慶陽蓮花寺水庫導截流設計及施工

劉建超

（中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 咸陽 712042）

1 概述

1.1 工程概況

甘肅省慶陽市蓮花寺水庫建設主要以解決合水工業集中區、合水西煤田、合水縣城和驛馬工業園區用水需求。水庫設計總庫容為698 萬m3,調節庫容350 萬m3,最大壩高25.5 m,死水位1140 m,正常蓄水位1147 m,水庫回水7.05 km,保證率96%時年供水量848 萬m3。

蓮花寺水庫樞紐建筑物從河床右側到左側依次為均質土壩、表孔泄洪閘、底孔泄洪排沙閘、混凝土重力式擋水壩段等建筑物組成。

根據主體工程所處地形條件及永久建筑物布置特點,本項目采用分期圍堰結合導流明渠導流的方式。一期導流主要為上游圍堰結合右壩肩縱向圍堰,從右壩肩導流明渠導流,為混凝土結構的施工創造條件；二期導流在左側混凝土壩段、泄洪表孔建筑物及泄洪排沙底孔建筑物施工到一定高程且泄洪排沙底孔具備過流條件時,通過1 孔泄洪排沙底孔泄洪閘過流,滿足導流要求。

1.2 水文條件

葫蘆河的徑流主要由降雨形成,水情隨降水的變化而變化。本流域內暴雨最早發生在4 月,最遲出現在10 月。根據葫蘆河洪水特性及施工組織設計要求,非汛期施工期為10 月至次年4 月,由于施工洪水為汛期施工洪水控制,非汛期施工洪水不起控制作用,因此,在非汛期內不再進行分期。

表1 葫蘆河蓮花寺水庫施工洪水成果表

2 導流設計

2.1 導流設計標準

本工程等別為Ⅳ等,規模為小（1）型,其主要建筑物擋水大壩、泄洪建筑物、取水建筑物等,級別為4 級,次要建筑物級別均為5 級。根據工程特性和《水利水電工程施工組織設計規范》（SL 303-2004）規定,相應的導流建筑物級別為5 級,選擇導流標準為5 年一遇洪水重現期。

按照本項目施工進度安排,一期主體工程計劃在一個汛期內完成。結合本區域內水文資料,在滿足進度需要及截流難度不大的情況下,計劃在2016 年4 月底進行一期截流。截流設計標準采用截流時段5 年一遇非汛期洪峰流量,截流流量以該時段實測流量為準。導流時段為2016 年5 月～2016 年11 月,相應的汛期導流設計流量為72 m3/s。

二期主體工程在一個枯水期及一個汛期內完成,導流時段為2016 年11 月～2017 年11 月,相應的導流設計流量為72 m3/s。由于二期導流經原河床通過泄洪底孔進行導流,故二期截流不再考慮。具體各階段導流標準及程序見表2。

表2 各階段導流標準及程序表

2.2 導流明渠的設計與計算

導流明渠設計全長490.25 m,分為進口段、縱坡漸變段、出口段三部分。進口段0+000～0+008為開敞式,渠底高程為順水流方向1132.8 m～1133.3 m漸變。縱坡漸變段為0+008～0+414.15,沿明渠軸線縱向坡比i=1‰,坡降0.41 m。明渠開挖設計斷面底寬6 m,兩側坡比為1∶2,渠深3.3 m。

2.2.1 渠道過流計算

渠道全段設計為梯形斷面,進口段0+000～0+008（沿明渠軸線8 m）為開敞式并與原有河道順接。渠身段0+008～0+414.15段 底 寬B=6.0 m、邊 坡 系 數m=2、設計縱坡i=1‰,渠道襯砌50 mm厚混凝土。出口段0+414.15～0+490.25段（76.10 m）為 兩 側 渠 堤 填 筑 段,底寬16.5 m,兩側渠坡填筑坡比1∶2。上游原有河道底高程1132.8 m,渠道底高程1133.3 m、現有壩區地面高程1136.6 m,渠道深度3.3 m。

