步骤（5）所述的隔坝在被截流河道一侧自拦水土坝向外延伸2～3米。
3.根据权利要求1所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：步骤（6）所述的引水沟槽两侧铺设能防止水流冲刷的塑料材质防水彩条布。
4.根据权利要求1所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：步骤（4）所述的引水管进水口周边袋装土的底层面铺设塑料材质防水彩条布。
5.根据权利要求1所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：步骤（5）所述的在引水管出水口处设置防冲刷保护设施为：当引水管出水口超出拦水土坝斜面，远离坝体时，将其设置成Z字形，出水口直接触及河底面；当引水管出水口在拦水土坝斜面内时，在引水管出水口与拦水土坝斜面之间设置丁坝，该丁坝表面铺设砼层。
6.根据权利要求5所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：在丁坝周边的河底设置混凝土护底；或者在丁坝周边的河底铺设高密度聚乙烯塑料制作的防渗膜，该防渗膜的四周用袋装土压载密实。
7.根据权利要求6所述的一种内河工程引水施工方法，其特征在于：所述的混凝土护底为一锅底形，其上口半径为2m，该锅底采用15cm C20素砼垫层，锅底外侧向新建航道方向延伸2m形成引水沟槽，该引水沟槽宽1m，该锅底上口周边和引水沟槽周边亦采用15cm厚的C20素砼垫层进行防护。
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