CN104141287B - 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0.025Mpa,
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(HighDensityPolyethylene)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0.025Mpa,坝基底面与岩基之间接触面面积A取单位宽度28m2,
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0.025Mpa,
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15cmC20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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