（1）進口段渠道過流驗算

本段（0+000～0+008）段過流形式為進口斜坡式寬頂堰過流。進口段示意見圖1。取堰上全水頭為2.55 m時渠道過流進行驗算：

圖1 進口段示意圖

寬頂堰水力計算公式：

a）流量系數

本項目為有0.5 m高底坎的斜坡式進口寬頂堰P=0.5,Cotθ=8 m/0.5 m=16＞2.5,P/H=0.5/2.55=0.196。查詢水利計算手冊表（2006 第二版、下同）3.2.1 流量系數為0.382。

b）側向收縮系數

計算公式為：

取閘墩邊墩形狀系數為直角形εo=1.0,H0為堰上全水頭2.55 m,下游水位為2.48 時,梯形斷面取一半水深處的渠道寬度10.96 m。

c）淹沒系數

淹沒系數σs出水面高于下游水位,為自由出流,因此淹沒系數σs=1。

即上游河道水深2.55 m時,渠道內過流72.65 m3,渠道水深2.48 m。

綜上所述：渠道深度h=2.48+0.82=3.3 m（渠底1133.3 m～渠頂1136.6 m）,滿足過流需要。

（2）縱坡漸變段0+008～0+414.15

縱坡漸變段斷面見圖2。

圖2 縱坡漸變段斷面圖

本段采用明渠均勻流進行驗算：

渠道襯砌50 mm厚混凝土,查詢水力計算手冊,不抹光的水泥抹面糙率為0.014,以過流水深2.3 m計算：

安全超高h=1/4×h0+0.2=0.78 m

渠深2.3 m+0.78 m=3.08 m＜3.3 m滿足過流需要

渠道左側設有縱向圍堰（圍堰高度2.6 m、頂高程1139.2 m）、右側填有安全防護堤。因此渠道滿足汛期最大流量過流條件。

（3）出口段0+414.15～0+490.25

出口段斷面見圖3。

圖3 出口段斷面圖

按照現場實際地形,本段高程低于上游原地形約1.5 m,因此在此設置跌水一處。為保證不影響跌水以前渠段水流流態（自由出流）,該段擬定水深1.4 m＜1.5 m（跌水處渠底高差）。

0+414.15～0+490.25段渠道設計,水深1.4 m（保證低水位、低流速,擴大渠道尺寸）。

采用明渠均勻流計算：

底寬為16.5m；m=2；i=5‰；渠道襯砌全斷面干砌石作為防沖設計,查詢干砌石護坡糙率n=0.029（參照干砌石0.025～0.033取0.029）。

渠道超高0.25×1.4+0.2=0.55 m；因此,渠道深為1.4+0.55=1.95 m,取2 m。

0+414.15跌水處內側設50 cm厚漿砌石,防止跌坎處水流沖刷。

明渠出水口（0+490.25）與河床連接位置,設置拋石防沖,防止水流對河道的沖刷,見圖4。

圖4 明渠出水口與河床連接段

2.2.2 導流明渠防沖設計

導流明渠全長490.25 m,分為進口段、縱坡漸變段、出口段三部分。進口段0+000～0+008為開敞式,渠底高程為順水流方向1132.8 m～1133.3 m漸變。縱坡漸變段為0+008～0+414.15,沿明渠軸線縱向坡比i=1‰,坡降0.41 m。明渠開挖設計斷面底寬6 m,兩側坡比為1∶2,渠深3.3 m。

按照施工組織總設計規劃,導流明渠的布置穿過大壩主體均質土壩段填筑區（壩上0-039～壩下0+037）,與壩軸線交點位于大壩0+161.07 處。為防止明渠滲流對大壩主體施工區域的影響及明渠水流對渠道的沖刷,對縱坡漸變段全斷面襯砌50 mm厚C15 混凝土防沖防滲。查詢水力計算手冊表2-2-15,混凝土允許不沖流速＜8 m/s,本斷渠道流速為2.956 m/s,滿足防沖標準。

按照現場實際情況,導流明渠0+414.15 處設置跌水一處,落差1.5 m。跌水出口處設500 mm厚砌石擋墻。0+414.15～0+490.25 段（76.10 m）為兩側渠堤填筑段,兩側渠堤的回填需按照均質土壩填筑標準進行控制,渠道襯砌采用600 mm厚干砌石全斷面防護。渠道最大洪峰流量流速2.73 m/s,查詢水力計算手冊,允許不沖流速參照干砌石2.50 m/s～4.0 m/s,滿足防沖要求。

