赖新河

（驻马店市豫中投资有限公司，河南 驻马店 463000）

0 引言

宿鸭湖水库始建于1958年，是一座以防洪为主，结合发电、灌溉、养殖、旅游等多项目综合利用的大（1）型水利枢纽工程，总库容16.38亿m3，水库多年运行期间大量冲积物沉积库底，严重淤积。2018年11月，省发改委批复实施宿鸭湖水库清淤扩容工程，总投资31.58亿元，主要建设内容：清淤扩容、人工岛、机电设备及安装、环境保护、水土保持工程等。该项目是国家规划确定的大型水库清淤试点项目，是河南省“四水同治”十大重点水利工程，项目实施对于提高水库防洪兴利能力，改善区域生态环境，持续发挥水库综合效益具有重要意义。

1 人工岛设计

1.1 平面形状

人工岛的平面形状结合旅游规划及当地文化，考虑景观效果与生态环境相协调，减少土方外运，利用水库淤积土进行堆岛，形成状似蝴蝶、琵琶、葫芦的湖中三岛遥相呼应，相映成趣。三座岛高度均为37 m，共堆筑土方1 222万m3，开挖土料运至堆岛区晾晒后进行碾压，压实度要求不小于0.96。岛设计基底高程51.50 m、顶高程88.00 m，设计边坡：1:2.50～4.50，在岛坡变化处设马道3道，宽4 m；在高程54.00 m设环岛路，宽6 m。人工岛建成依岛体形态不同打造成生态旅游岛。

1.2 水文、地质条件

宿鸭湖流域属大陆性温带气候，多年平均面降水量均值为962 mm，最大1 550 mm（1975年），最小584 mm（1966年）；年度降雨多集中在汛期6-9月份，降水量占全年降水量的61%。多年平均蒸发量为1 050 mm，多年平均气温15℃左右。

岛场地地层为粘性土单一结构，主要岩性为淤泥质土、淤积轻粉质壤土及重壤土，其中：第①1层淤泥质土、第①2层淤积轻粉质壤土为软塑～流塑状，为高压缩性土层，地质条件较差，施工时清除。第②层重粉质壤土为硬可塑状，其承载力标准值为150 kPa，强度较高，地质条件较好，开挖土料置于第②层上。

岛周围2 km清淤范围内，经检测淤积土及其下部相邻土层化学元素含量均未超标，开挖晾晒后直接用于岛体填筑。

1.3 护坡顶部高程

按《水利水电工程等级划分及洪水标准》《碾压式土石坝设计规范》的规定，护坡顶部高程等于水库静水位与超高之和，分别按以下运用情况计算，取其最大值：①百年设计洪水位加正常运用情况的护坡顶部超高；②千年校核洪水位加非常运用情况的护坡顶部超高。

护坡顶部超高由下式确定：

式（1）中：y—护坡顶部超高，以m计；R—最大波浪在坝坡上的爬高，以m计；e—风壅水面高度，以m计；A—安全加高，3级建筑物设计情况A=0.70 m，校核情况按平原滨海区A=0.50 m。

波浪的平均波高和平均波周期按莆田试验站公式计算。按规范规定，取累计频率1%的波浪爬高值。

按照规范SL274－2020中式（A.1.12-1）计算平均波浪爬高。

式（2）中：Rm—平均波浪爬高，m；m—单坡的坡度系数，5；KΔ—斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由规范SL274-2020查得，混凝土取0.90；Kw—经验系数，hm—平均波高，m；Lm—平均波长，m。宿鸭湖水库为平原水库，且w＜26.50 m/s、D＜4500 m，则波浪的波高和平均波长采用鹤地水库公式计算。

护坡顶部超高及护坡顶部高程计算成果见表1，护坡顶部高程采用61 m。

表1 人工岛护坡顶部超高和护坡顶部高程计算成果表

1.4 边坡稳定计算

人工岛为次要建筑物，级别为3级。根据《水利水电工程边坡设计规范》《水工建筑物抗震设计规范》规定，场地基本烈度为VI度，地震动峰值加速度为0.05 g。计算工况为：①完建期无水；②库区正常蓄水位52.84 m。

