施工導流圍堰技術在水利水電施工中的應用

周 濤，胡 玉

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000；2.金安橋水電站有限公司，云南 麗江 6741000)

社會經濟發展離不開國家水電建設，通過這些水利水電設施，實現了集中發電、水源調配，保證城市平穩發展。由于項目臨近水域，當梅雨季節來臨，或產生大量降水時，對于水利水電施工的排水狀況要求極為嚴格。傳統的技術應用方法雖然可以有效排水泄洪，但當降水量極大時，施工場地透水率偏高。針對這一問題，著重分析影響參數的分布特征，研究新的技術應用方法[1]。

1 施工導流及圍堰技術應用

了解所建區域的基本資料是水利水電站施工的前提。基本資料包括：流域概況、水電站基本概況。以某一流域為例，如圖1所示[2]。

圖1 流域實況降水量

此流域橫跨西南、華中、華東三大區域，途經多個省市，橫穿三級階梯。該流域支流數量多、橫跨地形多樣，每一階段的降水量各不相同，圖1是某一天該流域的實況降水量。該流域的水電站多，其中大型電站有7個。水利水電施工，需要考慮上述自然要素以及人為影響因素，了解當地的水文狀況，保證施工順利展開[3]。

1.1 定量分析洪水規律

氣候是影響水文的主要因素，多雨水的氣候會加大流域的洪水量，因此以上一年的流域氣候為依據，預測當年的洪水量。見表1。

表1 氣象要素表 單位：℃

表1中的數據，為施工前一年的區域氣溫。根據月均降水量，統計該區域此年度月均徑流量，分析洪水的基本規律[4]。假設洪峰期間用表示，則有

(1)

式中，T(t)1—第t次與第t+1次，洪水峰現時間之差；t1—洪水峰現時間；t2—第t+1次的洪水峰現時間[5]。T(t)0—是第t次洪水結束時間，與t+1次洪水起漲時間之差；t3—洪水漲水時間；t4—洪水退水時間[6]。

量級劃分洪水各特征指標值，根據影響因素，預測施工當年的洪水規律：

(2)

式中，p—洪水徑流量；f(p)—洪水徑流量的漸進行為函數；c—該區域的月平均溫度；wi—在i區域的月平均河流徑流量；vi—在i區域的月平均降水量；由此得出洪水變化規律[7]。

1.2 施工導流控制泄水量

將分析出的洪水規律作為依據，通過施工導流技術設計引水渠，控制水利水電施工現場的場地水流量。針對直線運動的洪流，設立明渠和管道渠導流洪水[8]。計算明渠的最大深度為：

(3)

式中，p—明渠內的水流均流量；m—土質的糙率；x—凍土深度；u表示濕周；j—施工現場土層的底坡坡度；s—渠道過水面積。

求解上述計算公式，根據二分法得出明渠設計高度[9]。水流受地形影響，其流淌方向會發生漸變，此時就需要利用管道渠泄洪，基本計算公式為：

(4)

式中，d—為管道渠斷面比能；h2—為地形基本高度；θ—地形走勢角度；k—管道橫截面積；a—地形的最小接觸面積[10]。

根據比能計算管道水利坡度：

(5)

式中，i—上游區域；j—下游區域；qi—上游管道的安放角度；qj—下游管道的安放角度；vi、—vj分別表示上、下游斷面所對應的洪水流速；Ci、Cj—表示兩個區域的謝才系數；ri、rj—表示上下游區域的水利半徑[11]- [14]。

綜合上述公式(3)-(5)，得出非均勻漸變渠的計算公式：

(6)

根據此結果建立泄洪渠，實現對水量的導流控制。

1.3 圍堰技術安全施工區域

根據設計的施工導流渠建立圍堰，保證水利施工在穩定的環境下作業。繪制二維圍堰平面草圖，如圖2所示。

圖2 圍堰平面圖

此平面圖中的圍堰大小，是根據施工導流控制的泄水量結果得出的。根據水渠深度及寬度，利用分析模型求出圍堰的軸線長度：

l(x,y)=exp{-[(-lnx)α+(-lny)α]ε}

(7)

