全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

梁振淼

(江西省修水縣水利電力局，江西 修水 332400)

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全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

梁振淼

(江西省修水縣水利電力局，江西 修水 332400)

近幾年來，中小型水庫除險加固和電站擴容改造等項目實施過程中較多需要進行施工導(dǎo)流。根據(jù)工程總體布置及工程實際制訂經(jīng)濟安全的施工導(dǎo)流方案，始終是水利工程施工中常見的技術(shù)難題，而全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中被廣泛應(yīng)用。文章結(jié)合水庫除險加固工程案例，介紹了全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)的常用方法。

全段圍堰；導(dǎo)流技術(shù)；導(dǎo)流方式；水利工程施工；應(yīng)用

施工導(dǎo)流在水利工程施工中，從修筑圍堰直至完建，都是必須妥善解決的重要問題。它直接關(guān)系到整個工程的施工進度及完成期限；影響施工方法的選擇、施工場地的布置和工程的造價；它與水工建筑物的型式和布置等關(guān)系也十分密切。合理的導(dǎo)流方式，可加快工程進度，縮短建設(shè)工期、降低工程造價；考慮不周到，不僅達不到預(yù)期目的，而且可能造成很大的危害[1]。例如，選擇施工導(dǎo)流流量過小，將導(dǎo)致圍堰的失事，輕則使建筑物、基坑與施工場地遭受淹沒，影響按期完工，重則使主體建筑遭到破壞而威脅下游居民的生命財產(chǎn)安全；反之，如選擇的施工導(dǎo)流流量過大，則必然增加導(dǎo)流建筑物的費用，從而提高了工程造價，造成浪費。

1 全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)

全段圍堰法導(dǎo)流就是在河床主體工程的上、下游一定距離用圍堰一次攔斷河流，使河水經(jīng)河床以外的臨時或永久泄水道下泄，待主體工程建成或接近建成時，再將臨時泄水道封堵。

全段圍堰法導(dǎo)流，一般應(yīng)用在河床狹窄，流量較小的中、小河流上。在大流量河道上，只有在受地形、地質(zhì)條件所限，不利于分段圍堰法導(dǎo)流時，或在施工期內(nèi)停航的情況下，才彩用此法導(dǎo)流。這個方法的優(yōu)點是工作面大，河床內(nèi)的建筑物能在一期圍堰內(nèi)建造起來。另外，如果在水利樞紐中，能利用永久泄水建筑物結(jié)合施工導(dǎo)流時，則采用此法比較經(jīng)濟。

2 全段圍堰法導(dǎo)流方式

2.1 明渠導(dǎo)流

河流攔斷后，水流由河岸上的人工渠道宣泄稱為明渠導(dǎo)流。明渠導(dǎo)流，多用在岸坡較緩，有較寬廣的灘地，或者岸坡上有溪溝可以利用的地方。當(dāng)渠道軸線上是軟土，特別是當(dāng)河流彎曲，可用渠道裁彎取直時，采用此法最為不利。它的施工順序是：在壩址岸側(cè)挖渠，然后截斷河流，使河水由明渠下泄，待原河床上建筑物建成或建到某預(yù)定高程后，再攔斷明渠，使河水按預(yù)定的位置下泄。

在布置導(dǎo)流明渠時，一般應(yīng)注意以下4點：

1)力求挖方量小，開窟容易：有條件時，應(yīng)充分利用山埡、洼地、舊河槽等地形。

2)水流通暢，泄水能力強：渠道進出口水流與河道主流夾角最好<30°，渠道軸線轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)>5倍渠道水面寬度。

3)泄水應(yīng)該安全：渠道進出口與上、下游圍堰應(yīng)有一定距離，一般上游為30～50m，下游為50～100m。明渠水邊到基坑內(nèi)水邊的最短距離，以>2.5～3倍明渠水面與基坑水面高差為宜。

4)運用方便：最好將明渠布置在一岸，避免兩岸布置，否則將影響基坑與岸上的交通運輸。考慮防沖防淤要求，明渠一般布置在不受沖刷和淤積的河岸部分。

導(dǎo)流明渠，一般均采用梯形斷面，僅在巖石完整，渠道不深時才彩用矩形。渠道斷面應(yīng)滿足防沖的要求，并且應(yīng)保證通過設(shè)計施工流量Q設(shè)施(m3/s)。渠道的過水?dāng)嗝娣eW可按下式計算：

(1)

式中：[V]為渠道允許平均流速，m/s。

2.2 隧洞導(dǎo)流

在河谷狹窄，山巖堅實，河水變幅較大的山區(qū)河流中，多采用隧洞導(dǎo)流。特別是修建高水頭的當(dāng)?shù)夭牧蠅螘r，隧洞導(dǎo)流更為普遍。由于隧洞的開挖與襯砌費用較大，施工困難，所以應(yīng)盡可能將導(dǎo)流隧洞與永久性隧洞相結(jié)合，當(dāng)結(jié)合確有困難時，才考慮設(shè)置專用導(dǎo)流隧洞。專用的導(dǎo)流隧洞，在導(dǎo)流完畢后應(yīng)即堵塞。

