CN117328410A - 一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基础、挖方、填方、地下或水下结构物技术领域，公开了一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，本发明中采用一次拦断、明渠导流的方式进行施工，通过改变设计思路，缩小导流明渠的设计流量到枯水期的平均流量，不再把安全冗余留在导流明渠本身上，而是留在溢流区和防溢流堤，这些安全冗余不用开挖且可与导流明渠同步施工，大大减少了导流明渠土方开挖量，并结合可快速装配的底轴驱动翻板闸坝，使整个施工过程可在一个枯水期内完成；同时，由于施工全过程被缩短到了一个枯水期内，使得导流明渠内即使出现超出设计流量的来水，超出的量也不大，通过设置溢流区和防溢流堤即可处理，使得缩小导流明渠的设计流量可行。
Description
技术领域
本发明涉及基础、挖方、填方、地下或水下结构物技术领域，特别是涉及一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法。
背景技术
拦蓄坝用来拦截江河渠道水流以抬高水位，调节径流，保持城市内河的生态环境。随着气候变暖，降水带北移，包括我国在内的北半球大多数国家面临着河流径流量变多，原本的水利设施不足以满足需求的问题，因而需要修建更多的拦蓄坝。
为了方便施工，现有的拦蓄坝施工主要是干地施工，也即用围堰把拦蓄坝所在的河段给围起来，使河道内无水。河水借助于拦蓄坝所在的河段并联的导流渠/导流隧道流动，其中最常用的为导流明渠。
导流明渠相当于一条临时的运河，其设计流量通常需能够通过五年一遇的洪水（SL623-2013 水利水电工程施工导流设计规范），部分工程甚至要求能通过十年一遇的洪水。这么一条运河需要开挖的土石方量是巨大的，其开挖过程占据了施工工期的很大一部分，且由于必须在这条运河开挖完成后，才能进行后续的施工。这导致一个拦蓄坝的施工需要历经多年，无法在一个枯水期内完成施工。同时往往还需要把围堰做成过水围堰的形式。
对于气候稳较为稳定的年代而言，一个水坝修建多年不成问题。但随着气候变化降水带北移，越来越多的地区出现了原有水利设施与降水量不匹配而导致的水灾。比如最近发生的涿州水灾，由于往年降水一直不多，因此其附近的河流上游未设置拦蓄坝，在2023年夏经历强降雨后无法采取防护措施，导致水涌向地势低洼的涿州。拦蓄坝修建周期长将导致这些地区多受几年水灾。本发明涉及的郎溪县城区水环境整合治理PPP项目有着类似的状况，其所在的郎川河近年来多次泛滥，工程晚竣工一年，当地便会多面临一年的水灾风险。
底轴驱动翻板闸坝又名钢坝，是一种施工快速的模块式预制拦蓄坝，其修建较快且观感好于传统的钢筋混凝土坝。但其在修建过程中依然需要开挖导流明渠，导致其修建时长相较于钢筋混凝土坝并无明显优势。
发明内容
本发明提供一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法。
解决的技术问题是：拦蓄坝施工需要开挖导流明渠，导致整个拦蓄坝施工的开挖工作量大且施工周期长。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，所述拦蓄坝的施工过程中采用一次拦断、明渠导流的方式使河道中的施工为干地施工；所述拦蓄坝在所在的河流的一个枯水期内完成施工，并包括以下步骤：
步骤一：在河岸一侧带有空地的河段上选取坝址，规划导流明渠的走向，使导流明渠远离坝址的一侧岸上地面为空地，所述空地记作溢流区；
步骤二：预测拦蓄坝所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，开挖导流明渠，所述导流明渠的设计流量为预测的枯水期平均流量；开挖的同时清理溢流区表面影响渗流的杂物并在溢流区边沿设置警示，并同时在导流明渠靠近坝址的一侧的边沿修建防溢流堤；
步骤三：在坝址上下游修建围堰，使河水沿导流明渠流动，坝址无水；
步骤四：开挖基坑并修建拦蓄坝，所述拦蓄坝为底轴驱动翻板闸坝；
步骤五：拆除围堰并恢复河堤，回填导流明渠。
