某水利工程施工導流分析

程 偉,張思遠

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

某水利工程施工導流分析

程 偉,張思遠

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550002)

工程建設內容包括水源樞紐工程和輸水工程。水源樞紐工程由混凝土面板堆石壩(主壩)、右岸無閘控制岸邊開敞式溢洪道、右岸放空兼導流洞、右岸取水隧洞、黃沙漕沖溝副壩及排洪洞組成。根據工程特點、導截流條件選取合理的導流方案，依照選取的導流方案進行詳細的導截流設計

水利工程；樞紐；施工導流；設計與施工

1 工程簡述

工程建設內容包括水源樞紐工程和輸水工程。水源樞紐工程由混凝土面板堆石壩(主壩)、右岸無閘控制岸邊開敞式溢洪道、右岸放空兼導流洞、右岸取水隧洞、黃沙漕沖溝副壩及排洪洞組成。工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時建筑物級別為5級。

擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高82.79m，壩底最大寬度70.434m，壩頂總長度284.372m，共分3個壩段。

右岸擋水壩段長155.665m，壩頂寬8m，上游壩面垂直，下游壩坡為1:0.75，起坡點高程為664.5m。左岸擋水壩段長度90.707m，壩體剖面尺寸與右岸擋水壩段相同。

河床溢流壩段長為38m，共布置3孔開敞式溢洪道表孔，堰頂高程655m，最大下泄流量3720m3/s。每孔設有9m×15m(寬×高)的弧形工作閘門，弧形閘門前均設置有檢修門槽，3個表孔共用一扇9m×10m平板檢修閘門，右壩頂移動式臺車啟閉。表孔之間的中墩厚3.0m，邊墩厚2.5m。溢流堰面按WES型剖面設計，其直線段的坡比為10.75，出口采用挑流消能，鼻坎反弧半徑30m，挑角25°，坎頂高程620m。

2 導流條件

2.1 洪水特性

壩址控制流域面積2341km2，根據惠水縣水文站43年的實測資料統計，多年平均流量17.6m3/s，實測最大、最小流量分別為28.8m3/s和9.9m3/s。5-10月份為洪水期，其中6-7月份為主汛期，年最大洪水一般多在該時期出現。洪水由暴雨形成。洪峰一般多呈雙峰形，一次洪水過程約3-4d。11月-次年4月份為枯水期。

2.2 地形地質特點

壩址位于董王鄉下油煎村的順直河段，兩岸山體雄厚，山頂與河底高程差達360余m。 壩址河床較窄，常水位河面寬22m，水深1-4m，主流偏于右岸。左側山體順直、右岸680m高程以下有一突出山體，地形較適合全段圍堰隧洞導流方式。

壩址地層巖性為中厚層燧石團塊灰巖及硅質條帶灰巖，偶夾碳質泥巖及煤透鏡體，巖層走向與河流近平行，傾向左岸，傾角32°。河床覆蓋層厚一般為4-7m，最深8m，覆蓋層透水率大。

導流隧洞沿線圍巖主要為二疊系上統吳家坪組第二段淺灰至灰色中厚層燧石團塊灰巖及硅質條帶灰巖，呈弱風化狀態，洞身段圍巖為Ⅲ類圍巖，進出口為Ⅳ類圍巖。

3 導流標準

本工程為Ⅲ等工程，主體建筑物為3級。按SL303-2004《水利水電工程施工組織設計規范》，導流建筑物為5級，設計洪水標準當采用土石圍堰時，重現期為5-10a一遇，當采用混凝土圍堰時，重現期為3-5a一遇。本工程采用土石圍堰，考慮到本工程屬于中型工程，選用5a一遇(P=20%)洪水設計。

由于電站基礎開挖較深，基坑內回填混凝土工程量較大，為適當延長基坑內施工時間，爭取工期以便安全度汛，經分析比較，選定施工設計導流流量，即導流時段為11月-次年4月，相應流量287m3/s。渡汛標準選用10a一遇(P=10%)的全年洪水，相應流量為1730 m3/s。