1)洞線選擇：導(dǎo)流隧洞的選線，影響因素很多，其中應(yīng)著重考慮地質(zhì)條件和水力條件兩方面。由于導(dǎo)流隧洞是臨時性建筑物，運用時間不長，設(shè)計級別較低，若地質(zhì)條件太差，需花費昂貴的支撐和襯砌，很不經(jīng)濟，若遇塌方則危害更大。一般應(yīng)避免洞線穿過斷層、破碎帶以及較大的沖溝。無法避免時則應(yīng)使洞軸線與斷層、破碎帶的交角大一些。為使隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，洞頂巖石厚度至少應(yīng)大于洞徑的2～3倍。為使水流順暢，增大泄水能力，導(dǎo)流隧洞的軸線最好為直線，如必須彎曲，則進出口直線段長應(yīng)>10倍洞徑或洞寬，其轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)>5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角一般≤60°，隧洞進出口軸線與河道主流的夾角最好在30。以內(nèi)。若隧洞穿過壩底、壩肩或其它建筑物時，應(yīng)使建筑物基礎(chǔ)與隧洞間留有足夠的巖石厚度，一般為3～5倍洞徑。相鄰隧洞的巖石厚度，一般應(yīng)≥2倍洞徑。同時，進出口與上、下游圍堰之間要有適當(dāng)?shù)木嚯x，一般應(yīng)>50m，以防堰體受進出口水流沖刷。隧洞進出口高程，從截流要求看，越低越好，但從洞身施工的出碴、排水、土石方開挖等方面看，則以高些為好。有關(guān)這些方面的矛盾，應(yīng)按具體條件，綜合考慮，統(tǒng)一解決。

2)斷面形式選擇：導(dǎo)流隧洞斷面形式的選擇，主要取決于地質(zhì)條件、隧洞工作條件(有壓還是無壓、水頭的高低、外水壓力大小)以及是否方便施工和有利截流等因素。常見的有圓形、馬碲形及城門洞形3種。就施工方便、快速而論，城門洞型是最有利的。而且由于它底部過水面積大，和圓形比較，可在同一高程、同一洞徑的條件下，減小截流落差，有利截流施工。但在地質(zhì)條件差或地下水位高，外水壓力大的情況下，采用城門洞形會使襯砌邊墻及底板承受較大的彎矩，這時宜采用圓形或馬碲形[2]。

3)關(guān)于襯砌及糙率系數(shù)問題：導(dǎo)流隧洞是臨時建筑物，運用時間較短，襯砌要求應(yīng)較永久性水工隧洞為低。至于要否襯砌，則取決于地質(zhì)條件及隧洞工作條件。一般在地質(zhì)條件較好、巖石堅硬完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育、洞頂巖層有足夠厚度，以及洞身開挖過程中不需要支撐的地方，可不用襯砌。即使局部節(jié)理發(fā)育，但裂隙閉合，沒有充填物及嚴重互相切割現(xiàn)象，巖層走向和洞軸線交角較大時，也可考慮不加襯砌或僅襯砌頂拱。如果巖石較軟弱，或巖石雖堅硬但列隙互相切割較為破碎，或地下水較發(fā)育則應(yīng)考慮全斷面襯砌。物別在隧洞進出口處，一般跨度較大，洞頂巖層較薄，風(fēng)化影響也較嚴重，是全洞的薄弱地帶，一般都采用全斷面襯砌[3]。

減小糙率n值的措施，對于襯砌隧洞，主要是使模板不走樣，襯砌表面不出現(xiàn)蜂窩麻面、鋼筋保護層的厚度不應(yīng)太薄等；對于不襯砌的隧洞，可采用光面爆破、噴漿、或其他護面措施。

3 圍 堰

圍堰是一種臨時擋水建筑物，用來圍護水工建筑物的基坑，保證施工能在干地上順利進行。圍堰除在灘地上施工外，一般都是直接在流水中修建，在完成導(dǎo)流任務(wù)后，如果對永久建筑物的運行有妨礙，還需拆除。因此圍堰除滿足一般擋水建筑物的要求(如穩(wěn)定、不透水、抗沖刷)之外，還應(yīng)考慮工程量小，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、利于拆除等要求。如果能將圍堰與永久建筑物結(jié)合起來，作為永久性構(gòu)造的一部分(如包括在土壩壩身內(nèi)的堆石圍堰)，這對節(jié)約材料，降低造價，縮短工期更為有利。

