斗門水庫工程導(dǎo)截流控制關(guān)鍵技術(shù)研究

王清峰，靳 恒，鄭敏哲，張恒強(qiáng)，楊 帆

（中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

斗門水庫工程為Ⅲ等中型平原水庫工程,水庫總庫容5052 萬m3,庫區(qū)總面積10.4 km2,庫周總長14.9 km,樞紐工程大壩為攔河氣盾壩,為3 級建筑物設(shè)計(jì)等級。氣盾壩底板設(shè)計(jì)高程為397.50 m,壩頂設(shè)計(jì)高程401.30 m,壩高3.8 m。

2 水文地質(zhì)

（1）徑流與洪水

由《西安市實(shí)用水文手冊》“西安市多年平均年徑流深等值線圖”查得區(qū)間徑流深為50 mm,計(jì)算得到區(qū)間多年平均年徑流量為0.0275 億m3。將與該水庫相鄰的兩個(gè)水文站之間的年徑流加區(qū)間徑流,計(jì)算得到工程斷面多年平均徑流量為4.122 億m3。

此外,這兩個(gè)水文站實(shí)測洪水過程采用合成流量法、再另外選取相鄰的兩個(gè)水文站為參證站采用水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,綜合分析,確定計(jì)算斷面的洪水成果采用合成流量法計(jì)算成果,見表1。（2）地質(zhì)條件

表1 工程斷面洪水計(jì)算成果表

工程區(qū)所處地貌單元為秦嶺北麓近山前沖積平原。工程區(qū)出露地層巖性主要為第四系（Q）上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土及第四系全新統(tǒng)沖洪積、沖積堆積的松散堆積物,其中渭河二級階地上部為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土構(gòu)成,全新統(tǒng)沖洪積、沖積堆積主要分布于河流階地及河漫灘。據(jù)勘探揭露,庫壩區(qū)地層自上而下分別見圖1。

圖1 地質(zhì)斷面圖

3 施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)總體思路

根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃總體目標(biāo),灃河攔河樞紐工程需在導(dǎo)流前完成的施工流程為：①修建灃河分洪閘,使其具備過流條件；②修建導(dǎo)流明渠,使其具備過流條件；③導(dǎo)流為在12 月中旬枯水期由上游戧堤擋水,使灃河上游水流通過分洪閘進(jìn)入導(dǎo)流渠排入灃河下游；④修建灃河上游圍堰；⑤修建灃河下游圍堰,最終完成圍堰填筑施工,圍堰具備攔擋5 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)；⑥截?cái)酁柡雍?右岸利用分洪閘交通橋連接施工道路進(jìn)行右岸施工,左岸利用鄉(xiāng)道連接左岸河堤段施工道路進(jìn)行施工。施工導(dǎo)流平面布置圖見圖2,施工導(dǎo)流平面效果圖見圖3。

圖2 施工導(dǎo)流平面布置圖

圖3 施工導(dǎo)流平面示意圖

4 截流設(shè)計(jì)

4.1 截流方式

選用單戧單向立堵的截流方案,即上游戧堤由右岸向左岸預(yù)進(jìn)占至河道左岸束窄原河床,預(yù)留15 m 作為龍口停止進(jìn)占,截流合龍時(shí)采用單戧堤單向從右至左岸截流合攏。