式中，x—軸線的橫坐標向量；y—圍堰軸線的縱坐標向量；α—分析模型的定量參數；ε—描述隨機變量的相關系數[17]。

結合定義域的隨機聯合函數，及公式(6)～(7)，連接水域中多個隨機變量的邊緣分布，描述這些數據之間的聯合分布狀態：

(8)

式中，u1,u2,…,un—水流各項隨機變量的數值；U1,U2,…,Un—隨機變量；n—合計的參數總數量；f1,f2,…,fn—變量值u1,u2,…,un的聯合分布函數；Us—邊緣隨機變量；us—邊緣隨機變量數值；fs—隨機變量us的邊緣分布函數；φ—隨機聯合函數的固定參數；G—平穩期水流強度[18- 19]。

上述結果得出洪水的兩個沖擊階段，以此設計圍堰的總體大小，并根據不同的水流流動位置，設置抗沖擊力不同的圍堰，形成一個抵抗洪水沖擊的封閉式結構，實現施工導流和圍堰技術在水利水電施工中的應用[20]。

2 仿真實驗

搭建仿真實驗平臺，利用MATLAB軟件模擬水利水電施工環境，下載Dev Test工具記錄實驗數據，驗證所提出技術的應用效果。同時將傳統的施工導流圍堰技術應用到該實驗環境中，分析兩種應用方式下施工場地的透水率。

2.1 實驗準備

隨機選取一片水域，模擬水利水電工程施工，設置施工導流與圍堰特征數據，見表2。

表2 施工參數特性表

依照表2中的數據，預先模擬圍堰框架。仿真圍堰的填筑過程，分為一期土石圍堰、二期土石圍堰模擬。將兩個間期的土石圍堰分為上、下游2段，上游段填筑共劃分成I、II、III三個區間；下游段分為I、II、III、IV、V共5個區間。按照材料裝車-材料運輸-材料填鋪-材料壓實的程序，分別采用兩種技術，執行施工導流和圍堰技術處理。需要被模擬的施工地區區域概況，見表3。

根據表2、表3中的基本數據，開始實驗。打開仿真軟件，將系統模擬調試20min，試運行一組數據，測試結果無誤后實驗正式開始。

2.2 結果分析

將所提出的技術應用實驗結果，作為實驗組A；將傳統技術應用方法下的實驗結果，作為參照組B。為保證實驗的真實性，隨機抽取5個月份模擬實驗，如圖3—4所示為隨機抽取的實驗結果。

從實驗測試結果圖3中可以看到，所研究的施工導流圍堰技術應用下，水利水電施工項目的場地透水率，大多數在安全標準范圍曲線之下，只有兩個日期的透水率貼近安全標準值，其平均透水率為

表3 施工區域概況

圖3 7月份測試結果

圖4 8月份測試結果

0.21；而傳統的技術應用下，雖然有些日期的透水率在標準范圍內，但大多數透水率遠高于安全標準值，平均結果為0.68。圖4中的實驗組測試結果，透水率同樣貼近標準值，但其平均值為0.27，低于0.5的標準值；對照組的透水率平均值為0.63，超出標準值0.14。兩種技術應用的對比下，所研究的技術應用，月均透水率為0.24，傳統技術應用下的月均透水率為0.67。

3 結語

施工導流和圍堰技術，是水利水電工程建設中的重要組成部分，對施工項目建設具有重要意義。此次提出的技術應用，著重分析了傳統應用方法中透水率過高的問題。利用關聯函數等數學理論，結合分析模型，量級劃分洪水各特征指標值，細致化研究影響水流的因素，制定合理的圍堰結構框架，實現明渠和管道渠的雙向泄洪。此次研究，解決了傳統技術應用中，圍堰結構的穩定狀況，提升了與土地接觸端面的契合完整度。但此次研究是在二維模式下展開的，在調整導流渠寬度、深度，調整圍堰結構方面，可能會產生重復操作，今后要向三維虛擬模式下改進。