全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

梁振淼

(江西省修水縣水利電力局，江西 修水 332400)

?

全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

梁振淼

(江西省修水縣水利電力局，江西 修水 332400)

近幾年來，中小型水庫除險(xiǎn)加固和電站擴(kuò)容改造等項(xiàng)目實(shí)施過程中較多需要進(jìn)行施工導(dǎo)流。根據(jù)工程總體布置及工程實(shí)際制訂經(jīng)濟(jì)安全的施工導(dǎo)流方案，始終是水利工程施工中常見的技術(shù)難題，而全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)在水利工程施工中被廣泛應(yīng)用。文章結(jié)合水庫除險(xiǎn)加固工程案例，介紹了全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)的常用方法。

全段圍堰；導(dǎo)流技術(shù)；導(dǎo)流方式；水利工程施工；應(yīng)用

施工導(dǎo)流在水利工程施工中，從修筑圍堰直至完建，都是必須妥善解決的重要問題。它直接關(guān)系到整個(gè)工程的施工進(jìn)度及完成期限；影響施工方法的選擇、施工場地的布置和工程的造價(jià)；它與水工建筑物的型式和布置等關(guān)系也十分密切。合理的導(dǎo)流方式，可加快工程進(jìn)度，縮短建設(shè)工期、降低工程造價(jià)；考慮不周到，不僅達(dá)不到預(yù)期目的，而且可能造成很大的危害[1]。例如，選擇施工導(dǎo)流流量過小，將導(dǎo)致圍堰的失事，輕則使建筑物、基坑與施工場地遭受淹沒，影響按期完工，重則使主體建筑遭到破壞而威脅下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全；反之，如選擇的施工導(dǎo)流流量過大，則必然增加導(dǎo)流建筑物的費(fèi)用，從而提高了工程造價(jià)，造成浪費(fèi)。

1 全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)

全段圍堰法導(dǎo)流就是在河床主體工程的上、下游一定距離用圍堰一次攔斷河流，使河水經(jīng)河床以外的臨時(shí)或永久泄水道下泄，待主體工程建成或接近建成時(shí)，再將臨時(shí)泄水道封堵。

全段圍堰法導(dǎo)流，一般應(yīng)用在河床狹窄，流量較小的中、小河流上。在大流量河道上，只有在受地形、地質(zhì)條件所限，不利于分段圍堰法導(dǎo)流時(shí)，或在施工期內(nèi)停航的情況下，才彩用此法導(dǎo)流。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是工作面大，河床內(nèi)的建筑物能在一期圍堰內(nèi)建造起來。另外，如果在水利樞紐中，能利用永久泄水建筑物結(jié)合施工導(dǎo)流時(shí)，則采用此法比較經(jīng)濟(jì)。

2 全段圍堰法導(dǎo)流方式

2.1 明渠導(dǎo)流

河流攔斷后，水流由河岸上的人工渠道宣泄稱為明渠導(dǎo)流。明渠導(dǎo)流，多用在岸坡較緩，有較寬廣的灘地，或者岸坡上有溪溝可以利用的地方。當(dāng)渠道軸線上是軟土，特別是當(dāng)河流彎曲，可用渠道裁彎取直時(shí)，采用此法最為不利。它的施工順序是：在壩址岸側(cè)挖渠，然后截?cái)嗪恿?，使河水由明渠下泄，待原河床上建筑物建成或建到某預(yù)定高程后，再攔斷明渠，使河水按預(yù)定的位置下泄。

在布置導(dǎo)流明渠時(shí)，一般應(yīng)注意以下4點(diǎn)：

1)力求挖方量小，開窟容易：有條件時(shí)，應(yīng)充分利用山埡、洼地、舊河槽等地形。

2)水流通暢，泄水能力強(qiáng)：渠道進(jìn)出口水流與河道主流夾角最好<30°，渠道軸線轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)>5倍渠道水面寬度。

3)泄水應(yīng)該安全：渠道進(jìn)出口與上、下游圍堰應(yīng)有一定距離，一般上游為30～50m，下游為50～100m。明渠水邊到基坑內(nèi)水邊的最短距離，以>2.5～3倍明渠水面與基坑水面高差為宜。

