圍堰(cofferdam)是指圍護水工建筑物的施工場地,使其免受河道水流或洪水影響的臨時擋水建筑物。圍堰主要功能是通過對建筑物的修建位置及施工場地進行圍護,以防止水和土進入,以便在圍堰內排水,開挖基坑,修筑建筑物。
圍堰的施工種類包括土石圍堰、土袋圍堰、漿砌石塊圍堰、木板樁圍堰、鋼筋混凝土圍堰及鋼板樁圍堰等。圍堰高度應高于施工期內可能出現的最高水位。由于圍堰是臨時性擋水建筑物,且圍堰主體為土堰,在結構上要求穩定、防滲、抗沖和足夠強度。施工上構造簡單,便于施工、維修,撤除方便。布置上使水流平順,不發生局部沖刷。在導流任務結束后,圍堰除作為永久建筑物的一部分外,一般在用完后拆除。
隨著水利規模的加大和水下施工作業的增多,圍堰技術得到廣泛的應用,促進了圍堰施工技術的發展,圍堰的種類也得到了豐富。
圍堰分類
圍堰工程按其不同分類有以下方法:
具體分類
選擇圍堰型式時,必須根據當時當地的具體條件,在滿足下述基本要求的原則下,通過技術經濟比較加以選定:具有足夠的穩定性、防滲性、抗沖性和一定的強度;造價低,構造簡單,修建、維護和拆除方便;圍堰的布置應力求使水流平順,不發生嚴重的水流沖刷;圍堰接頭和岸邊連接都要安全可靠,不至于因集中滲漏等破壞作用而引起圍堰失事;有必要時應設置抵抗冰凌、船艦的沖擊和破壞的設施。
土石圍堰
土石圍堰是水利水電工程中采用最為廣泛的一種圍堰形式,適用于水深2米以內,流速0.5米/s,河床土質滲水較小時。它是用當地材料填筑而成的圍堰,不僅可以就地取材和充分利用開挖棄料作圍堰填料,而且構造簡單,施工方便,易于拆除,工程造價低,可以在流水中、深水中、巖基或有覆蓋層的河床上修建。但其工程量較大,堰身沉陷變形也較大,如柘溪水電站的土石圍堰一年中累計沉陷量最大達40.1cm,為堰高的1.75%,一般為0.8%~1.5%。
因土石圍堰斷面較大,一般用橫向圍堰,但在寬闊河床的分期導流中,由于圍堰束窄河床增加的流速不大,也可作為縱向圍堰,但需注意防沖設計,以保圍堰安全。土石圍堰的設計與土石壩基本相同,但其結構在滿足導流期正常運行的情況下應力求簡單,便于施工。
混凝土圍堰
混凝土圍堰分為拱形混凝土圍堰與重力式混凝土圍堰。拱形混凝土圍堰,一般適用于兩岸陡峻、巖石堅實的山區河流,常采用隧洞及允許基坑淹沒的導流方案,由于利用了混凝土抗壓強度高的特點,與重力式圍堰相比,斷面較小,可節省混凝土工程量。重力式混凝土圍堰采用分段圍堰法導流時,重力式混凝土圍堰往往可兼做第一期和第二期縱向圍堰,兩側均能擋水,還能作為永久建筑物的一部分,如隔墻、導墻等。
混凝土圍堰的抗沖與防滲能力強,擋水水頭高,底寬小,易于與永久混凝土建筑物相連接,必要時還可以過水,因此應用比較廣泛。在中國國外,采用拱形混凝土圍堰的工程較多。中國國內貴州省的烏江渡、湖南省鳳灘等水利水電工程也采用過以拱形混凝土圍堰作橫向圍堰,但多數還是以重力式圍堰作縱向圍堰,如中國的三門峽、丹江口、三峽大壩的混凝土縱向圍堰均為重力式混凝土圍堰。
鋼板樁格形圍堰
鋼板樁格形圍堰是重力式擋水建筑物,由一系列彼此相接的格體構成。按照格體的平面形狀,可分為圓筒形格體、扇形格體和花瓣形格體。這些形式適用于不同的擋水高度,應用較多的是圓簡形格體。鋼板樁格形圍堰是由許多鋼板樁通過鎖口互相連接而成為格形整體。鋼板樁的鎖口有握裹式、互握式和倒鉤式三種。格體內填充透水性強的填料,如砂、砂卵石或石渣等。在向格體內進行填料時,必須保持各格體內的填料表面大致均衡上升,因高差太大會使格體變形。鋼板樁格形圍堰具有堅固、抗沖、防滲、圍堰斷面小、便于機械化施工等優點。
竹籠圍堰
竹籠圍堰在我國南方盛產南竹地區,是充分利用當地材料的形式之一。如果采用鉛絲籠填石代替竹籠也是同一種類型。竹籠的使用年限,一般為1~2年,竹材經防腐處理后可達2~4年。竹籠圍堰允許過水,對巖基或軟弱地基均能適用。它的斷面尺寸較小,具有一定的抗沖能力,既可用于縱向圍堰,也可用于橫向圍堰。但竹籠填石施工不易機械化,一般需人工施工。采用竹籠圍堰的工程有富春江等。
木籠圍堰
木籠圍堰具有斷面尺寸小、抗沖能力強、施工速度快等優點。堰頂加混凝土蓋板后可以過水。因此,用作縱向圍堰具有明顯的優越性。我國采用木籠圍堰或木籠土石混合圍堰的工程有新安江、建溪、西津等。但它的木材耗量大,木材較難回收和重復使用。在當前木材短缺的情況下,使用范圍受到限制。如果用預制鋼筋混凝土構件代替木籠,也是同一類型。
草土圍堰
草土圍堰是一種以麥草、稻草、蘆柴、柳枝和土為主要原料的草土混合結構,中國已經有兩千多年的使用歷史。這種圍堰主要用于黃河流域的渠道修堵口工程中,新中國成立后,在青銅峽、鹽鍋峽、八盤峽等工程中,以及南方的黃壇口工程中均得到應用。