水利工程施工中土石混合圍堰、混凝土圍堰、草土圍堰、水籠圍堰、板樁圍堰等。中小型水庫除險加固全段圍堰主要采用土石混合圍堰。

土石混合圍堰的斷面形式，它與土圍堰比較，具有抗沖刷能力大、底寬小、在流速較大的河流中可以進行水下堆筑，必要時可做成過水圍堰等優(yōu)點。但是這種圍堰的拆除比較困難。在一般情況下，當(dāng)工地有充裕的石碴可以利用，或需要圍堰過水以及今后不需將它拆除時，采用這種圍堰是合理的。

土石混合圍堰的施工，道先是清基與鋪筑基礎(chǔ)反濾層，堆石的水下部分可自兩側(cè)用進占法堆筑或用棧橋法堆筑，堆筑水上部分時，須注意大小不同的石料均勻分布在堰身內(nèi)，以減少空隙，增加密實性。拋石時大石塊應(yīng)拋在堰趾部分，以增加穩(wěn)定性。進占時先拋小石，然后隨落差和流速的增加采用較大的石塊，當(dāng)流速增大至用一般石塊拋填已有困難時，可采用大型石塊或人工預(yù)制的大型混凝土塊。堆石工作完成后，在迎水面的邊坡鋪筑反濾層，然后鋪筑土層。為了防止水流的沖刷和波良的沖擊，土層表面還應(yīng)設(shè)置護坡將土層覆蓋。

4 全段圍堰導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇和導(dǎo)流水力計算

擬定施工導(dǎo)流方案，需要選用某個流量值或某幾個流量值，作為導(dǎo)流方案和導(dǎo)流建筑物設(shè)計計算的依據(jù)。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)太高，必然使導(dǎo)流建筑物規(guī)模增大，投資增多，甚至延誤工期和工程受益時間；標(biāo)準(zhǔn)太低，又將危及施工安全。

4.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇

導(dǎo)流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選擇，常用頻率法。即根據(jù)工程等級，確定導(dǎo)流建筑物的級別，再根據(jù)導(dǎo)流建筑物的級別，確定相應(yīng)的洪水重現(xiàn)期，作為計算導(dǎo)流設(shè)計流量的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)流設(shè)計時的洪水重現(xiàn)期可在表1的范圍內(nèi)分析采用。必要時，還應(yīng)考慮可能遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時的緊急措施。

表1 臨時性水工建筑物所采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)

過去的施工經(jīng)驗表明：確定導(dǎo)流設(shè)計流量，不能沒有標(biāo)準(zhǔn)而憑主觀臆斷；但由于影響導(dǎo)流設(shè)計的因素十分復(fù)雜，也不能將規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)看成固定的，一成不變而套用到整個施工過程中去。因此在導(dǎo)流設(shè)計中，一方面要依據(jù)表所列的數(shù)據(jù)，更重要的是具體分析該河流的水文特性，工程特點與導(dǎo)流建筑物的特點，經(jīng)過各種方案的比較論證，才能確定出合理的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。在到多快好省的目的。

施工期間，往往需要利用未完建的壩體擋水。此時洪水期的渡汛標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)壩體擋水形成的攔洪庫容，在表2規(guī)定的幅度內(nèi)分析確定。根據(jù)失事后對下游的影響，還可以適當(dāng)提高和降低。

表2 壩體施工期攔洪渡汛的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn) a

4.2 全段圍堰法隧洞導(dǎo)流的水力計算

在已經(jīng)確定導(dǎo)流流量和隧洞的各種水力要素后，通過判明流態(tài)并進行相應(yīng)的水力學(xué)計算，可以確定上游水位和上游圍堰的高程。

4.2.1 流態(tài)的判別

當(dāng)上游水位較低時，雖然隧洞斷面是封閉的形狀，但水流并不能充滿整個隧洞，水流有自由水，此時洞內(nèi)水流特性與明渠水流一樣，是無壓流。上游水位升高，洞內(nèi)的水面也隨著上升。當(dāng)上游水位升高到一定程度時，這時隧洞的前段已充滿水，而后段仍是無壓流，這種水流狀態(tài)稱為半有壓流。當(dāng)上游水位繼續(xù)上升到一定高度時，水流將充滿整個隧洞，沒有自由水面，這種水流狀態(tài)稱為有壓流。

4.2.2 有壓流的水力計算

有壓流分為有壓自由出流和有壓淹沒出流兩種

上游從進口底檻算起計入行近流速的水頭H。可按下式計算：

(2)

式中：hs為下游計算水深，根據(jù)隧洞出口處河流的水位流量關(guān)系曲線得出；當(dāng)下游水位低于洞頂，即自由出流時，hs可按0.85D計算；當(dāng)下游水位高于洞頂，即淹沒出流，hs按實際水深計算；D為隧洞直徑：