4)運(yùn)用方便：最好將明渠布置在一岸，避免兩岸布置，否則將影響基坑與岸上的交通運(yùn)輸?？紤]防沖防淤要求，明渠一般布置在不受沖刷和淤積的河岸部分。

導(dǎo)流明渠，一般均采用梯形斷面，僅在巖石完整，渠道不深時(shí)才彩用矩形。渠道斷面應(yīng)滿足防沖的要求，并且應(yīng)保證通過設(shè)計(jì)施工流量Q設(shè)施(m3/s)。渠道的過水?dāng)嗝娣eW可按下式計(jì)算：

(1)

式中：[V]為渠道允許平均流速，m/s。

2.2 隧洞導(dǎo)流

在河谷狹窄，山巖堅(jiān)實(shí)，河水變幅較大的山區(qū)河流中，多采用隧洞導(dǎo)流。特別是修建高水頭的當(dāng)?shù)夭牧蠅螘r(shí)，隧洞導(dǎo)流更為普遍。由于隧洞的開挖與襯砌費(fèi)用較大，施工困難，所以應(yīng)盡可能將導(dǎo)流隧洞與永久性隧洞相結(jié)合，當(dāng)結(jié)合確有困難時(shí)，才考慮設(shè)置專用導(dǎo)流隧洞。專用的導(dǎo)流隧洞，在導(dǎo)流完畢后應(yīng)即堵塞。

1)洞線選擇：導(dǎo)流隧洞的選線，影響因素很多，其中應(yīng)著重考慮地質(zhì)條件和水力條件兩方面。由于導(dǎo)流隧洞是臨時(shí)性建筑物，運(yùn)用時(shí)間不長，設(shè)計(jì)級(jí)別較低，若地質(zhì)條件太差，需花費(fèi)昂貴的支撐和襯砌，很不經(jīng)濟(jì)，若遇塌方則危害更大。一般應(yīng)避免洞線穿過斷層、破碎帶以及較大的沖溝。無法避免時(shí)則應(yīng)使洞軸線與斷層、破碎帶的交角大一些。為使隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，洞頂巖石厚度至少應(yīng)大于洞徑的2～3倍。為使水流順暢，增大泄水能力，導(dǎo)流隧洞的軸線最好為直線，如必須彎曲，則進(jìn)出口直線段長應(yīng)>10倍洞徑或洞寬，其轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)>5倍洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角一般≤60°，隧洞進(jìn)出口軸線與河道主流的夾角最好在30。以內(nèi)。若隧洞穿過壩底、壩肩或其它建筑物時(shí)，應(yīng)使建筑物基礎(chǔ)與隧洞間留有足夠的巖石厚度，一般為3～5倍洞徑。相鄰隧洞的巖石厚度，一般應(yīng)≥2倍洞徑。同時(shí)，進(jìn)出口與上、下游圍堰之間要有適當(dāng)?shù)木嚯x，一般應(yīng)>50m，以防堰體受進(jìn)出口水流沖刷。隧洞進(jìn)出口高程，從截流要求看，越低越好，但從洞身施工的出碴、排水、土石方開挖等方面看，則以高些為好。有關(guān)這些方面的矛盾，應(yīng)按具體條件，綜合考慮，統(tǒng)一解決。

2)斷面形式選擇：導(dǎo)流隧洞斷面形式的選擇，主要取決于地質(zhì)條件、隧洞工作條件(有壓還是無壓、水頭的高低、外水壓力大小)以及是否方便施工和有利截流等因素。常見的有圓形、馬碲形及城門洞形3種。就施工方便、快速而論，城門洞型是最有利的。而且由于它底部過水面積大，和圓形比較，可在同一高程、同一洞徑的條件下，減小截流落差，有利截流施工。但在地質(zhì)條件差或地下水位高，外水壓力大的情況下，采用城門洞形會(huì)使襯砌邊墻及底板承受較大的彎矩，這時(shí)宜采用圓形或馬碲形[2]。

