草土围堰设计、施工及经验总结

　　1、概述

　　乌金峡水电站在甘肃省白银市的靖远县境内，该水利枢纽主要由河床式电站厂房、开关站、泄洪闸以及灌溉取水口等建筑物组成。枢纽布局：三孔泄洪闸位于左岸，河床布置贯流式水轮发电机组厂房（共四台），枢纽具体布置见图1。该工程在规模属于Ⅲ等中型工程，工程的主要建筑物为3级。根据乌金峡水电站所处的地形条件和枢纽的布置特点，最终确定该水电站施工导流分两期进行，上游的来流经缩窄后的原河床通过，在纵向围堰及导流明渠（泄洪闸）进、出口围堰围护下进行导流明渠（泄洪闸），干地全年施工；左岸导流明渠与泄洪闸结合布置。

　　2、草土围堰设计

　　2.1围堰设计导流标准

　　根据我国《水利水电工程施工组织设计规范》的规定，该工程的导流明渠围堰级别为Ⅴ级，按规范规定并进行技术、经济比较、专题论证并经审查同意后，一期枯水期选择为12月～翌年6月，导流标准P＝20％，导流流量Q＝1880m3/s，一期汛期选择为7月～9月，P=20％，Q=3930m3/s。

　　2.2围堰选型设计

　　2.2.1围堰的选型设计主要考虑的以下的因素：工程的施工进度安排；水文资料，包括流量、流速实测数据等，水力参数，分析堰体的稳定性，模拟迎水面的抗冲刷结果；修筑围堰处的地形特点（特别是水下实测地形图）、覆盖层厚度及围堰的施工条件；当地围堰填筑材料，如：土料的质量和开采条件以及存放土料的场地情况，草料的来源和质量等；堰顶是否有用作施工场地、交通或其他要求等。

　　乌金峡电站地处甘肃黄河干流上，沿纵向围堰轴线河谷形态为宽U型，两岸岸基斜长花岗岩，属弱~微风化，Ⅱ、Ⅲ级岩体。一期纵向围堰堰基主要为砂卵砾石层，其间无控制堰基稳定的连续粉细砂层分布，工程地质条件良好，但砂卵砾石为强透水层，需采取必要的防渗处理措施。根据黄河已建工程的成功经验和综合经济比较，乌金峡一期纵向围堰形式采用草土围堰（围堰结构图见图2）。

　　乌金峡水电站的导流明渠（泄洪闸）工程草土围堰全长为L=793.2m，主要由三部分组成，即：进水渠纵向围堰（L=216.3m）、出水渠纵向围堰（L=454.8m）以及泄洪闸闸室处纵向围堰（L=122.1m）。河面最宽处和最窄处分别为200m和130m，围堰轴线处的河床覆盖层深范围是6m~40m，岩基的河床部位是冲积砂卵石，经过对围堰枯水期及汛期水位雍高、堰顶高程的计算并考虑沉陷量等，同时结合施工的先后顺序，先选择确定出水渠一期围堰堰顶枯期高程1428.0m（Q20%枯=1880m3/s，对应明渠出口处水位1426.2m），草土围堰边坡1∶1.3，水深最大处约6m，围堰堰顶宽度范围是10m~12m，采用旋喷灌浆法来处理基础覆盖层。为了使草土围堰不受河水的冲刷，在围堰的外侧坡面和内侧堰脚处设块石作为防护。出口渠围堰堰顶汛期高程1432.0m（Q20%汛=3930m3/s，对应明渠出口处水位1428.19m），堰顶宽10m~12m，是在一期围堰的基础上采用草土体心墙、石渣混合围堰（见图2）。进水渠纵向围堰和泄洪闸闸室处纵向围堰同理确定相应的枯期、汛期堰顶高程。

　　2.3堰体稳定及防渗计算

　　（1）根据相关的核算原则，重力式挡水建筑物应进行抗滑和抗倾覆稳定计算，抗滑安全系数要求K滑不小于1.15，抗倾覆安全系数要求K倾不小于1.5。依据草与土的比例和实测资料，γ草土=1.15×103kg/m3，堰体与河床之间的摩擦系数为砂石卵石地基f草土砂=0.45。考虑到沿草土围堰基础渗水很小，渗透压力图形呈凹曲线，故渗透压力系数α取值0.85计算。

　　（2）外力计算：沿围堰轴线取1m堰体计算，见图3。G=rnH2=1.15nH2；P=0.5H2W=0.5αHnH=0.425nH2

　　（3）抗倾斜要求，n=1.67。

　　（4）按抗滑要求，当摩擦系数最小f=0.45时n=1.76。

　　（5）按抗渗要求，根据实践经验，堰宽为水深的1.5倍时即可满足抗渗要求。由以上分析得知，设计围堰宽度为水深的1.8倍，即可满足抗渗、抗倾和抗滑等安全要求。

　　3、草土围堰施工

　　3.1施工分期

　　围堰分两期施工，从明渠出口至明渠进口，围堰填筑高程先按枯期围堰进行施工，待高压旋喷防渗处理完成后用草土体加高至全年围堰标准。这样可有效减小枯期填筑工程量，有利于基坑快速闭气，同时减少高喷的工程量。

　　3.2施工方法

　　草土围堰法包括：散草法、捆草法和帚捆法等。在本工程中水下采用捆草法为主，出水面后以散草法施工。

　　3.3施工工序

　　（1）施工准备。堰体施工前备足草料，草场应专人看管，做好防火消防工作。土料除纯沙土和中性粘土外，一般为黄土，粘土、砂壤土、壤土及粘壤土均可采用，土料含水率ω=13%~17%左右即可。本工程选择坝址下游的张家湾料场的上部粉质壤土作为土料，满足围堰的填筑要求。

