立堵截流計算原理、程序編制及工程應用

張 進

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 概述

截流是水利水電工程的一項關鍵項目，也是影響工程進度的控制項目。如果截流不能按時完成或失敗，將制約圍堰施工，失去枯水期施工的黃金季節，直接影響永久建筑物的施工工期。

截流水力學計算應確定截流過程中落差、流速、單寬能量等水力學參數及期變化規律，確定截流拋投材料的尺寸和重量，為截流實施提供指導。

截流方式一般分為立堵、平堵2種，而最常見的就是單戧立堵截流方式。本文以立堵截流水力學計算原理為依據，編制相應的電算程序，并結合工程實例，檢驗其實用性。

2 立堵截流龍口水力學計算原理及改進

2.1 龍口泄流量

常用的龍口泄流量公式：

(1)

式中B為龍口過水寬度;Ho為龍口上游水頭;m為流量系數。

偏簡單對不同龍口寬度的水流流態把握不準，計算結果稍差。本文所依據的龍口水力學計算原理源自《施工截流與基坑排水》[1]，其論述的龍口水流流態劃分、水力學計算原理清晰，為截流水力學的精確計算提供了依據。

立堵截流過程中，龍口水流呈堰流形式，通常由淹沒流過渡到非淹沒流直至合龍。龍口進占中，可能出現的流態情況又可詳列以下4種：① 第1階段之1—1，梯形龍口淹沒流；② 第1階段之1—2，梯形龍口非淹沒流；③ 第2階段之2—1，三角形龍口淹沒流；④ 第2階段之2—2，三角形龍口非淹沒流。

上述4階段的龍口泄流量公式分別對應式(2)～(5)。

(2)

(3)

Q=[1-(Z/Zmax)n]Q0

(4)

(5)

2.2 分流建筑物的分流能力

公式如下：

Qf=(Z/Zmax)nQ0

(6)

2.3 截流設計流量

公式如下：

Q0=Q+Qf

(7)

即龍口流量等于截流計算流量減去分流量：

Q=Q0-Qf=[1-(Z/Zmax)n]Q0

(8)

上述式中符號意義見表1。

表1 截流水力學計算程序參數

2.4 完善落差比Z/Zmax參數

圖1 龍口水流示意

圖2 截流初始分流建筑物進口的水深Hc示意

3 立堵截流龍口水力學電算程序編制及算例

3.1 電算程序編制

電算程序流程見圖3所示，參數含義見表1。

圖3 電算程序流程示意

3.2 東江水利樞紐工程左河汊截流

3.2.1工程概況[2]

惠州東江水利樞紐位于廣東省惠州市境內的東江干流上，距惠州市城區約10 km，距廣州市132 km。工程所在的河段有一江中島——泗湄洲，其左側水道稱左河汊、右側水道稱右河汊。右河汊為主河道。工程為低水頭的閘壩樞紐。樞紐主要由電站廠房、閘壩段、船閘、兩岸連接段及庫區兩岸防護工程等組成。電站裝機容量為4.6萬kW(4×1.15萬kW)，廠房位于右河汊左側、泗湄洲右側。船閘位于右河汊右側，按Ⅳ級航道標準設計，為單線單級船閘，最大通航船舶噸位為500 t，閘室尺寸為130 m×16 m×3.0 m(長×寬×檻上最小水深)，上、下游引航道底寬38 m，總長為355 m。攔河水閘為閘門控制的平底開敞式水閘，左河汊布置10孔，右河汊布置12孔，共22孔泄洪閘，每閘孔凈寬14 m。閘頂高程為17.3 m，水閘堰頂高程為3.4 m，與河床基本齊平。泄流前緣總寬度為393.4 m(其中左河汊為164 m，右河汊為229.4 m)。

3.2.2施工導流方式

1)施工導流特點

① 壩址處河道為左、右兩河汊，河床總寬約700 m，采用分河汊分期導流方式較為經濟合理；

② 廠房、船閘兩個主要水工建筑物均布置于右河汊，左河汊僅布置有10孔泄洪閘。應優先考慮施工右河汊工程項目，力爭在二期左河汊基坑施工時，利用二期圍堰擋水，盡早發電。

2)施工導流方式

壩址處有一個天然的泗湄洲島，將東江分為左右兩個河汊，其中右河汊為主河道。泗湄洲地面平均高程約為11.0 m，長約1 500 m，是施工導流方案必然要充分考慮的有利條件。根據工程建筑物分左、右兩河汊布置的特點，選定為分期導流方式。