进一步，所述围堰为带有打入基岩的拉森钢板桩的钢土复合堰，围堰坡面铺设有土工袋以及土工膜；
导流明渠的坡面和坡地铺有土工膜，坡面铺设有土工袋。
进一步，所述溢流区的外边沿平行于导流明渠，最近5年里枯水期最大流量与预测的枯水期平均流量的差值记作A，溢流区单位面积土壤的渗流量记作B，则溢流区的面积不小于A/B。
进一步，上下游的围堰中均埋设有遥控爆破装置，所述遥控爆破装置设置在围堰靠近溢流区的一端；
在施工期间时刻监测坝址上游水位，与步骤二预测的枯水期平均流量对应的水位记作溢流水位，与溢流区总渗流量及导流明渠设计流量之和对应的水位记作泄流水位；
若坝址上游水位高于溢流水位，则立即通知位于溢流区的施工人员撤离；
若坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离并在河道内的施工人员撤离后爆破围堰，并在坝址上游水位低于溢流水位后恢复围堰并排干围堰内积水继续施工。
进一步，所述坝址设置在枯水期内河水贴靠一侧河岸流动的河道上，所述围堰横跨河道的有水部分，并在河道的无水部分留有缺口；
在施工期间时刻监测坝址上游水位，与步骤二预测的枯水期平均流量对应的水位记作溢流水位，与溢流区总渗流量及导流明渠设计流量之和对应的水位记作泄流水位；
若坝址上游水位高于溢流水位，则立即通知位于溢流区的施工人员撤离；
若坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离，并在坝址上游水位低于溢流水位后排干围堰内积水继续施工。
进一步，步骤五中，先在拔除拉森钢板桩，然后在上游的围堰上开挖出缺口，放河水进入围堰间，最后挖除围堰的土；围堰的土采用长臂挖掘机倒退挖除，挖除深度直达原河床，使河道内不留渣土。
进一步，防溢流堤所在的河岸上设置有坡岸加固桩，且河岸底部开设有坡底集水沟。
进一步，步骤二中，若拦蓄坝在所在的河流的历年水文数据满足建立水文统计频率曲线图的要求，则采用灰色GM(1,1)模型或者是周期外延叠加预测模型预测拦蓄坝所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，否则获取历年枯水期平均流量后，去除断流的年份的数据并取平均值，作为施工工期所在的枯水期的平均流量。
进一步，若存在通过溢流区的道路，则临时封闭通过溢流区的道路位于溢流区内的部分，并修建临时道路绕过溢流区，在施工结束后结束道路封闭。
进一步，所述溢流区设置在凸岸上。
本发明一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明中，通过改变设计思路，缩小导流明渠的设计流量到枯水期的平均流量（而非五年一遇的洪水流量，这个流量是枯水期平均流量的十倍以上），不再把安全冗余留在导流明渠本身上，而是留在溢流区和防溢流堤，这些安全冗余不用开挖且可与导流明渠同步施工，大大减少了导流明渠土方开挖量（本发明中涉及的郎溪县城西拦蓄坝，其土石方开挖量甚至降低到了与拦蓄坝基坑土石方开挖量差不多），并结合可快速装配的底轴驱动翻板闸坝，使整个施工过程可在一个枯水期内完成；
同时，由于施工全过程被缩短到了一个枯水期内，使得导流明渠内即使出现超出设计流量的来水，超出的量也不大，通过设置溢流区和防溢流堤即可处理（这部分安全冗余其实很小），使得缩小导流明渠的设计流量可行；同时围堰也不需要横跨整个河道，只需要拦住有水的部分即可。
附图说明
图1为本发明一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法中的河道的平面图，图中，由于枯水期河道不满，因此围堰不需要横跨整个河道，但拦蓄坝需要；
图2为导流明渠的断面图；
图中，1-拦蓄坝，2-围堰，3-导流明渠，4-溢流区，5-防溢流堤，6-坡岸加固桩，7-坡底集水沟。
具体实施方式
以郎溪县城区水环境整合治理PPP项目的城西拦蓄坝1为例，如图1-2所示，一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，拦蓄坝1的施工过程中采用一次拦断、明渠导流的方式使河道中的施工为干地施工；拦蓄坝1在所在的河流的一个枯水期内完成施工，并包括以下步骤：