依据勘察成果，人工岛填土物理力学性质指标：粘聚力c=40 kPa，内摩擦角φ=15°，最大干密度1.73 t/m3，最优含水量17%。结合工程场区实际地形条件，选择人工岛典型断面进行稳定计算。计算方法按毕肖普（简化）圆弧法，采用河海大学编制的大坝稳定计算程序计算，结果为：安全系数均大于规范要求，边坡是稳定的。

1.5 护坡设计

1.5.1 护坡方案比选

边坡防护材料主要有混凝土预制块、砌石、雷诺护垫、重力模袋护坡等型式，表2列出了四种护坡的投资及优缺点。

表2 护坡方案比选表

根据生态及景观需求，护坡型式选择上避免大面积的“硬、直、光”，护坡顶部高程61 m以上至岛顶部采用草皮护坡，协同旅游规划种植花草、林木，防止水土流失，增强区域的水土保持与碳中和能力。

从表2可看出，在技术经济方面，混凝土预制块护坡投资较高，浆砌石和雷诺护垫护坡适中，重力模袋较低；雷诺护垫和浆砌石护坡需要大量的块石，附近30 km范围内没有石料场，故选用雷诺护垫护坡和重力模袋护坡。重力模袋护坡后期绿化效果较好，常水位以上至最高水位影响到的高程之间选用重力模袋护坡，常水位以下至坡脚选用雷诺护垫护坡。

1.5.2 岛体排水

降雨时雨水渗入岛体会降低堆岛土体强度，边坡安全系数降低，做好排水保证边坡稳定，在岛体顶部设纵向排水沟、各级边坡坡脚设排水沟；在岛体坡面每50 m设一条横向排水沟，采用宽0.20 m、深0.20 m的C20混凝土U型渠，将雨水导入库内。

1.6 监测设施布置

对人工岛表面变化变形和基础沉降变形进行监测，以确保建造质量和正常使用。监测仪器的选型除考虑量程、精度、稳定性、可靠性等技术指标外，还要考虑实现自动测读的要求和自动化系统布置的需要。

为监测岛表面变化变形，每座岛各布置3个监测断面，并分别在2级马道、3级马道及岛顶部设置沉降标点，每个断面布置3个沉降标点；在变形影响范围以外布置2组工作基点。

为测量岛基础的沉降变形，每座岛各布置3个监测断面，每个监测断面布置5套单点位移计。

2 主要施工技术

2.1 施工围堰

人工岛位于库区内，需修筑围堰，根据《水利水电工程施工组织设计规范》，确定导流标准为10年一遇。围堰总长27 km，采用单排木桩栏栅土围堰结构，分区段施工。施工期水位51.84 m，围堰底高程50.34 m，所处区域水深约1～1.50 m，考虑安全超高及波浪爬高，确定围堰顶高程为52.84 m，顶宽6 m，平均堰高2.50 m，边坡1:3。

施工工艺流程：测量放样→木桩插打→竹笆、防水土工布绑扎安装→填土→成型加固→浮式竹排消浪→围堰内抽水。

测量放样用GPS放出围堰中心线及边线，在库中插上竹竿桩标识，间距20 m，并根据地质资料摸清围堰水下部分的地形走势等情况，指导围堰填筑。

围堰填土采用水陆两用挖掘机迎水面湖内取土，两次围筑，第一次采用水陆两用挖掘机直接从围堰迎水面以外5 m处取土，堆放在围堰范围内直至填筑到水面以上0.50 m为止，待其稳定15天；再进行二次加高至围堰顶部以上0.50 m，利用堰上晾晒后的土方对围堰进行修补加固至设计断面。填土过程中，随时检测木桩栏栅的垂直度，防止桩倾斜。根据抽水总量、工期确定离心水泵及泥浆泵的台数，分区分段把围堰内的水排除。