3)關(guān)于襯砌及糙率系數(shù)問題：導(dǎo)流隧洞是臨時(shí)建筑物，運(yùn)用時(shí)間較短，襯砌要求應(yīng)較永久性水工隧洞為低。至于要否襯砌，則取決于地質(zhì)條件及隧洞工作條件。一般在地質(zhì)條件較好、巖石堅(jiān)硬完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育、洞頂巖層有足夠厚度，以及洞身開挖過程中不需要支撐的地方，可不用襯砌。即使局部節(jié)理發(fā)育，但裂隙閉合，沒有充填物及嚴(yán)重互相切割現(xiàn)象，巖層走向和洞軸線交角較大時(shí)，也可考慮不加襯砌或僅襯砌頂拱。如果巖石較軟弱，或巖石雖堅(jiān)硬但列隙互相切割較為破碎，或地下水較發(fā)育則應(yīng)考慮全斷面襯砌。物別在隧洞進(jìn)出口處，一般跨度較大，洞頂巖層較薄，風(fēng)化影響也較嚴(yán)重，是全洞的薄弱地帶，一般都采用全斷面襯砌[3]。

減小糙率n值的措施，對(duì)于襯砌隧洞，主要是使模板不走樣，襯砌表面不出現(xiàn)蜂窩麻面、鋼筋保護(hù)層的厚度不應(yīng)太薄等；對(duì)于不襯砌的隧洞，可采用光面爆破、噴漿、或其他護(hù)面措施。

3 圍 堰

圍堰是一種臨時(shí)擋水建筑物，用來圍護(hù)水工建筑物的基坑，保證施工能在干地上順利進(jìn)行。圍堰除在灘地上施工外，一般都是直接在流水中修建，在完成導(dǎo)流任務(wù)后，如果對(duì)永久建筑物的運(yùn)行有妨礙，還需拆除。因此圍堰除滿足一般擋水建筑物的要求(如穩(wěn)定、不透水、抗沖刷)之外，還應(yīng)考慮工程量小，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、利于拆除等要求。如果能將圍堰與永久建筑物結(jié)合起來，作為永久性構(gòu)造的一部分(如包括在土壩壩身內(nèi)的堆石圍堰)，這對(duì)節(jié)約材料，降低造價(jià)，縮短工期更為有利。

水利工程施工中土石混合圍堰、混凝土圍堰、草土圍堰、水籠圍堰、板樁圍堰等。中小型水庫除險(xiǎn)加固全段圍堰主要采用土石混合圍堰。

土石混合圍堰的斷面形式，它與土圍堰比較，具有抗沖刷能力大、底寬小、在流速較大的河流中可以進(jìn)行水下堆筑，必要時(shí)可做成過水圍堰等優(yōu)點(diǎn)。但是這種圍堰的拆除比較困難。在一般情況下，當(dāng)工地有充裕的石碴可以利用，或需要圍堰過水以及今后不需將它拆除時(shí)，采用這種圍堰是合理的。

土石混合圍堰的施工，道先是清基與鋪筑基礎(chǔ)反濾層，堆石的水下部分可自兩側(cè)用進(jìn)占法堆筑或用棧橋法堆筑，堆筑水上部分時(shí)，須注意大小不同的石料均勻分布在堰身內(nèi)，以減少空隙，增加密實(shí)性。拋石時(shí)大石塊應(yīng)拋在堰趾部分，以增加穩(wěn)定性。進(jìn)占時(shí)先拋小石，然后隨落差和流速的增加采用較大的石塊，當(dāng)流速增大至用一般石塊拋填已有困難時(shí)，可采用大型石塊或人工預(yù)制的大型混凝土塊。堆石工作完成后，在迎水面的邊坡鋪筑反濾層，然后鋪筑土層。為了防止水流的沖刷和波良的沖擊，土層表面還應(yīng)設(shè)置護(hù)坡將土層覆蓋。

4 全段圍堰導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇和導(dǎo)流水力計(jì)算

擬定施工導(dǎo)流方案，需要選用某個(gè)流量值或某幾個(gè)流量值，作為導(dǎo)流方案和導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)太高，必然使導(dǎo)流建筑物規(guī)模增大，投資增多，甚至延誤工期和工程受益時(shí)間；標(biāo)準(zhǔn)太低，又將危及施工安全。

