團結(jié)水閘除險加固工程施工導(dǎo)流設(shè)計綜述

孫華云

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

廣豐縣團結(jié)水閘除險加固工程在廣豐縣沙田鎮(zhèn)十六都村境內(nèi)，工程區(qū)與廣豐縣城直線距離為21.6km。該水閘工程閘址處控制流域面積為299.8km2，過閘流量最大值為0.2×104m3/s，屬于饒豐灌區(qū)骨干性水利工程。工程主要建設(shè)內(nèi)容為樁號0+052.49-0+091.31m的泄洪閘加固，樁號0+020.9-0+052.49m、0+091.31-0+138.4m的溢流壩改建；樁號0+000-0+020.9m灌溉進水閘拆除重建；0+010.9-0+020.9、0+138.4-0+146.6m重力壩及刺墻；完善必要的工程監(jiān)測及管理房等設(shè)施等。

團結(jié)水閘工程閘址控制流域降水量多年平均值為1645.3mm，且年內(nèi)降水配備不均，每年3-8月工程所在地區(qū)進入汛期，該期間實際降水量均值為368.58mm，在全年降水總量中占比約58.9%，而從10月開始至來年2月則屬于枯水期，該期間工程區(qū)降水量僅在全年降水總量中占比31.9%。年氣溫均值為18.1℃，風(fēng)速均值2.1m/s，最大風(fēng)速可達16.4m/s。地勘資料顯示，閘趾區(qū)不存在滑坡、崩塌等不良地質(zhì)條件。

2 施工導(dǎo)流設(shè)計

2.1 導(dǎo)流設(shè)計標準

團結(jié)水閘除險加固工程是大(2)型水閘工程，導(dǎo)流建筑物主要為其堰頂高程143.2m、凈寬6m的圍堰，攔蓄庫容150.3×104m3，按照相關(guān)標準，其導(dǎo)流建筑物應(yīng)為Ⅲ級。根據(jù)本水閘除險加固工程所處控制性流域的水文特性，為增強導(dǎo)流設(shè)計及分析結(jié)果的合理性及適用性，確定10月-次年1月為枯水期，且施工導(dǎo)流據(jù)此進行設(shè)計。該水閘除險加固工程在枯水施工期內(nèi)10月至來年1月最枯四個月的洪水設(shè)計成果詳見表1，施工期內(nèi)月平均流量匯總結(jié)果詳見表2。

表1 施工期內(nèi)第一年最枯月洪水設(shè)計成果

表2 施工期內(nèi)第一年部分月平均流量

團結(jié)水閘除險加固工程施工圍堰填筑以工程所在地砂卵礫石為主要材料，一期圍堰、二期圍堰分別按枯水期5a一遇、10a一遇洪峰流量11.6m3/s和30.3 m3/s設(shè)計，壩體度汛主要根據(jù)工程所在流域汛期20a一遇的洪峰流量140.1m3/s設(shè)計。

2.2 導(dǎo)流方式及程序

綜合考慮團結(jié)水閘除險加固工程控制流域降雨大多集中在3-8月汛期，洪枯流量差異明顯，再結(jié)合閘址處地形地貌地質(zhì)條件，最終決定按照枯水期較低水位圍堰結(jié)合分期導(dǎo)流的方案設(shè)計。

在第一年汛期過后9月-次年6月，將控制流域左側(cè)主流截斷，并按照P=20%的流量進行左側(cè)一期土石圍堰填筑，此外還應(yīng)該充分利用東西兩股主流之間所形成的淺灘進行縱向圍堰的填筑處理，圍堵封閉水閘大壩壩軸線樁號0+385處以西的基坑，此后主要通過左邊河床過水。包括基礎(chǔ)處理、防滲板施工、泄水洞及消力池澆筑、混凝土壩段澆筑至165m高程等在內(nèi)的一期基坑開挖施工必須在一個枯水期內(nèi)完成，之后停工撤場，通過右側(cè)河流完成泄洪。

在第二年汛期過后9月-次年6月將控制流域右側(cè)主流截斷，并借助進口尺寸為2.5m×3.0m的三孔泄水洞泄水，按照枯水期10a一遇標準進行洪水設(shè)計，并將右側(cè)二期圍堰填筑后形成二期基坑。開挖混凝土面板砂卵礫石壩址板后使其高程達到175m，如果出現(xiàn)汛期則應(yīng)當基于面板壩擋水的設(shè)計，通過在溢流壩和泄水洞構(gòu)筑物所預(yù)留的170m設(shè)計高程的缺口達到聯(lián)合泄洪的目的。

