立堵截流計算原理、程序編制及工程應(yīng)用

張 進(jìn)

(廣東省水利電力勘測設(shè)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(guān)鍵項目，也是影響工程進(jìn)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(jié)，直接影響永久建筑物的施工工期。

截流水力學(xué)計算應(yīng)確定截流過程中落差、流速、單寬能量等水力學(xué)參數(shù)及期變化規(guī)律，確定截流拋投材料的尺寸和重量，為截流實施提供指導(dǎo)。

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(xué)計算原理為依據(jù)，編制相應(yīng)的電算程序，并結(jié)合工程實例，檢驗其實用性。

2 立堵截流龍口水力學(xué)計算原理及改進(jìn)

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(shù)。

偏簡單對不同龍口寬度的水流流態(tài)把握不準(zhǔn)，計算結(jié)果稍差。本文所依據(jù)的龍口水力學(xué)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(tài)劃分、水力學(xué)計算原理清晰，為截流水力學(xué)的精確計算提供了依據(jù)。

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(jìn)占中，可能出現(xiàn)的流態(tài)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(yīng)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(shè)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(xué)計算程序參數(shù)

2.4 完善落差比Z/Zmax參數(shù)

圖1 龍口水流示意

圖2 截流初始分流建筑物進(jìn)口的水深Hc示意

3 立堵截流龍口水力學(xué)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(shù)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(nèi)的東江干流上，距惠州市城區(qū)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(cè)水道稱左河汊、右側(cè)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(qū)兩岸防護(hù)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(cè)、泗湄洲右側(cè)。船閘位于右河汊右側(cè)，按Ⅳ級航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(dǎo)流方式

1)施工導(dǎo)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(dǎo)流方式較為經(jīng)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(yīng)優(yōu)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(fā)電。

2)施工導(dǎo)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(dǎo)流方案必然要充分考慮的有利條件。根據(jù)工程建筑物分左、右兩河汊布置的特點，選定為分期導(dǎo)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(dǎo)流方案，其分期程序為：

左河汊疏浚、護(hù)砌工作于第1年10月中旬—第2年3月完成。左河汊經(jīng)疏浚后成為一期導(dǎo)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(hù)岸等。

一期導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(dǎo)流。

3.2.3左河汊(二期)截流設(shè)計

本工程的左河汊截流難度相對較大，截流設(shè)計敘述如下。

1)截流設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》(SL 303—2017)[3]的規(guī)定：“截流標(biāo)準(zhǔn)可采用截流時段重現(xiàn)期5～10 a的月或旬平均流量”，據(jù)此，本工程采用5年一遇的旬平均流量作為截流設(shè)計流量。

根據(jù)現(xiàn)場工程進(jìn)度安排，左河汊截流安排在2006年9月中旬進(jìn)行，相應(yīng)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(jù)一期施工導(dǎo)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(jìn)占的截流方案。左河汊截流之初，需對左河汊左側(cè)邊坡與二期上游橫向圍堰相接處位置進(jìn)行裹頭妥善保護(hù)。

本工程的截流方式選定為“平拋護(hù)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(jìn)占分區(qū)見圖5，戧堤橫剖面見圖6。

圖5 戧堤進(jìn)占分區(qū)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(xiàn)場實踐

現(xiàn)場截流施工布署以設(shè)計圖為依據(jù)，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(xiàn)場拋投，戧堤前沿選用239 kW重型推土機推料?，F(xiàn)場截流施工還使用了砼預(yù)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(jié)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(xué)計算的應(yīng)用范圍。

2)關(guān)于泄流指數(shù)n的取值，經(jīng)多宗工程的截流設(shè)計實踐認(rèn)為：不能簡單地認(rèn)為隧洞、涵洞分流時n=0.5，明渠分流時n=1.5，而應(yīng)根據(jù)分流建筑物的泄流流量Qf、上游水位H的關(guān)系，推導(dǎo)出Qf～(Z+Hc)/(Zmax+Hc)的函數(shù)關(guān)系，得出泄流指數(shù)n。

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

4)電算程序經(jīng)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(shè)計成果與現(xiàn)場施工情況吻合較好，取得了滿意的效果。