4.1 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的選擇

導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇，常用頻率法。即根據(jù)工程等級(jí)，確定導(dǎo)流建筑物的級(jí)別，再根據(jù)導(dǎo)流建筑物的級(jí)別，確定相應(yīng)的洪水重現(xiàn)期，作為計(jì)算導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)流設(shè)計(jì)時(shí)的洪水重現(xiàn)期可在表1的范圍內(nèi)分析采用。必要時(shí)，還應(yīng)考慮可能遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的緊急措施。

表1 臨時(shí)性水工建筑物所采用的洪水標(biāo)準(zhǔn)

過去的施工經(jīng)驗(yàn)表明：確定導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量，不能沒有標(biāo)準(zhǔn)而憑主觀臆斷；但由于影響導(dǎo)流設(shè)計(jì)的因素十分復(fù)雜，也不能將規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)看成固定的，一成不變而套用到整個(gè)施工過程中去。因此在導(dǎo)流設(shè)計(jì)中，一方面要依據(jù)表所列的數(shù)據(jù)，更重要的是具體分析該河流的水文特性，工程特點(diǎn)與導(dǎo)流建筑物的特點(diǎn)，經(jīng)過各種方案的比較論證，才能確定出合理的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。在到多快好省的目的。

施工期間，往往需要利用未完建的壩體擋水。此時(shí)洪水期的渡汛標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)壩體擋水形成的攔洪庫容，在表2規(guī)定的幅度內(nèi)分析確定。根據(jù)失事后對(duì)下游的影響，還可以適當(dāng)提高和降低。

表2 壩體施工期攔洪渡汛的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn) a

4.2 全段圍堰法隧洞導(dǎo)流的水力計(jì)算

在已經(jīng)確定導(dǎo)流流量和隧洞的各種水力要素后，通過判明流態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)的水力學(xué)計(jì)算，可以確定上游水位和上游圍堰的高程。

4.2.1 流態(tài)的判別

當(dāng)上游水位較低時(shí)，雖然隧洞斷面是封閉的形狀，但水流并不能充滿整個(gè)隧洞，水流有自由水，此時(shí)洞內(nèi)水流特性與明渠水流一樣，是無壓流。上游水位升高，洞內(nèi)的水面也隨著上升。當(dāng)上游水位升高到一定程度時(shí)，這時(shí)隧洞的前段已充滿水，而后段仍是無壓流，這種水流狀態(tài)稱為半有壓流。當(dāng)上游水位繼續(xù)上升到一定高度時(shí)，水流將充滿整個(gè)隧洞，沒有自由水面，這種水流狀態(tài)稱為有壓流。

4.2.2 有壓流的水力計(jì)算

有壓流分為有壓自由出流和有壓淹沒出流兩種

上游從進(jìn)口底檻算起計(jì)入行近流速的水頭H?？砂聪率接?jì)算：

(2)

式中：hs為下游計(jì)算水深，根據(jù)隧洞出口處河流的水位流量關(guān)系曲線得出；當(dāng)下游水位低于洞頂，即自由出流時(shí)，hs可按0.85D計(jì)算；當(dāng)下游水位高于洞頂，即淹沒出流，hs按實(shí)際水深計(jì)算；D為隧洞直徑：

4.2.3 無壓流的水力計(jì)算

當(dāng)隧洞為無壓流時(shí)，水流流態(tài)有急流和緩流兩種。對(duì)于急流，下游水位對(duì)上游隧洞進(jìn)口水深不發(fā)生影響，因此上游水頭H。可按非淹沒寬頂堰公式計(jì)算：

(3)

式中：m為流量系數(shù)，一般取m=0.32～0.36；b為隧洞進(jìn)口處水面的計(jì)算寬度，可按下式計(jì)算：

b=ωK/hKm

(4)

式中：hk、wk為隧洞進(jìn)口處的臨界水深m及其過水?dāng)嗝娣em2。

對(duì)于緩流，下游水位對(duì)上游隧洞進(jìn)口水深將發(fā)生影響。但在一般情況下，隧洞長度較長，這種影響可以忽略不計(jì)，故隧洞進(jìn)口內(nèi)的水深可近似地按正常水深計(jì)算，而正常水深可按明流公式用試算法計(jì)算或用圖解法確定。求出正常水深后，可按下式近似地求得上游水深H：

(5)