在第三年汛期過后9月-次年6月仍恢復(fù)泄水洞泄水的情況，并不斷升高左右側(cè)壩體直至年末達到設(shè)計高程，到當年汛期來臨前金屬結(jié)構(gòu)安裝及調(diào)試工作全部完成，汛期結(jié)束后下閘蓄水，通過2.5m×3.0m 的3孔泄水洞泄水。

2.3 水力計算

2.3.1 一期導(dǎo)流

團結(jié)水閘除險加固工程一期導(dǎo)流主要借助壩址處右側(cè)束窄河床過水，一期導(dǎo)流流量設(shè)計值為11.6m3/s，結(jié)合壩址處水位-流量關(guān)系，可以推求出壩址下游水位應(yīng)取值154.6m，采用水力指數(shù)法[1]進一步推算壩址下游水位主流水面線，并確定出右岸主流入口處水位和流速分別為164m和10.9m/s。根據(jù)所確定的右岸入口流速，應(yīng)用寬頂堰公式進行上游壅高水深計算，公式如下：

(1)

式中：Z為壩址上游實際壅高水深，m；φ為水閘除險加固工程控制流域水流流速系數(shù)；ve為水閘閘址右岸主流入口處設(shè)計流速值，m/s，根據(jù)工程設(shè)計，應(yīng)取值10.9m/s ；v0為壩址上游實際行進流速值，m/s；g為重力加速度，m/s。將團結(jié)水閘除險加固工程參數(shù)取值代入式(1)后可得上游壅高水深為161.7m。

2.3.2 二期導(dǎo)流

按照二期施工導(dǎo)流設(shè)計，考慮到該水閘除險加固工程閘址河床砂卵礫石基礎(chǔ)覆蓋層均事先采取了有效的防滲處理措施，相應(yīng)的導(dǎo)流設(shè)計標準也調(diào)整為枯水期P=10%，導(dǎo)流流量設(shè)計值為30.3m3/s，對應(yīng)的下游水位160.1m，根據(jù)類似施工導(dǎo)流設(shè)計經(jīng)驗應(yīng)當采用緩坡短管明流[2]的設(shè)計形式，所應(yīng)采用的計算導(dǎo)流流量的非淹沒寬頂堰公式表示如下：

(2)

式中：Q為施工導(dǎo)流設(shè)計流量，m3/s；m為施工導(dǎo)流設(shè)計流量表征系數(shù)，可由式m=m0+(0.385-m0)AH/(3A-2AH)計算，其中m0為進口系數(shù)，取0.3，AH為水深和Bk之積，A為與水閘閘址上游壅高水深相對應(yīng)的斷面面積，m2；Bk為寬頂堰底孔孔深，應(yīng)與底寬取相同值；H0為水閘進口底檻之上的實際水深，m。將團結(jié)水閘除險加固工程參數(shù)取值代入式(2)后可得上游水位為165.8m。

三期施工導(dǎo)流分析過程與二期基本相同，故略去。

2.3.3 施工期臨時度汛

團結(jié)水閘除險加固工程汛期施工按照20a一遇進行洪水設(shè)計，洪峰流量140.1m3/s，設(shè)計擋水主要采用混凝土面板壩斷面，并借助三孔泄洪洞與溢流壩預(yù)留缺口聯(lián)合泄洪，按照下式進行溢流壩預(yù)留缺口泄流水力計算：

(3)

式中：Q為水閘除險加固工程溢流壩壩體預(yù)留缺口處可能的泄流量，m3/s；ε為閘壩壩體所對應(yīng)的側(cè)收縮系數(shù)；m為閘壩壩體所對應(yīng)的流量系數(shù)，按0.34取值；σ為溢流壩壩體的淹沒系數(shù)；B為溢流壩壩體預(yù)留缺口處實際過水寬度，m；H0為溢流壩壩體預(yù)留缺口底坎起算的上游水頭取值，m。

通過水量平衡方程[3]進行調(diào)洪演算分析：

(4)