4.2.3 無壓流的水力計算

當(dāng)隧洞為無壓流時，水流流態(tài)有急流和緩流兩種。對于急流，下游水位對上游隧洞進口水深不發(fā)生影響，因此上游水頭H。可按非淹沒寬頂堰公式計算：

(3)

式中：m為流量系數(shù)，一般取m=0.32～0.36；b為隧洞進口處水面的計算寬度，可按下式計算：

b=ωK/hKm

(4)

式中：hk、wk為隧洞進口處的臨界水深m及其過水?dāng)嗝娣em2。

對于緩流，下游水位對上游隧洞進口水深將發(fā)生影響。但在一般情況下，隧洞長度較長，這種影響可以忽略不計，故隧洞進口內(nèi)的水深可近似地按正常水深計算，而正常水深可按明流公式用試算法計算或用圖解法確定。求出正常水深后，可按下式近似地求得上游水深H：

(5)

式中：φ為考慮側(cè)向收縮的流速系數(shù)；v為隧洞進口流速，m/s；ho為隧洞內(nèi)正常水深，米。

當(dāng)求得上游水深后，即可確定上、下游圍堰高度：

上游圍堰高度：

H上=h1+H+δm

(6)

下游圍堰高度：

H下=h2+hs+δm

(7)

式中：h1、h2為隧洞進口、出口離河床底部高差，m；H、hs為隧洞上、下游水深，m；δ為安全超高，對于不能溢流的圍堰采用 0.7～1.0m；對于可以溢流的圍堰采用0.2～0.5m。

若隧洞長度較短，為了精密計算，則可按不均勻流推算水面曲線的方法確定隧洞進口水深，從而求得上游水位。其它導(dǎo)流方式如明渠、渡槽、涵管及底孔等的水力計算，均可分別地按照無壓流或有壓流進行計算。

5 全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)的應(yīng)用案例

5.1 石咀水庫除險加固工程概況

石咀水庫位于江西省修水縣黃沙鎮(zhèn)石咀村，整個樞紐工程由大壩、溢洪道、涵管及發(fā)電廠房等部分組成。本次除險加固主要施工項目有：大壩塑性混凝土防滲心墻澆筑、壩基防滲帷幕灌漿、溢洪道翻修、壩下涵管封堵、新建引水放空隧洞、壩坡及反濾棱體翻修、工程管理設(shè)施建設(shè)等。

5.2 施工導(dǎo)流導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及時段

石咀水庫為三等中型水利工程，其主要建筑物為三級建筑物，依據(jù)(SDJ338—89)《水利水電施工組織設(shè)規(guī)范》規(guī)定：臨時建筑物為5級，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為5～10a洪水(土石圍堰)。

根據(jù)本工程的具體情況，選定導(dǎo)流時段為10月—次年2月，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為5a一遇洪水，相應(yīng)水庫施工期(P=20%)洪峰流量為8.2m3/s。

5.3 導(dǎo)流方式及導(dǎo)流建筑物

本工程施工期間、利用原灌溉發(fā)電涵管導(dǎo)流，經(jīng)調(diào)節(jié)計算P=20%施工期洪水最高洪水位為246.5m，隧洞施工不需作圍堰，待新建引水隧洞發(fā)揮作用后，封堵老涵管，(因老涵管底板高程為241m,而新建引水隧洞底板高程為247m)、封堵老涵管時需在原涵管進口前修筑土石圍堰，其圍堰頂高程為248m，圍堰高度為6m，圍堰內(nèi)外邊坡為1∶1∶0，圍堰軸線長40m,采用全段圍堰截流導(dǎo)流，圍堰土石方工程量為1260m3。從本工程導(dǎo)流施工效果看，基本達到了施工預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 語

全段圍堰導(dǎo)流適用于河床狹窄，流量較小的中、小河流上。在江西省中小型水庫除險加固和電站改造中應(yīng)用較多。影響全段圍堰施工導(dǎo)流的因素很多，合理制訂導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)和時段，結(jié)合工程實情，充分運用全段圍堰明渠導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流方法，對確保主要建筑物施工質(zhì)量及工程安全、縮減工期和節(jié)省投資有重要作用。

[1]嚴飛.大型城市泵閘工程在復(fù)雜情況下的施工導(dǎo)流設(shè)計[J].水利水電科技進展，2010，30 (01): 61-64.

[2]力剛，陸衛(wèi)東.利用現(xiàn)有工程進行施工導(dǎo)流的應(yīng)用探索[J].江蘇水利，2011(08):19-21.

[3]范公俊，賈延權(quán)，王艷紅等.幾種圍堰施工技術(shù)在連云港灘涂區(qū)的應(yīng)用[J].水利水電科技進展，2011，31(01)：62-65.

TV551.3

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1007-7596(2016)08-0128-03

2016-07-18

豐威(1980-)，男，吉林松原人，工程師，研究方向為水利水電工程。