式中：φ為考慮側(cè)向收縮的流速系數(shù)；v為隧洞進(jìn)口流速，m/s；ho為隧洞內(nèi)正常水深，米。

當(dāng)求得上游水深后，即可確定上、下游圍堰高度：

上游圍堰高度：

H上=h1+H+δm

(6)

下游圍堰高度：

H下=h2+hs+δm

(7)

式中：h1、h2為隧洞進(jìn)口、出口離河床底部高差，m；H、hs為隧洞上、下游水深，m；δ為安全超高，對(duì)于不能溢流的圍堰采用 0.7～1.0m；對(duì)于可以溢流的圍堰采用0.2～0.5m。

若隧洞長度較短，為了精密計(jì)算，則可按不均勻流推算水面曲線的方法確定隧洞進(jìn)口水深，從而求得上游水位。其它導(dǎo)流方式如明渠、渡槽、涵管及底孔等的水力計(jì)算，均可分別地按照無壓流或有壓流進(jìn)行計(jì)算。

5 全段圍堰導(dǎo)流技術(shù)的應(yīng)用案例

5.1 石咀水庫除險(xiǎn)加固工程概況

石咀水庫位于江西省修水縣黃沙鎮(zhèn)石咀村，整個(gè)樞紐工程由大壩、溢洪道、涵管及發(fā)電廠房等部分組成。本次除險(xiǎn)加固主要施工項(xiàng)目有：大壩塑性混凝土防滲心墻澆筑、壩基防滲帷幕灌漿、溢洪道翻修、壩下涵管封堵、新建引水放空隧洞、壩坡及反濾棱體翻修、工程管理設(shè)施建設(shè)等。

5.2 施工導(dǎo)流導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)及時(shí)段

石咀水庫為三等中型水利工程，其主要建筑物為三級(jí)建筑物，依據(jù)(SDJ338—89)《水利水電施工組織設(shè)規(guī)范》規(guī)定：臨時(shí)建筑物為5級(jí)，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為5～10a洪水(土石圍堰)。

根據(jù)本工程的具體情況，選定導(dǎo)流時(shí)段為10月—次年2月，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為5a一遇洪水，相應(yīng)水庫施工期(P=20%)洪峰流量為8.2m3/s。

5.3 導(dǎo)流方式及導(dǎo)流建筑物

本工程施工期間、利用原灌溉發(fā)電涵管導(dǎo)流，經(jīng)調(diào)節(jié)計(jì)算P=20%施工期洪水最高洪水位為246.5m，隧洞施工不需作圍堰，待新建引水隧洞發(fā)揮作用后，封堵老涵管，(因老涵管底板高程為241m,而新建引水隧洞底板高程為247m)、封堵老涵管時(shí)需在原涵管進(jìn)口前修筑土石圍堰，其圍堰頂高程為248m，圍堰高度為6m，圍堰內(nèi)外邊坡為1∶1∶0，圍堰軸線長40m,采用全段圍堰截流導(dǎo)流，圍堰土石方工程量為1260m3。從本工程導(dǎo)流施工效果看，基本達(dá)到了施工預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 語

全段圍堰導(dǎo)流適用于河床狹窄，流量較小的中、小河流上。在江西省中小型水庫除險(xiǎn)加固和電站改造中應(yīng)用較多。影響全段圍堰施工導(dǎo)流的因素很多，合理制訂導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)段，結(jié)合工程實(shí)情，充分運(yùn)用全段圍堰明渠導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流方法，對(duì)確保主要建筑物施工質(zhì)量及工程安全、縮減工期和節(jié)省投資有重要作用。

[1]嚴(yán)飛.大型城市泵閘工程在復(fù)雜情況下的施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)[J].水利水電科技進(jìn)展，2010，30 (01): 61-64.

[2]力剛，陸衛(wèi)東.利用現(xiàn)有工程進(jìn)行施工導(dǎo)流的應(yīng)用探索[J].江蘇水利，2011(08):19-21.

[3]范公俊，賈延權(quán)，王艷紅等.幾種圍堰施工技術(shù)在連云港灘涂區(qū)的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2011，31(01)：62-65.

TV551.3

B

1007-7596(2016)08-0128-03

2016-07-18

豐威(1980-)，男，吉林松原人，工程師，研究方向?yàn)樗姽こ獭?/p>