混凝土面板砂礫石壩鋼管導流應用

夏元清

（新疆綠翔建筑安裝工程有限責任公司，新疆 額敏 834601）

水利工程施工，根據水文地質及施工條件選定導流標準、劃分導流時段、確定導流設計流量，選擇導流方案及建筑物的型式。而導流方案的選定，關系到整個工程的施工程序、工期、質量、造價和安全度汛。正確合理的水流控制，可以加快施工進度，降低工程造價。山區小型水庫導流方式是待導流隧洞完成后進行導流，均為一次性截斷河道；受現場情況復雜、因素多變，導流建筑工期長等因素制約，如何解決工期與工序之間的矛盾，保證在合同工期內完工[1]，導流問題經常困繞施工人員。本文以哈密市安拉溝水庫為例，對其鋼管導流[2]的運用進行探討。

1 工程概況

哈密市安拉溝水庫為混凝土面板砂礫石壩，屬Ⅳ等小(1)型工程，主壩長287 m，壩高50.5 m。河道最大月平均流量為0.7 m3/s，其它月平均流量0.15 m3/s～0.3 m3/s。在壩體的左岸山體內布置有導流、沖砂隧洞，全長378 m，其中洞身段長167 m，并設計有塔井和豎井段，豎井在巖體內豎向開挖深26 m。隧洞內頂部安裝DN600輸水鍍鋅鋼管，進口設置在塔井內，且安裝過豎井時從其左邊墻外側巖體內繞過，增加了施工難度和延長了工期。工期要求第二年底完成下閘蓄水任務。

2 初期導流情況

為加快施工進度，趾板土石方開挖與隧洞施工同時進行，開挖時在基槽河床最低處向下游開挖導流明渠，并使其與壩軸線垂直；讓河水順其自然下泄，同時降低地下水位，使其他部位能在干地作業。在趾板基槽開挖至巖石部位時，導流明渠也隨之座落在河床基巖上。趾板段砂礫石覆蓋層清挖到石方，其河床裸露的巖石以主壩Z+120斷面為分界，左側巖石基本完整堅硬，右半側破碎且比較軟遇水即碎，無需爆破挖掘機可直接開挖作業，經地勘認定為斷層破碎帶，應繼續向下開挖至較新鮮的基巖上。因此，合理選擇導流方案的是確保工程順利進行的關鍵。

3 導流方案

基于壩體內已開挖導流明渠，可見基巖隨河道向下游傾斜，與壩體下游坡角仍具有一定的高差，尾部未見裸露巖體，隨趾板基槽開挖深度降低導流明渠仍可導流。但在導流沖砂隧洞沒有完成前，趾板施工及壩體整體填筑無法進行；即是在資源配置充足的條件下經進度計劃推算，下閘蓄水時期需推遲幾個月；而在第二年的洪水期到來前壩體填筑也達不到度汛高程，其基坑抽排水不能停，否則將淹沒基坑。在此基礎上提出埋設永久性鋼管導流，選擇位置在主壩橫段面Z+130處，即順著導流明渠內埋設，使之成為底孔導流模式，解決初期導流問題；待導流沖砂隧洞能通水時將底孔導流鋼管進行封堵。此方案可以取消圍堰施工和省去長期的基坑抽排水，經過造價對比有優勢且安全可行。

4 水力學計算

4.1 鋼管管徑的確定

根據水力學計算公式：

式中，d 為管徑，m；Q 為流量，m3/s；υ為經濟流速，m/s。排水管道采用壓力流時,壓力管道的設計流速宜采用0.7 m/s～2.0 m/s。取用流速中間值1.5 m/s。

求得管徑為0.77 m；選擇直徑0.8 m的鋼管采用焊接方式接長作為導流排水管，縱坡為2%。

4.2 過水流量驗算

按照短管、自由出流計算,流量計算公式如下:

式中，Q 為流量，m3/s；μc為流量系數；A 為管道斷面面積，m2；d為管道內徑；ι為管道計算段長度；H0為作用水頭；g為重力加速度；λ為沿程水頭損失系數；Σξ為局部水頭損失系數之和。

計算安裝鋼管長度為168 m，上下游導流渠渠底高差約3.5 m，經過水力學計算,過水流量0.73 m3/s。計算結果表明,采用直徑0.8m的鋼管,鋼管過流量大于最大月平均流量,所用鋼管滿足常規流量導流要求[3-4]。

5 鋼管埋設

5.1 方案優化

最初方案中鋼管埋設從趾板上游1.5 m集水坑處開始至壩體下游，鋼管進口頂高程低于趾板底高程。但經論證提出鋼排水管嚴禁穿越趾板，導流完成后需拆除趾板段鋼管。為滿足論證要求防止留下滲漏隱患，同時減少多余的工作，改變埋設方案并調整施工步驟。

5.2 導流進水口

5.2.1 首部處理

首先是埋設鋼管處的趾板段待導流洞能導流時澆筑，并將鋼管首部在距此處趾板向下游1.5 m處設置，鋼管前端與趾板下游面1.5 m段用混凝土在巖石上澆筑成喇叭洞口狀，前口寬1.5 m，深1.4 m；喇叭段上部澆筑鋼筋混凝土蓋板厚0.25 m，與原設計趾板下游的9m寬防滲板一起澆筑成為整體，并在喇叭口前端安裝1.8 m×1.8 m鐵柵欄防止上游漂浮物堵塞鋼管。