步骤一：在河岸一侧带有空地的河段上选取坝址，规划导流明渠3的走向，使导流明渠3远离坝址的一侧岸上地面为空地，空地记作溢流区4；
这里的“空地”，指的是表面无永久建筑物的地，以降低拆迁成本。除了什么都没有的荒地，也可以是农用地，因为这里仅需要占用一个枯水期，且短时间水淹不会对农用地造成破坏。实在找不到完全无建筑物的空地，有零星几栋建筑物也可接受。本实施例中，选择的空地是稻田加鱼塘，有零星几棵树，拆迁成本很低。本发明目前应用过的场合是小型河流，不过但凡能够安排足够的溢流区4的施工项目，皆可采用本发明。不过大型河流采用本发明的话，由于需要的溢流区4较大，拆迁成本会导致本发明在施工成本上失去优势。
步骤二：预测拦蓄坝1所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，开挖导流明渠3，导流明渠3的设计流量为预测的枯水期平均流量；开挖的同时清理溢流区4表面影响渗流的杂物并在溢流区4边沿设置警示，并同时在导流明渠3靠近坝址的一侧的边沿修建防溢流堤5；
这里导流明渠3自身没有留任何安全冗余，一旦有超出设计流量的来水，即通过单侧溢流(防溢流堤5使得溢流出的水流向溢流区4而非拦蓄坝1基坑)的方式流到溢流区4，从溢流区4渗入土中。由于是在枯水期进行施工，因此地下水位非常深，溢流出的水还可以补充地下水。溢流区4表面影响渗流的杂物主要包括一些临时建筑物(比如地头的小屋)以及影响渗流的地坪/地膜(比如鱼塘里铺的塑料膜)。
本实施例中，导流明渠3开挖量为138915方，与拦蓄坝1基坑的开挖量103733方差不多，这使得本实施例中的工程从去年底开工，今年五月初就已经完工，刚好在2023年的夏雨中发挥了作用。这里如果按常规设计的话，导流明渠3开挖量要多十倍以上。
步骤三：在坝址上下游修建围堰2，使河水沿导流明渠3流动，坝址无水；
这里围堰2工程施工顺序与常规的一致，先上游再下游，都合拢后抽水。
步骤四：开挖基坑并修建拦蓄坝1，拦蓄坝1为底轴驱动翻板闸坝；
这里基坑中设置集水井、排水沟来收集降水及渗水，确保内部无积水。底轴驱动翻板闸坝有一个钢筋混凝土底座，它修好后，剩余部分全部都是装配式安装的了，几天就能完成。
步骤五：拆除围堰2并恢复河堤，回填导流明渠3。
围堰2为带有打入基岩的拉森钢板桩的钢土复合堰，围堰2坡面铺设有土工袋以及土工膜；
导流明渠3的坡面和坡地铺有土工膜，坡面铺设有土工袋。
这里采用钢土复合堰，是为了出现无法通过溢流区4处理的来水时，能够及时在围堰2上炸出缺口来避免危险，炸开后，等水位下降还能快速恢复围堰2。
溢流区4的外边沿平行于导流明渠3，最近5年里枯水期最大流量与预测的枯水期平均流量的差值记作A，溢流区4单位面积土壤的渗流量记作B，则溢流区4的面积不小于A/B。
这里单位面积土壤的渗流量(渗流系数乘以水力坡度)如果当地有详细的地质资料的话，只需进行简单的复核，没有的话，需要进行勘探来确认。而之所以选用最近五年的枯水期最大流量来计算溢流区4面积，是因为考虑到气候变化，年份较近的数据与实际施工时的数据更为接近。而溢流区4的外边沿平行于导流明渠3，是因为本发明中的导流明渠3是新建的，其边沿规整，溢流出的水是按平行于导流明渠3的方式向外流的。
上下游的围堰2中均埋设有遥控爆破装置，遥控爆破装置设置在围堰2靠近溢流区4的一端；这样在炸开围堰2时，炸开的缺口靠近岸边，容易重新堵上，同时避免了爆炸破坏河堤(围堰2靠近溢流区4的一端已经拆了河堤，以让河水进入导流明渠3，因此不会被炸到)。
在施工期间时刻监测坝址上游水位，与步骤二预测的枯水期平均流量对应的水位记作溢流水位，与溢流区4总渗流量及导流明渠3设计流量之和对应的水位记作泄流水位；
若坝址上游水位高于溢流水位，则立即通知位于溢流区4的施工人员撤离；本实施例中，溢流区4存在一些运输渣土的施工人员，一旦需要溢流，很快就能坐车离开。
若坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离并在河道内的施工人员撤离后爆破围堰2，并在坝址上游水位低于溢流水位后恢复围堰2并排干围堰2内积水继续施工。这里的爆破，实际上可以看作溢流区4之外的第二层安全冗余，因为本发明中，实际上基坑内没什么会在泡水后被严重破坏的设备，绝大部分施工时间里是在挖基坑以及浇筑底座，这些是不怕泡水且也不会被冲走的。只有很短的时间是用来装钢构件，这个时间非常非常短，很难遇到那种溢流区4无法处理的来水，且同时由于它时间很短，甚至在天气预报的预测范围内，所以还可以借助天气预报来避免在可能出现洪水的时候安装。而且这个第二层安全冗余用到的几率很小，本实施例中，全施工周期里都没有遇到溢流区4无法处理的来水，甚至连溢流也很少。
以上爆破围堰2的措施是工程设计阶段早期的设想，但在实际施工过程中，考虑到河道在枯水期存在一些可以利用的特殊情况，可以利用这些特殊情况，省去遥控爆破装置。如图1所示，本实施例中就存在这种特殊情况，河道内存在一截河段，一半有水一半没水，因此这里把坝址设置在枯水期内河水贴靠一侧河岸流动的河道上，围堰2横跨河道的有水部分，并在河道的无水部分留有缺口；在坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离，不用炸开围堰2，让多余的水沿着围堰2的缺口流过，并在坝址上游水位低于溢流水位后排干围堰2内积水继续施工。
步骤五中，先在拔除拉森钢板桩，然后在上游的围堰2上开挖出缺口，放河水进入围堰2间，最后挖除围堰2的土。围堰2是单侧受力的，在拔出钢板桩后，就只剩下土，土单侧受力会倒塌，因此需要放水来避免单侧受力。
步骤五中，围堰2的土采用长臂挖掘机倒退挖除，挖除深度直达原河床，使河道内不留渣土。这里之所以要把围堰2中的土全部清除干净，而不是挖除大部分，剩余部分借助河水给冲走，是因为本申请中的施工过程全程都在枯水期内进行，河水流动缓慢冲刷力小，如果不清除干净渣土的话，会导致河流中的沉积物在围堰2的位置发生沉积，后续可能导致河流改道。
防溢流堤5所在的河岸上设置有坡岸加固桩6，且河岸底部开设有用于拦截降水及渗水的坡底集水沟7。这里由于导流明渠3没有留余量，所以内部的水是非常满的，使整个河岸触水变软，因此必须进行额外的加固，这里在施工初期没有意识到这一问题，坡岸加固桩6是在施工过程中补加的。
步骤二中，若拦蓄坝1在所在的河流的历年水文数据满足建立水文统计频率曲线图的要求，则采用灰色GM(1,1)模型或者是周期外延叠加预测模型预测拦蓄坝1所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，否则获取历年枯水期平均流量后，去除断流的年份的数据并取平均值，作为施工工期所在的枯水期的平均流量。
这里的两种预测模型都是常用的预测模型，本实施例中采用周期外延叠加预测模型，它的大致思路是用历年水文数据拟合出函数，然后借助这个拟合的函数来进行预测。如果有其它可行的预测模型，则皆可使用。当然，如果历年的水文数据相对较少，无法建立水文统计频率曲线图，那么就只能求平均值了，以充分利用历年的水文数据。而去除断流年份的数据是因为这些年份的数据相当于离群值。
若存在通过溢流区4的道路，则临时封闭通过溢流区4的道路位于溢流区4内的部分，并修建临时道路绕过溢流区4，在施工结束后结束道路封闭。本实施例中就存在这样的道路，外来车辆由于在溢流区4进行溢流的时候，无法及时被施工方通知到，因此可能会发生危险，所以需要在施工过程中把这些路段封闭掉。
溢流区4设置在凸岸上。凸岸向河道内延伸，且地势较低，这样大部分溢流出的水可以被河道拦住，使溢流区4与外界的接触尽可能少。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，所述拦蓄坝（1）的施工过程中采用一次拦断、明渠导流的方式使河道中的施工为干地施工；其特征在于：所述拦蓄坝（1）在所在的河流的一个枯水期内完成施工，并包括以下步骤：
步骤一：在河岸一侧带有空地的河段上选取坝址，规划导流明渠（3）的走向，使导流明渠（3）远离坝址的一侧岸上地面为空地，所述空地记作溢流区（4）；
步骤二：预测拦蓄坝（1）所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，开挖导流明渠（3），所述导流明渠（3）的设计流量为预测的枯水期平均流量；开挖的同时清理溢流区（4）表面影响渗流的杂物并在溢流区（4）边沿设置警示，并同时在导流明渠（3）靠近坝址的一侧的边沿修建防溢流堤（5）；