3 一期上游圍堰

一期上游圍堰布置在大壩上游,垂直河道。上游河道水深2.55 m時,渠道水深2.48 m,渠道過流流量72.65 m3,水位1135.85 m,已滿足5 年一遇洪峰流量擋水條件。為考慮圍堰擋水存在水位壅高且圍堰外側混凝土壩段基坑施工安全,確定上游圍堰堰頂高程為1139.2 m。圍堰最大高度6.4 m,長度約110 m,堰頂寬度8 m,內外坡坡比1∶2,兼作為場內施工道路。圍堰施工前,將填筑區域內的河道淤泥清理干凈。堰體采用壤土回填,壓實度等控制指標按照設計及現場試驗進行控制。圍堰斷面詳見圖5。

圖5 一期上游圍堰斷面圖

4 一期縱向圍堰布置

一期縱向圍堰布置于導流明渠左岸,因明渠設計已滿足5 年一遇洪峰流量過水條件,縱向圍堰為非擋水圍堰,旨在考慮圍堰外側為混凝土壩段基坑施工,為增加場內施工人員安全保障且與一期上游圍堰連接兼做場內交通道路即而設置。具體斷面型式見圖6。

圖6 一期縱向圍堰斷面圖

5 導截流施工方案

5.1 導流明渠施工

5.1.1 導流明渠開挖

采用全站儀按照設計軸線測放出明渠開挖開口線,標記開挖深度,采用1 m3反鏟開挖,自明渠進口向出口開挖,一次開挖成型。在開挖明渠之前,測放縱向圍堰填筑邊線,用1 m3反鏟清基,并整平基礎面,用22 t振動碾碾壓基礎面。明渠開挖土料直接挖甩至縱向圍堰回填區內,按照碾壓試驗確定的鋪料厚度,進行攤鋪、碾壓,分層填筑。明渠開挖結束,縱向圍堰也填筑結束。

5.1.2 導流明渠襯砌

明渠開挖結束之后,人工配合反鏟整平坡面及基礎面,明渠底部采用振動碾碾壓密實,然后再進行渠底和渠坡C15 混凝土澆筑,澆筑次序為先渠底、后渠坡。混凝土采用0.35 m3拌和機現場拌制,1 t工程車運輸至工作面,渠坡采用溜槽入倉,人工攤鋪,木模拍壓密實并抹面；渠底澆筑采用1 t工程車運輸混凝土至渠頂相應位置,卸料通過渠坡鋪設的溜槽至渠底,人工攤鋪,人工木模拍壓密實并抹面。

導流明渠混凝土襯砌分縫設計為渠坡、渠底順水流方

向每隔5 m設置一道橫縫,左右坡腳各設置一道縱縫,縫寬1 cm。

5.2 截流及圍堰施工

5.2.1 截流施工

導流明渠、縱向圍堰施工結束之后開始截流,并將葫蘆河水流導入明渠后開始填筑上游圍堰。截流時根據實測河道流量、流速確定截流所需戧堤材料,截流前首先將導流明渠與原河床接頭處預留部分開挖疏通,河水進入明渠,減小截流流量,再進行戧堤截斷原河床水流,將葫蘆河水流完全導入導流明渠。

5.2.2 上游圍堰施工

戧堤截流完成后,上游圍堰填筑前,挖除上游圍堰處原河床淤泥雜物,修整岸坡結合面,清理基礎,再進行上游圍堰填筑施工。上游圍堰填筑采用進占法卸料,220 HP推土機整平,22 t振動碾碾壓,分層填筑,壓實度控制指標0.96。

5.2.3 縱向圍堰施工

縱向圍堰填筑前,首先對填筑范圍內進行清表,然后用22 t振動碾靜碾2 遍,圍堰利用明渠開挖土料填筑,ZL50 裝載機整平,22 t振動碾碾壓,按照碾壓試驗確定的遍數和鋪料厚度分層碾壓,壓實度控制指標為0.92。

5.3 圍堰拆除施工及二次導流

一期施工結束之后,二次導流即河流經原河床通過已建成的底孔泄洪閘過流,為均質土壩的填筑提供便利條件。

6 結語

蓮花寺水庫導截流工程由本項目自行設計、實施,且為總價項目。通過科學合理設計,從根本上最大限度的節約了施工成本,加快了施工進度,也為項目于汛前完成導截流目標奠定了堅實的基礎,為后期類似工程提供了借鑒經驗。