4.2 截流水力計(jì)算

4.2.1計(jì)算條件

斗門水庫截流水力計(jì)算條件見表2。

表2 截流水力計(jì)算條件

分洪閘的水位及流量的關(guān)系見表3。

表3 分洪閘流量與水位關(guān)系高程表

4.2.2流態(tài)的判定方法

寬頂堰自由出流與淹沒出流的判定方法見表4。

表4 龍口流態(tài)判定表

4.2.3龍口的水力計(jì)算

（1）三角堰流龍口寬度的判定

當(dāng)戧堤截流進(jìn)占到一定距離2L時(shí),中間龍口成為三角形,形成三角堰。

式中：H為戧堤高度,m；I為為龍口軸線處兩側(cè)坡比,1.5；L為形成三角堰的龍口寬度的一半,m。

經(jīng)計(jì)算龍口寬度2L=2×7.0×1.5=21 m,在21 m 時(shí),龍口呈三角形,大于21 m 時(shí),龍口呈梯形。

（2）龍口為梯形斷面時(shí)流態(tài)判定計(jì)算

在龍口為梯形斷面hs=0.8H0時(shí),即H0=hk=1.8 m 時(shí)為淹沒流與非淹沒（自由流）流的分界,根據(jù)堰流流量公式計(jì)算龍口平均水面寬度：

式中：Q為龍口過流流量,38.5m3/s； 為淹沒系數(shù),取1.0；m為考慮側(cè)收縮的流量系數(shù),取0.32；b為龍口水面平均寬度,m；H0為包含行進(jìn)流速的上游水深,取1.8 m。

經(jīng)計(jì)算b=11.15 m,按照龍口平均水面寬度b=11.15 m 計(jì)算出龍口寬度為20.35 m,說明當(dāng)龍口寬度不小于20.35 m 時(shí)hs≥0.8H0為淹沒流,當(dāng)龍口寬度小于20.35 m 時(shí)為自由流。

（3）龍口為三角形斷面時(shí)流態(tài)判定計(jì)算

根據(jù)上面對三角堰龍口寬度的計(jì)算,龍口形成三角堰時(shí)為自由流流態(tài)。

（4）龍口流速計(jì)算

龍口平均流速按照下式試算：

式中：H0為龍口上游行進(jìn)水頭,m；hc為龍口收縮斷面水深,m；a為取1.1；v 為龍口平均流速,m/s；Q為龍口流量,m3/s；b為龍口水流平均寬度,m。

最終水力計(jì)算成果見表5。

表5 龍口水力計(jì)算結(jié)果

4.2.4截流拋投料粒徑選擇計(jì)算

根據(jù)單戧立堵截流的特點(diǎn)及截流龍口水力計(jì)算結(jié)果,將截流分為預(yù)進(jìn)占時(shí)段、龍口形成三角堰前時(shí)段及龍口形成三角堰后直至全部合龍三個(gè)時(shí)段,其龍口進(jìn)占至三角堰后龍口流速最大,是截流最困難時(shí)段。

拋投料粒徑大小根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：V為流速；k為穩(wěn)定系數(shù),立堵截流塊石取0.9；r1為塊石容重,取2.60 t/m3；r為水容重,取1 t/m3；d為塊石化引直徑,m。

將截流各時(shí)段最大流速代入上式計(jì)算出截流合龍形成三角堰前和形成三角堰后兩個(gè)時(shí)段拋投塊石最大粒徑分別為0.49 m 和0.57 m。

4.2.5圍堰設(shè)計(jì)

明槽梯形斷面水力要素的計(jì)算公式如下：

式中：b為梯形斷面底寬（本次計(jì)算取分洪閘過水寬度15m）；m為梯形斷面邊坡系數(shù)（分洪閘邊坡系數(shù)為0）；h為過閘水深。

工程斷面附近無水位流量觀測資料,本次分洪閘過流水位采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算。式中：Q為流量,m3/s；n為河道糙率（人工渠道糙率0.014）；R為水力半徑,m；i為水力坡降（0.25‰）；A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2。

安全超高取1.7 m,波浪爬高不考慮。

由以上參數(shù)代入曼寧公式,采用試算法可對圍堰參數(shù)進(jìn)行堰頂高程計(jì)算。

最終計(jì)算分洪閘過流水深為3.32 m,分洪閘底板高程398.00 m,故堰頂高程為402.76 m。

4.3 關(guān)鍵施工工藝

4.3.1導(dǎo)流明渠施工

導(dǎo)流渠全長160 m,過流斷面面積為：114 m2,左右岸邊坡坡比1∶1.5,坡面及底板采用0.2 m 厚C20 素混凝土防護(hù),斜坡面與底板交叉坡腳設(shè)0.4 m×0.5 m 混凝土擋墻,穩(wěn)固坡面混凝土,渠道坡降3‰,渠頂左右岸設(shè)6 m 寬0.5 m 厚泥結(jié)碎石防汛路,導(dǎo)流明渠橫剖面圖見圖4。