　　（2）制作草捆。本工程经过打场碾压和晒干采用稻草，制作的草捆直径为50cm~70cm，长度为120cm~180cm，每个草捆重约12kg~15kg，草捆要求绑扎结实，需要用机制草绳绑扎3道腰。如图4所示。

　　（3）堰岸结合部位找坡。先用反铲清理岸坡上的浮渣等杂物。岸坡先将草土体沿纵向岸坡适当延伸，以增加渗径，考虑到本工程为堰基为深厚覆盖层，围堰闭气后绕渗的可能比较大，除对岸坡进行清理外，后期在围堰与岸坡接触部增设一段高压旋喷与岸坡搭接防渗。

　　（4）围堰填筑进占。围堰的水下填筑工作是由压草捆、铺散草以及铺土3个工序不断循环来完成的。进占前，根据测定好的河岸边堰体位置，然后将草捆顺轴线方向并排延伸。首先把第一排草捆1/3～1/2的长度浸入水中，然后把草捆拉直并放在后边，接着把第2排草捆压在第1排上，再把2层草绳拉直并放在后边，2层草捆搭接长度为1/3～1/2草捆长。最后形成1个30°～45°的斜边，直径满足所需层数为止（即估计最前沿到河底的层数）。草捆压好之后，还需要铺上一层厚度约30cm～40cm的散草，填补捆草之间的空隙，同时也能压住草绳，然后再往上铺1层厚度约为25cm～35cm的黄土并用脚塌实。这样即完成1层草土的堆筑（俗称第1板）。依据此法进行第2板草土堤堆筑。第2板的第1序捆草要压住第1板草捆之上而且需要伸向水中1/2草捆长度（即每层草土进占长度）。在进占的过程中，草土体后部要下沉，直到前层的前序草捆和基础接触。如图5。当相当长（10m左右）的一段草土体均以已落入水底时，再用推土机压实，采用长臂反铲对围堰内外侧坡进行修整并进行抛石加固。围堰转弯处采用外侧多压草，内侧压草减少的方式进行，等到转弯之后，内、外侧压草再恢复齐头并进的正常方法。

　　（5）水上加高填筑。出水渠段与水下施工方法大致相同，其余部位为简化施工，采用散草法进行施工。

　　3.4局部流速过大时的应对措施

　　当流速大于3.5m/s部位或围堰转弯处为了减少水流对草土体的冲刷，需布置草土围堰的戗堤。在本工程中，由于对岸丁坝对河床的束窄作用，局部流速最高可以达到5.6m/s，所以在围堰的进占过程中草土料流失现象较为严重，为减少水流的冲刷影响，所以在围堰外侧布置了戗堤，戗堤需要比草土体先填筑3m～5m。在戗堤的外侧所用块石直径要大于50cm，而贴近草土体1/2的戗堤所用块石的直径要小于20cm。

　　4、工程实际经验总结

　　针对本工程实际出现的问题，围堰塌陷、围堰局部透水等问题，以下经验可供参考。

　　（1）围堰塌陷。本工程在围堰的合龙处，高喷时出现堰顶局部沉降塌陷，范围达到3.5m×2m，深1m~2m。原因分析，由于围堰填筑冬季施工，表层填料区冰冻，天暖融化下沉，造成塌陷。针对此，在堰顶堆码部分砂砾石，及时回填塌陷区域，并对围堰全面碾压，将塌陷范围提前处理，避免机械损害事故的发生。

　　（2）草土流失量大。在实际施工中采用戗体优先进占3m~5m，采用长臂反铲辅助戗体成型，避免过分占压河道，有效控制了草土体的流失，并选择低水位时快速填筑通过。

　　5、结语

　　在乌金峡水电站明渠一期导流中，草木围堰的成功使用向我们展示此项技术的优越性：

　　（1）草土围堰施工进度快，工期短，本工程围堰长度为793m，草土体为6.0万m3，仅用了45天时间就顺利合龙，投入运用，使围堰高喷防渗施工有足够的时间顺利开展。

　　（2）草土围堰施工工艺简单，不需大型机械，只需数台小型翻斗车、推土机和架子车就可以开展施工。操作技术易于掌握，能适应突击施工。

　　（3）防水性能好，草与土结合成了一个可变的柔性整体，浸水沉实后渗漏量极小，不影响基坑内施工。

　　（4）容易拆除，本工程施工中用一台CAT320反铲先扒开缺口，反铲配合水力冲刷，即完成拆除。

　　当然草土围堰由于它适用的工程范围主要为中小型工程，适应静水或流速小，挡水水头低的项目，因此它适用的范围有一定的局限性。此外草土围堰在河中施工时施工人员的危险性较大，需要配备相应的救生设施。草场安全消防十分重要，务必加强施工管理，并配置适当的消防器材。

　　乌金峡电站导流明渠纵向围堰建成后运行近一年时间，经受当年汛期流量2630m3/s的考验，围堰堰体稳定，围堰渗水也在规范允许范围内，保证明渠及泄洪闸的正常施工，圆满完成其使命。建设者在围堰施工中结合工程的实际特点采取有针对性的措施，取得了工程的成功，值得类似工程推广应用。

　　参考文献：
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　　[2]《水利水电施工组织规范》（.SL303-2003）[S].
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　　[4]展洋.草土围堰设计与施工[J].南水北调与水利科技，2004，12：44－47.