式中：△t為調(diào)洪演算所考慮的時段；I為調(diào)洪演算所考慮時段內(nèi)實際入庫流量平均值，m3/s；Q1為調(diào)洪演算所考慮時段起點處的泄流量，m3/s；Q2為調(diào)洪演算所考慮時段終止時泄流量，m3/s；V1為時段開始時庫容量(×104m3)；V2為時段終止時庫容量(×104m3)。

結(jié)合水量平衡方程和本水閘實際泄流能力，按照20a一遇標準進行洪峰歷時3d洪水設(shè)計，并按照逐時段進行水庫蓄水、泄水等變動趨勢的分析。經(jīng)計算，水閘調(diào)洪演算所考慮時段初始出入庫流量均為1.3m3/s，調(diào)洪演算所考慮時段終止出入庫流量分別為140.1 m3/s、100.3 m3/s，所對應(yīng)水位68.8m，庫容150.3×104m3，且團結(jié)水閘除險加固工程大壩臨時擋水斷面根據(jù)此高程+安全超高進行填筑。

2.4 導(dǎo)流建筑物布置

團結(jié)水閘除險加固工程一期圍堰按照梯形結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計長度452.5m，上下游圍堰設(shè)計高程分別為143.2m、142.1m，上下游圍堰順坡連接縱向圍堰。根據(jù)閘址處水位-流量關(guān)系和枯水期P=20%對應(yīng)的水位+安全超高確定下游圍堰實際高程，同時結(jié)合水力指數(shù)法根據(jù)下游實際水位和束窄主流進口斷面實際水位、水流流速等取值進行上游圍堰高程值的定量分析。二期圍堰則與導(dǎo)墻直接相連，上下游圍堰設(shè)計長度分別為167m和164m，設(shè)計高程為154.5m和153.2m，按閘址處水位-流量關(guān)系所對應(yīng)水位+安全超高確定下游圍堰高程[4]。

在圍堰基礎(chǔ)設(shè)置截滲槽，并將圍堰和基坑邊線的距離控制在3.5m以上，一期下游圍堰頂寬取6.0m，其他圍堰頂寬取4.5m，邊坡坡比設(shè)計值取1∶2。通過基坑開挖所產(chǎn)生的廢棄料填筑圍堰堰體，并將厚0.3m的砂礫石過渡層鋪設(shè)在截滲槽與圍堰堰體土工膜上下層，在迎水坡增設(shè)0.5m厚的干砌石護坡，圍堰標準斷面橫剖結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 團結(jié)水閘除險加固工程一期圍堰標準斷面橫剖面圖

由圖可知，團結(jié)水閘除險加固工程圍堰基礎(chǔ)主要采用了灌漿、防滲墻和截滲槽加鋪土工膜的三種防滲形式。水閘閘址處河床主要為大粒徑卵礫石覆蓋層，缺乏可灌注性，河床同時存在較嚴重的潛流現(xiàn)象，所以圍堰基礎(chǔ)防滲不適宜采用灌漿方式；截滲槽施工快、投資少，且防滲性能良好，但是應(yīng)加強截滲槽施工過程中潛流不利影響的控制。所以，綜合考慮科學(xué)性、工程性、經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，選擇截滲槽防滲形式，即在圍堰基礎(chǔ)覆蓋層進行底寬1.5m、邊坡1∶1.0截滲槽的開挖，并在槽中鋪0.8mm厚的土工膜，使其通過水下不分散混凝土與圍堰堰體土工膜有效壓接后發(fā)揮共同防滲的作用。

3 結(jié) 論

通過分析可知，團結(jié)水閘除險加固工程控制性流域?qū)儆诘湫偷募竟?jié)性河流，汛期洪峰大且歷時短，枯水期流量則相對較小。為此，在進行工程施工導(dǎo)流設(shè)計時應(yīng)分不同導(dǎo)流時段按照不同導(dǎo)流標準進行，以確保安全度汛，控制和降低導(dǎo)流工程量和工程投資。與此同時，施工導(dǎo)流初設(shè)還使圍堰堰體結(jié)構(gòu)形式進一步優(yōu)化，采取了設(shè)置截滲槽并加鋪土工膜的方式，使原本隱蔽性施工改變?yōu)槊魍诨靥钍┕?，防滲性增強，投資降低，便于快速施工的開展。