4 導流方式選擇

4.1 導流方式選擇

根據地形地質條件，水文特性及工程總體布置，施工導流研究了全段圍堰左岸隧洞導流、全段圍堰右岸隧洞導流等共3個方案，各方案的比較指標見表1，各方案分述如下：

1)方案1：采用全段圍堰隧洞導流方式，導流洞位于左岸，隧洞進口高程610.00m，出口高程606m，長度218.64m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為5.5m×6.5m，底坡1.829%。上游圍堰導流時段擋水水位621.25m，上游圍堰采用碾壓混凝土重力圍堰，堰頂長77.347m，堰頂高程621.55m，最大堰高15.05m，堰頂寬4.5m，堰底寬13.775m，下游邊坡1∶0.7，堰基采用；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎及堰體防滲采用高噴灌漿。在上游圍堰堰前采用土石子圍堰擋水，以保證上游圍堰在干地施工，上游子圍堰堰頂高程616.00m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.5，堰頂寬3 m，堰頂長45.686m。本方案導流洞布置于大壩左岸，導流期間不制約基坑土石方開挖出渣及上壩澆筑混凝土運輸，但與發電引水隧洞進水口相距較近，施工時受其干擾較大，同時進口段地質條件較差，土石方開挖量較大。

2)方案2：采用全段圍堰隧洞導流方式，導流洞位于右岸，隧洞進口高程612.00m，出口高程606m，長度271.714m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為5.2m×6m，底坡2.208%。上游圍堰導流時段擋水水位621.330m，上游圍堰采用土石過水圍堰，堰頂長77.333m，堰頂高程621.830m，最大堰高11.8m，堰頂寬4.5m，迎水面坡比1：2.2，背水面坡比1：2.5，堰基及堰體采用高噴板樁防滲，迎水面及背水面均采用鋼筋石籠護坡；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長度36.099m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎及堰體防滲采用高噴灌漿。本方案布置于大壩右岸，導流期間為滿足基坑土石方開挖出渣及上壩澆筑混凝土運輸，需在導流洞出口修建臨時交通橋，但隧洞進出口沒有其他建筑物，進出口段地質條件較好，土石方開挖量較小。

3)方案3：采用全段圍堰隧洞導流方式，導流洞位于右岸，隧洞進口高程610.00m，出口高程606m，長度186.739m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為4.8m×7.2m，底坡2.142%。上游圍堰導流時段擋水水位621.075m，上游圍堰采用碾壓混凝土重力圍堰，堰頂長78.626m，堰頂高程621.375m，最大堰高16.252m，堰頂寬4.5m，堰底寬12.451m，下游邊坡1∶0.6，堰基采用防滲帷幕防滲；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎及堰體防滲采用高噴灌漿。在上游圍堰堰前采用土石子圍堰擋水，以保證上游圍堰在干地施工，上游子圍堰堰頂高程616.00m，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡比1∶1.5，堰頂寬3 m，堰頂長56.266m。本方案導流洞布置于右岸，導流期間為滿足基坑土石方開挖出渣及上壩澆筑混凝土運輸，需在導流洞出口修建臨時交通橋，隧洞出口段地質條件較好，但進口位于崩塌堆積體范圍內，地質條件較差，土石方開挖量較大，進出口沒有其他建筑物相鄰。

表1 各方案經濟技術比較表

續表1 各方案經濟技術比較表

從上述3個方案中方案1投資大于方案2、3，但方案3進口位于崩塌堆積體下端，開挖后易引起崩塌堆積體下滑，因此雖然方案2比方案3投資略高，但考慮技術等綜合比較，選定方案2為推薦導流方案。

4.2 導流水力計算

1)泄流能力計算：

首先假設隧洞的流態為有壓流。

根據下泄流量查《壩址水位流量關系曲線》，得相應下游水位為608.885m，而隧洞出口斷面頂高層為612.0m，因此隧洞為自由出流。

有壓自由出流泄流公式(底坡i沿程不變時)：

(1)

式中：Q為泄流量，Q=287m3/s；Ad為隧洞出口過水斷面積，全斷面過流時，Ad=28.495m2；H0為進口底板以上水位與行進流速水頭之和，為待求值，m；i為隧洞底坡，i=2.208%；l為隧洞長度，l=271.714m；hp為出口底板以上的計算水深，hp=ηd；d為隧洞出口洞高，d=6m；η為系數，根據出口水流情況：出口有頂托，側墻不約束，查《水利水電施工組織設計手冊》第一分冊施工規劃(以下簡稱《手冊》)表2-5-33得η=0.7；故hp= 4.2m。u為流量系數，自由出流且管道斷面沿程不變化，因此計算公式為：