施工期配备必要的防汛物资，在围堰排水期间和雨季，派专人值班进行观测、检查，发现情况及时维护，确保围堰安全。

2.2 土方填筑

人工岛填筑时首先对基础进行清基，利用围堰内开挖出来的淤泥土进行填筑，分层碾压，压实度不小于0.96。采用自卸汽车将开挖土料运输至工点，经翻晒合格后压实。

施工工艺流程：施工准备→测量放样→清基铺料→整平碾压→试验检测→进行下一层土料。

①岛身填筑工程开工前，熟悉核对设计文件，测设填筑边线，调查土层稳定状况，修建施工便道。②测量放线采用GPS，包括轮廓线及铺填区域内的高程控制，放样误差应符合规范和设计要求。③填筑前应先清理淤泥至原基面，验收合格后填筑。采用自卸汽车将土料运输至铺土区，从一端开始，左右成排前后成行、分区域分单元网格进占布料。④铺土厚度、压实遍数由土方碾压试验确定，测量人员控制好每层标高，机械铺料时宽度超填不少于30cm。⑤碾压用22 t凸块振动碾，静压1遍、弱振1遍、强振4遍。碾压速度先慢后快，先静压后振压，先两边后中间，采用错距法碾压，相邻两轮次应至少重叠1/3，保证压实均匀。⑥填筑碾压完成后进行质量检测，采用环刀法每200 m3取一个样，压实度不小于0.96。不合格部位处理至复验合格后继续下道工序。⑦填筑每3 m左右，用推土机进行边坡修整，人工配合。

2.3 重力模袋护坡

重力模袋护坡是近几年常用的软质护坡型式，即在镀锌钢丝网笼中放置重力模袋，钢丝网之间铰接牢固，袋内充填土料，夯实后形成有结构性、柔性、抗冲透水不透土的、能长草的土笼，既保证护坡的安全稳定，又兼顾后期的绿化效果。模袋袋身采用单股单一纤维编制而成的筒状土工袋，原材料以聚丙烯和聚酯为主要成份，具有高拉力、高撕裂度、抗老化、抗冻等性能以及很好的延伸率。

施工工艺流程：测量放样→坡面修整→铺设土工布→铺设砂石滤料垫层→支设镀锌钢丝网笼→机械填充土方→网笼封闭。

①重力模袋在施工前，先进行测量放线，放出坡脚起坡线、起坡线高程、坡顶线高程，进行修坡整平。②土工布的铺设长度要有一定富余量，搭接宽度大于20 cm，铺设后用U型钉固定。③砂碎石滤料垫层自下而上铺设，施工时打控制桩、带线进行回填铺装，严格控制厚度。④支设镀锌钢丝网笼，将重力模袋置于网箱内，每个网箱放置1个模袋，将袋子口提高约10 cm，四角平均撑开后用铁丝固定。⑤用修整边坡时预留的土方填充模袋，每次回填量不超过1 m3，小型夯实机械夯实，并抽检压实度，土料填充至袋口高于镀锌网箱顶10 cm左右，在模袋可视立面采取支护措施，避免模袋填装后的鼓肚现象，确保符合设计及完工后的美观效果。⑥土料填满夯实按设计要求覆盖植物纤维毯，后用专门的黏扣带黏合，再结扎边框线与网笼封盖。

3 工程效果分析

水库清淤资源化利用是解决淤泥土去向的合理途径。在采用筑岛技术处理淤泥土过程中，运输距离不超过2 km，减少了土方外运产生的碳排放。以距弃置场地20 km核算，就近筑岛减少土方运输费超过18元/m3，三座岛利用淤泥土1 222万m3，节约投资2.20亿元。

淤泥土的就近利用，避免了弃土场的占用；施工中对填筑用淤泥土的重金属含量进行了检测，相应值低于标准管制值，符合环境管理要求及相关法律法规要求。协同旅游规划，在不侵占防洪库容的情况下，造岛种植花草、林木，加强了水库沿岸水土保持与二氧化碳的吸收，增加了区域碳汇，产生了良好的经济效益和环境效益。

4 结论

工程设计结合旅游规划及当地文化，在平面形状、生态护坡、监测设施布置等方面合理考虑景观效果，与周边生态环境相协调；同时对主要施工技术及工程效果进行了分析总结，可供其它类似工程建设参考和借鉴。

水库清淤区域结合旅游规划就近消纳淤泥土筑岛种植林木，打造成生态旅游岛，在实现就近消纳土方的同时，避免外运堆放造成土地的占用，减少了工程投资。在完成水库清淤治理工程目标的基础上，减少土方外运产生的碳排放，优化了区域生态环境；新增了宝贵的旅游资源，增强了区域的水土保持能力，实现了项目区碳中和目标，产生了良好的经济效益和环境效益。