草土圍堰施工簡單、速度快、取材容易、造價低、拆除也方便,具有一定的抗沖、抗滲能力,堰體的容重較小,特別適用于軟土地基。但這種圍堰不能承受較大的水頭,所以僅限水深不超過6m、流速不超過3.5m/s、使用期2年以內的工程。草土圍堰的施工方法比較特殊,就其實質來說也是一種進占法。按其所用草料形式的不同,可以分為散草法,捆草法、埽捆法三種。按其施工條件可分為水中填筑和干地填筑兩種。由于草土圍堰本身的特點,水中填筑質量比干填法容易保證,這是與其他圍堰所不同的,現實中的草土圍堰,普遍采用捆草法施工。
鎖扣管樁圍堰
鎖扣管粧圍堰相比鋼板樁圍堰結構穩定,施工速度快,材料周轉率高可重復利用,是鋼板樁圍堰與鋼管樁圍堰的有機結合,但其止水難度相對較大,適用于黏土及亞黏土地質。
鋼筋混凝土或預應力混凝土板樁圍堰
一般在圍堰建成后仍需長期保留時才使用。板樁截面兩側用榫槽或鋼件連接,樁底部向一面傾斜,便于打入地內。同時易使兩相鄰樁密合。其主要用于港灣碼頭的駁岸、水工建筑的截水墻等,也常用于城市土建工程中作為開挖基坑的圍堰,因施工振動小,適合靠近已有建筑物區域作業,且可兼作承重基礎,截面形狀設計靈活不受限制,在橋梁施工中亦有廣泛應用。
平面布置
圍堰的平面布置主要包括圍堰內基坑范圍確定和圍堰輪廓布置兩個問題。
圍堰內基坑范圍確定
圍堰內基坑范圍大小主要取決于主體工程的輪廓和相應的施工方法。當采用一次攔斷法導流時,圍堰基坑是由上下游圍堰和河床兩岸圍成的。當采用分期導流時,圍堰基坑是由縱向圍堰與上下游橫向圍堰圍成的。在上述兩種情況下,上下游橫向圍堰的布置,都取決于主體工程的輪廓。通常基坑坡趾到主體工程輪廓的距離,不應小于30m,以便布置排水設施、交通運輸道路、堆放材料和模板等。至于基坑開挖邊坡的大小,則與地質條件有關。當縱向圍堰不作為永久建筑物的一部分時,基坑坡趾到主體工程輪廓的距離,一般不小于2m,以便布置排水導流系統和堆放模板,如果無此要求,只需留0.4~0.6m。
實際工程的基坑形狀和大小往往是不相同的。有時可以利用地形以減少圍堰的高度和長度;有時為了照顧個別建筑物施工的需要,將圍堰軸線布置成折線形;有時為了避開岸邊較大的溪溝,也采用折線布置。為了保證基坑開挖和主體建筑物的正常施工,基坑范圍應當留有一定余量。
分期導流縱向圍堰布置
在分期導流方式中,縱向圍堰布置是施工中的關鍵問題,選擇縱向圍堰位置,實際上就是要確定適宜的河床束窄度。束窄度就是天然河流過水面積被圍堰束窄的程度。
技術要求
由于圍堰是臨時性擋水建筑物,且圍堰主體為土堰,其特點及基本要求為:
計算規則
圍堰防護
圍堰防沖
圍堰防滲
圍堰拆除
圍堰是臨時建筑物,導流任務完成以后,應按設計要求進行拆除,以免影響永久建筑物的施工運行。圍堰拆除前應認真分析水文資料,制定嚴密的施工計劃,分期進行施工。圍堰拆除工作應盡量安排在階段工程即將完成的最后一個枯水期內。土石圍堰的拆除工作常采用挖土機或爆破開挖的方法。拆除工作應逐層依次進行。拆除過程中,所殘留的斷面應能繼續擋水和維持穩定。
相關案列
2022年4月5日,中鐵大橋局黃茅海跨海通道項目部成功開展海上建橋橋墩施工深水圍堰防船撞應急演練。旨在進一步提高深水圍堰被船撞后應急救援的快速反應能力,保證項目在施工過程中出現圍堰被船撞時,能夠及時進行應急救援,從而最大限度減少人員傷亡,增強預防和控制突發事件的應急搶險能力。
2023年11月22日20時56分,在距離啟東岸200米的長江入海口北支航道江面施工現場,經過近12小時的戰,崇啟公鐵長江大橋4號主墩鋼圍堰完成首次混凝土封底。
2024年3月2日,連接鋼圍堰的吊帶松鉤,象山港跨海大橋主墩首節鋼圍堰登海入水。寧波市域鐵路象山線全長61.45公里,其中象山港跨海大橋全長8.26公里,跨海段橋梁長6.2公里。主墩承臺的施工需要一個能夠防水的穩定圍護結構,這就是鋼圍堰。此次下放的首節鋼圍堰長61.52米、寬36.02米、高9.3米,相當于是一個占地6個籃球場的3層樓房,總重1594噸。這標志著大橋主墩承臺施工的序幕正式拉開,實現由水下樁基施工向水上施工的重大工序轉換。
參考資料 >
水利科普 | 圍堰.微信公眾平臺.2024-03-02
海上建橋開展深水圍堰防撞應急演練.百家號.2024-03-02
崇啟公鐵長江大橋4號主墩鋼圍堰完成首次封底.百家號.2024-03-02
“巨無霸”入水,寧波市域鐵路象山港跨海大橋開啟水上施工.百家號.2024-03-02