(2)

式中：l為管道長度，271.714m；Ad為管道斷面積，28.495m2;ξi為某局部能量損失系數；進口為圓角，則由《手冊》表2-5-20選取ξ1=0.2；進口閘門槽：閘門為平板門，由《手冊》表2-5-20選取ξ2=0.1；進口平面轉彎段寬度為b=5.2m，轉彎半徑為R=28m，轉角為θ=60°，由《手冊》表2-5-20選取ξ3=0.101；出口平面轉彎段寬度為b=5.2m，轉彎半徑為R=90m，轉角為θ=47.08°，由《手冊》表2-5-20選取ξ4=0.09。則∑ζi=0.491。

經過計算的流量系數u=0.682

根據已知條件：流量Q、流量系數u、出口過水斷面積Ad、底坡i、隧洞總長l、出口底板以上計算水深hp，可用公式：

(3)

計算H0。則當下泄流量為Q=287m3/s時，有H0=9.33m。

2)圍堰擋水水位確定：

根據計算，得上游圍堰擋水水位為621.33m，下游圍堰擋水水位為608.883m。

5 導流建筑物設計

5.1 導流擋水建筑物設計

1)上游圍堰設計：

上游圍堰位于大壩壩址所在河段的陡灘上，河床崩塌砂卵石層厚8-9m，強風化層厚4-5m，左岸殘坡積層厚1-3m，強風化層厚5-6m；右岸基巖裸露，強風化層5-7m。堰基巖石為二迭系上統吳家坪組中厚層燧石團塊灰巖和硅質條帶灰巖，構造簡單，主要為單斜構造，巖層傾左岸，巖層產狀變化不大。砂卵石層透水性大。

圍堰型式考慮土石圍堰和碾壓混凝土圍堰進行比較。圍堰基礎砂卵石層厚度達8-9m，若為碾壓混凝土重力圍堰，則須將約9m深的砂卵石清除，再將強風化層挖除2m，因此上游圍堰高度將達到23.672m，并結合大壩填筑強度考慮，選定上游圍堰型式土石圍堰過水圍堰。具體設計如下：

土石圍堰堰頂高程為621.830m，堰頂長77.333m，最大堰高11.830m，堰頂寬4.5m，迎水面坡比1∶2.2，背水面坡比1∶2，堰基及堰體采用高噴板樁防滲，高噴板樁深入基巖0.5m，迎水面及背水面均采用鋼筋石籠護坡，厚度1m。頂部用C15混凝土防沖，厚度1m。

2)下游圍堰設計：

下游圍堰所處河床砂卵石層厚0-4m，強風化層4-5m，左岸殘坡積黏土夾碎石層厚1-3m，強風化層厚5-6m；右岸基巖裸露，強風化層5-7m。堰基巖石為二迭系上統吳家坪組中厚層燧石團塊灰巖和硅質條帶灰巖，構造簡單，主要為單斜構造，巖層傾左岸，巖層產狀變化不大。砂卵石層透水性大。

下游圍堰只在第一個枯水期中使用，因此采用土石圍堰。下游圍堰擋水水位608.885m，堰頂高程609.385m，堰頂長度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m。在高程608.0m形成截流戧堤，戧堤頂寬3m。基礎及堰體采用高噴灌漿防滲。

5.2 導流泄水建筑物設計

導流洞進口底板高程為612.000m，出口高程為606.000m。隧洞洞長為264.016m，其中洞0+000-洞0+035.350段為進口直線段；洞0+035.350-洞0+064.672段為進口轉彎段，轉彎半徑28.0m，轉彎角度60°；洞0+064.672-洞0+154.559為中間直線段；洞0+154.559-洞0+228.515為出口轉彎段，轉彎半徑為90.0m，轉彎角度為47.08°；洞0+228.515-洞0+271.714段為出口直線段。導流隧洞斷面經過比較選用城門洞形，斷面尺寸5.2m×6m，底寬5.2m，邊墻高度為4m，頂拱為圓弧拱，半徑為2.69m。C20混凝土襯砌厚度為40cm。

6 導流工程施工

6.1 擋水圍堰施工

本工程上下游圍堰均為土石圍堰，其土石填筑量為21166m3，鋼筋石籠護坡為2883m3，C15混凝土485 m3，高噴灌漿防滲板樁為928m，下游圍堰拆除為4569 m3。