5.2.2 趾板連接

蓋板頂端上用C15細石混凝土砌卵石形成臨時擋墻與左右已澆筑趾板連接成一體（最后拆除），一是便于此部位墊層區料與壩體平行填筑，二是在異常來水時能形成滿管帶壓自流。

5.3 鋼管安裝

已澆筑趾板與鋼管前洞口相連成為導流排水通道；鋼管首部處垂直向上焊接一根管徑DN125 mm的泵送管和一根DN50 mm通氣鋼管，做為后期灌注混凝土用。安裝14根820×10 mm定尺長12 m的鋼管，先在導流溝槽內每個焊接接頭部位用[10槽鋼根據坡度高程制作支架，鋼管每2～3根焊接組裝成一組，按組吊入支架上架空焊接連接。鋼管底部距巖石面最小尺寸為200 mm，用C15混凝土將鋼管全部包裹[5]澆筑，從距鋼管前端9 m處開始澆筑混凝土與周邊巖石緊密相接，鋼管頂部澆筑混凝土厚從5.3 m開始，沿土石開挖分界線的巖石高程縱向向下游漸變至0.8 m，構成原巖體地質結構斷面形狀；混凝土澆筑方量3027 m3。混凝土強度達到70%時進行壩體填筑。

6 鋼管導流運行

鋼管導流排水運行歷經一個冬季和二次洪水。冬天停工期間需要有專人負責每天檢查，發現問題能及時解決，如在天氣最冷月零下20～300℃時，水流小進水口處易結冰時，安排人員將鋼管進水口處的結冰砸開清理，防止結冰加厚堵塞洞口水位上漲；除極端天氣的時間段外運行正常。汛期前停止壩體填筑，將度汛水位以下部位壩坡面進行修坡碾壓和施工固坡砂漿，滿足度汛要求。第一次洪水通過，因壩面修坡所產生的多余墊層料堆積在趾板上，被水流帶入積水基坑內堵塞致使洪水蓄積；水流將小于柵欄間隙的細顆粒從鋼管內帶走，留下粗粒徑礫石及施工垃圾被柵欄阻隔封堵，抽排水清開后能正常運行。第二次洪水通過，蓄積在基坑中的部分洪水經2天的帶壓下泄，恢復到導流鋼管正常導排水的狀態，直至隧洞導流。

7 鋼管封堵

河水改由隧洞導流，拆除喇叭口段上部的漿砌石，露出原留設的泵管及通氣管。將DN800鋼管首部內3 m段可見沉積淤泥清掃干凈。在距DN800鋼管端部50 mm處用10 mm厚鋼板焊接盲板，盲板與鋼管內壁接觸處滿焊。在趾板尺寸下游面支設模板，用混凝土澆筑鋼管前端與趾板下游1.5m預留的喇叭洞口段及趾板建基面高程以下混凝土。通過先前留設的泵送管口用混凝土泵輸送高流態C30F300W10一級配混凝土進行堵塞，輸送混凝土約50 m3左右。將泵管及通氣管在防滲板上割除，用C30混凝土在其上澆筑200 mm厚進行封口。鋼管填滿混凝土約84 m3左右，為此在鋼管尾部按上游封堵方法，通過混凝土泵向下游鋼管內泵入混凝土約30 m3，封堵后回填壩殼料。壩體內埋設的鋼管用混凝土通過上下游分兩次澆筑堵塞完成，滿足管身段封堵的要求。

8 工程進展

在底孔鋼管導流運行下，趾板澆筑、壩體填筑與導流沖砂隧洞同時進行施工，最大限度合理調配各種資源，有利工序銜接和平行作業。在洪水期前導流隧洞石方開挖全線貫通，但混凝土襯砌、灌漿、閘門及引水鋼管均沒有完成的情況下，保證了主壩趾板(埋設鋼管段除外)全部澆筑完成，壩體填筑提前到達高程1482 m，滿足度汛要求的擋水高程1478 m。可確保洪水在鋼管不能全部下泄時，能通過已開挖通的導流隧洞泄洪，而在洪水過后無需通過人工抽水來解決基坑積水。為充分利用鋼管導流節省抽排水費用，隧洞具備通水條件下仍用鋼管導流，在主壩趾板灌漿、面板澆筑完成只余埋設鋼管段時改由隧洞導流。

混凝土面板砂礫石壩體內埋設鋼管導流，解決隧洞工程占用工期而影響壩體施工的問題，解決冬季停工期抽排導流帶來的管理難題,省去長達15個月施工期的抽排水，按期完成下閘蓄水。且水庫蓄水運行三年多，情況良好。

9 結語

鋼管導流在小型水庫施工中前期的應用，取得了良好的效果，改變施工順序，讓關鍵線路上的依次施工調整為平行施工，加快施工進度，縮短工期。特別是在冬季停工期間又沒有完成永久導流工程時，無需安排設備及專人抽排水，節約費用并避免產生不必要的安全問題。適用于河道流量較小的情況下使用。