步骤三：在坝址上下游修建围堰（2），使河水沿导流明渠（3）流动，坝址无水；
步骤四：开挖基坑并修建拦蓄坝（1），所述拦蓄坝（1）为底轴驱动翻板闸坝；
步骤五：拆除围堰（2）并恢复河堤，回填导流明渠（3）。
2.根据权利要求1所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：所述围堰（2）为带有打入基岩的拉森钢板桩的钢土复合堰，围堰（2）坡面铺设有土工袋以及土工膜；导流明渠（3）的坡面和坡地铺有土工膜，坡面铺设有土工袋。
3.根据权利要求2所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：所述溢流区（4）的外边沿平行于导流明渠（3），最近5年里枯水期最大流量与预测的枯水期平均流量的差值记作A，溢流区（4）单位面积土壤的渗流量记作B，则溢流区（4）的面积不小于A/B。
4.根据权利要求3所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：上下游的围堰（2）中均埋设有遥控爆破装置，所述遥控爆破装置设置在围堰（2）靠近溢流区（4）的一端；
在施工期间时刻监测坝址上游水位，与步骤二预测的枯水期平均流量对应的水位记作溢流水位，与溢流区（4）总渗流量及导流明渠（3）设计流量之和对应的水位记作泄流水位；
若坝址上游水位高于溢流水位，则立即通知位于溢流区（4）的施工人员撤离；
若坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离并在河道内的施工人员撤离后爆破围堰（2），并在坝址上游水位低于溢流水位后恢复围堰（2）并排干围堰（2）内积水继续施工。
5.根据权利要求3所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：所述坝址设置在枯水期内河水贴靠一侧河岸流动的河道上，所述围堰（2）横跨河道的有水部分，并在河道的无水部分留有缺口；
在施工期间时刻监测坝址上游水位，与步骤二预测的枯水期平均流量对应的水位记作溢流水位，与溢流区（4）总渗流量及导流明渠（3）设计流量之和对应的水位记作泄流水位；
若坝址上游水位高于溢流水位，则立即通知位于溢流区（4）的施工人员撤离；
若坝址上游水位高于泄流水位时，则立即通知现场所有施工人员撤离，并在坝址上游水位低于溢流水位后排干围堰（2）内积水继续施工。
6.根据权利要求3所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：步骤五中，先在拔除拉森钢板桩，然后在上游的围堰（2）上开挖出缺口，放河水进入围堰（2）间，最后挖除围堰（2）的土围堰（2）的土采用长臂挖掘机倒退挖除，挖除深度直达原河床，使河道内不留渣土。
7.根据权利要求1所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：防溢流堤（5）所在的河岸上设置有坡岸加固桩（6），且河岸底部开设有坡底集水沟（7）。
8.根据权利要求1所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：步骤二中，若拦蓄坝（1）在所在的河流的历年水文数据满足建立水文统计频率曲线图的要求，则采用灰色GM(1,1)模型或者是周期外延叠加预测模型预测拦蓄坝（1）所在河流在施工工期所在的枯水期的平均流量，否则获取历年枯水期平均流量后，去除断流的年份的数据并取平均值，作为施工工期所在的枯水期的平均流量。
9.根据权利要求1所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：若存在通过溢流区（4）的道路，则临时封闭通过溢流区（4）的道路位于溢流区（4）内的部分，并修建临时道路绕过溢流区（4），在施工结束后结束道路封闭。
10.根据权利要求3所述的一种低开挖量且施工快速的拦蓄坝施工方法，其特征在于：所述溢流区（4）设置在凸岸上。
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