先圍右岸(右岸船閘、廠房、右岸12孔泄洪閘及右岸連接壩段)、后圍左岸河床(10孔泄洪閘及相鄰連接壩段)的二期二段分期導流方案，其分期程序為：

左河汊疏浚、護砌工作于第1年10月中旬—第2年3月完成。左河汊經疏浚后成為一期導流明渠。

一期截流前，還需完成泗湄洲頭部14.53 m高程以下的部分永久工程項目，包括沉井、鉆孔灌注樁、擋土墻、拋石護岸等。

一期導流(第2年1月—第3年1月)：第2年1月右河汊截流，利用枯水時段中后期修筑右河汊施工圍堰，形成右岸基坑，進行船閘、廠房、12孔泄洪閘及右岸的連接壩段施工，洪水由疏浚后的左河汊泄流，并利用左河漢解決一期施工期間的通航問題。第3年1月前拆除右岸圍堰。

二期導流(第3年2月—第4年3月)：第3年2月左河汊河道截流，形成二期基坑，進行左岸10孔泄洪閘和相鄰連接壩段的施工，洪水則由右岸已建成的12孔泄洪閘渲泄，船只由已建成的右岸船閘通航。

第4年4月拆除二期圍堰，洪水由22孔泄洪閘導流。

3.2.3左河汊(二期)截流設計

本工程的左河汊截流難度相對較大，截流設計敘述如下。

1)截流設計標準

根據《水利水電工程施工組織設計規范》(SL 303—2017)[3]的規定：“截流標準可采用截流時段重現期5～10 a的月或旬平均流量”，據此，本工程采用5年一遇的旬平均流量作為截流設計流量。

根據現場工程進度安排，左河汊截流安排在2006年9月中旬進行，相應5年一遇平均流量Q=1 041 m3/s，河道下游水位為2.70 m，截流合攏后上游水位為5.60 m，截流最大落差Zmax=5.60-2.70=2.90 m。

2)截流方式的選擇

左河汊實施截流時，洪水由右河汊12孔泄洪閘泄流。根據一期施工導流形成的場地布置和施工道路條件，截流施工采用自右岸向左岸單戧立堵進占的截流方案。左河汊截流之初，需對左河汊左側邊坡與二期上游橫向圍堰相接處位置進行裹頭妥善保護。

本工程的截流方式選定為“平拋護底、單戧立堵”。

3)截流水力計算

左河汊截流邊界條件、電算主要成果見表2，龍口水力特性曲線見圖4，戧堤進占分區見圖5，戧堤橫剖面見圖6。

圖5 戧堤進占分區示意(單位：高程m，尺寸mm)

圖6 戧堤橫剖面示意(單位：高程m，尺寸mm)

表2 左河汊截流特性

圖4 龍口水力特性曲線示意

3.2.4現場實踐

現場截流施工布署以設計圖為依據，截流于2006年9月7日順利實施。

戧堤拋投采用28～35 t重型自卸汽車運輸，現場拋投，戧堤前沿選用239 kW重型推土機推料。現場截流施工還使用了砼預制塊五面體，砼塊單體重量約8.0 t，采用4 m3單斗挖掘機吊放就位。

4 結語

1)筆者將《施工截流與基坑排水》[1]中的落差比Z/Zmax修正為(Z+Hc)/(Zmax+Hc)、原分流公式Qf=(Z/Zmax)nQ0修正為Qf=[(Z+Hc)/(Zmax+Hc)]nQ0，擴大了截流水力學計算的應用范圍。

2)關于泄流指數n的取值，經多宗工程的截流設計實踐認為：不能簡單地認為隧洞、涵洞分流時n=0.5，明渠分流時n=1.5，而應根據分流建筑物的泄流流量Qf、上游水位H的關系，推導出Qf～(Z+Hc)/(Zmax+Hc)的函數關系，得出泄流指數n。

3)所編制的單戧立堵截流的電算程序，計算結果合理可靠。但程序未考慮戧堤滲漏及上游河道的調蓄作用，計算結果偏于安全，可作為截流設計的安全裕度。

4)電算程序經廣東省的東江水利樞紐、西枝江惠東水利樞紐、潮州供水樞紐等多宗水利工程的截流實踐，設計成果與現場施工情況吻合較好，取得了滿意的效果。