圍堰填筑土石料考慮利用導流洞開挖的洞渣和部分壩肩開挖料。在圍堰施工時，須先進行截流戧堤的施工。用1 m3挖掘機在臨時堆渣場挖裝石渣，10t自卸汽車運輸至龍口，推土機平倉，振動碾碾壓密實。混凝土澆注時，用10t自卸汽車運輸入倉，人工持插入式振搗棒振搗密實。

高噴防滲板樁采用150型地質鉆機鉆孔，三管法灌漿，水氣嘴為雙向水平兩嘴噴射方式，臺車為齒輪變速箱、卷揚機提升裝置。灌漿材料選用由425#普通硅酸鹽純水泥漿液。

鋼筋石籠用人工綁扎好，用10t自卸汽車運輸至倉面，汽車吊調運至圍堰坡面堆砌；下游圍堰護坡塊石采用10t自卸汽車運輸至倉面，人工砌筑。

下游圍堰的拆除采用1m3挖掘機挖裝，10t自卸汽車運輸出渣，經基坑公路、上壩公路、料場公路運至1號棄渣場堆放，運距4.8km。

6.2 導流隧洞施工

隧洞進出口覆蓋層采用1m3挖掘機開挖，10t自卸汽車運輸出渣。石方明挖采用手風鉆鉆爆，1m3挖掘機配合10t自卸汽車運輸出渣。由于導流隧洞施工時，河水位可能高于進出口明渠底板高程，因此在進出口明渠靠近河邊留5m長一段先不開挖，待隧洞施工完畢后，截流前再將其挖除。

石方洞挖從進出口兩個工作面同步進行施工。隧洞最大開挖斷面積為35.58m2，施工時采用自制架子車配合氣腿風鉆鉆孔、周邊光爆的一次成型的全斷面開挖方法，由于隧洞較短，工程量不大，隧洞開挖裝碴采用1m3挖掘機裝碴，10t自卸車運輸出渣。

隧洞施工時，對局部巖溶發育洞段，須及時進行臨時支護，并及時用混凝土回填。

混凝土襯砌采用簡易鋼模臺車。10t 自卸汽車運輸混凝土至洞口，用混凝土泵送至澆筑倉面，附著式振搗棒振搗密實。

7 截 流

截流為的5a一遇的旬平均流量為15.6m3/s。

截流采取立堵法，截流戧堤自左岸向右岸進占，從龍口左端向河床中間填筑石渣料進占，束窄河床，直至全部攔斷河床。截流龍口設在導流洞進口下游20m處的左岸，預留龍口寬度5m。待截流戧堤形成后，須迅速在戧堤背水面培厚，直至設計斷面尺寸。

8 基坑排水

當上下游圍堰形成后，須將基坑內的水排除，以形成干地施工。初期排水設備選用2臺IS65-40-315型離心泵。水泵安放在圍堰頂上，直接將河水排至下游河道中。

同時還需做好基坑內的經常性排水。考慮在基坑內設置0.5m×0.5m排水溝，同時在靠近圍堰堰腳處修建2m×2m的集水坑，用1臺IS65-40-315型離心泵排水，水泵安放在圍堰堰頂，直接將基坑內的水排至下游河道中。

9 下閘蓄水及導流洞封堵

大壩完工溢洪道具備過流條件后，即可進行下閘蓄水并進行導流洞封堵，下閘封堵選定下閘設計流量為48.4m3/s。

導流洞進口閘門采用平板鋼閘門下閘，堵頭施工在下閘后進行，分段澆筑，頂拱和側壁進行回填和接觸灌漿。

[1]梁漢壽.長洲水利樞紐施工導流設計優化[J].水力發電，2010(01)：20-22，34.

[2]劉立剛.水利樞紐工程施工導流設計[J].黑龍江科技信息，2014(11)：161.

[3]王鋒.浯溪口水利樞紐工程施工導流設計[J].中國水能及電氣化，2014(05)：67-70.

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1007-7596(2017)09-00212-02

文章編號：1007-7596(2017)09-0098-02

2017-08-28

程偉(1974-),男，貴州貴陽人，高級工程師，從事水工建筑工作;張思遠(1981-)男，遼寧遼陽人，高級工程師，從事水工建筑工作。