圖4 導(dǎo)流明渠橫剖面

（1）導(dǎo)流明渠開挖

分洪工程導(dǎo)流明渠底寬10 m,坡比1∶1.5,明渠施工與分洪閘施工同步進(jìn)行,采用1.6 m3液壓挖掘挖、裝,20 t 自卸汽車運(yùn)輸,就近臨時(shí)堆存。

（2）渠底及邊坡防護(hù)

導(dǎo)流明渠渠底及坡面采用0.2 m 厚C20 素混凝土防護(hù),8 m3混凝土罐車運(yùn)輸商品混凝土至施工現(xiàn)場,人工配合混凝土汽車泵進(jìn)行分倉、錯(cuò)縫澆筑施工,縫內(nèi)填充2 cm 厚閉孔泡沫板,板頂灌注3 cm 厚乳化瀝青灌封防滲處理。

（3）渠道填筑

氣盾壩施工完成,依次拆除上下游圍堰,拆除導(dǎo)流明渠襯砌混凝土,拆除渣土、混凝土等建筑垃圾清運(yùn)至下游渣場,然后采用土質(zhì)較好土料分層回填導(dǎo)流明渠至原設(shè)計(jì)高程,導(dǎo)流明渠回填壓實(shí)度按照設(shè)計(jì)圖紙要求執(zhí)行。

4.3.2圍堰施工

（1）戧堤進(jìn)占施工

戧堤原河床預(yù)進(jìn)占先回填粘土斜墻下游回填料,再依次回填粘土斜墻及上游護(hù)坡石施工,每層回填厚度不超過50 cm,采用20 t 自行式振動碾碾壓6～8 遍。采用此方法回填直到堤頂400.4 m 高程。回填上游坡比1∶2,下游坡比1∶1.5。之后利用戧堤形成的工作面向堰體迎水面傾倒粘土,粘土選擇料場上較好的黃土。粘土傾倒完成后,挖掘機(jī)在圍堰迎水面對粘土斜坡面進(jìn)行壓實(shí)作業(yè),并隨后挖裝塊石向迎水面鋪設(shè)1 m厚塊石進(jìn)行護(hù)腳和護(hù)坡的施工。

（2）截流施工

截流施工時(shí)直接由自卸汽車運(yùn)輸至工作面向水下端拋,卸料后用裝載機(jī)配合向水中推料,同時(shí)平整施工工作面,利用振動碾進(jìn)行壓實(shí),以便于設(shè)備運(yùn)行,靠近岸坡部位均以較細(xì)的石碴料鋪筑,邊坡坡比采用1.2 m3液壓挖機(jī)修整至設(shè)計(jì)邊坡。

（3）圍堰填筑施工

堰體填筑采用進(jìn)占法施工,遵循先粗后細(xì)、全斷面均衡上升的原則。堰體填筑過程中,各道工序攤鋪、碾壓、檢驗(yàn)等工藝及標(biāo)準(zhǔn)均按土石壩的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)施,確保圍堰填筑質(zhì)量與安全度汛。

5 結(jié)語

作為重要的水利工程,分洪樞紐工程在國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)安全中有舉足輕重的地方。斗門水庫工程為引漢濟(jì)渭輸配水工程的調(diào)蓄水庫,是以城市供水、改善生態(tài)環(huán)境為主,兼顧防洪等綜合利用的平原水庫。通過現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析以及現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段結(jié)合,制定切實(shí)可行的工程導(dǎo)截流施工方案,總結(jié)導(dǎo)截流關(guān)鍵施工技術(shù),該技術(shù)可應(yīng)用至類似項(xiàng)目工程中,可以節(jié)約資金,具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和社會效益。