全段围堰导流技术在水利工程施工中的应用

梁振淼

(江西省修水县水利电力局，江西 修水 332400)



全段围堰导流技术在水利工程施工中的应用

梁振淼

(江西省修水县水利电力局，江西 修水 332400)

近几年来，中小型水库除险加固和电站扩容改造等项目实施过程中较多需要进行施工导流。根据工程总体布置及工程实际制订经济安全的施工导流方案，始终是水利工程施工中常见的技术难题，而全段围堰导流技术在水利工程施工中被广泛应用。文章结合水库除险加固工程案例，介绍了全段围堰导流技术的常用方法。

全段围堰；导流技术；导流方式；水利工程施工；应用

施工导流在水利工程施工中，从修筑围堰直至完建，都是必须妥善解决的重要问题。它直接关系到整个工程的施工进度及完成期限；影响施工方法的选择、施工场地的布置和工程的造价；它与水工建筑物的型式和布置等关系也十分密切。合理的导流方式，可加快工程进度，缩短建设工期、降低工程造价；考虑不周到，不仅达不到预期目的，而且可能造成很大的危害[1]。例如，选择施工导流流量过小，将导致围堰的失事，轻则使建筑物、基坑与施工场地遭受淹没，影响按期完工，重则使主体建筑遭到破坏而威胁下游居民的生命财产安全；反之，如选择的施工导流流量过大，则必然增加导流建筑物的费用，从而提高了工程造价，造成浪费。

1 全段围堰导流技术

全段围堰法导流就是在河床主体工程的上、下游一定距离用围堰一次拦断河流，使河水经河床以外的临时或永久泄水道下泄，待主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。

全段围堰法导流，一般应用在河床狭窄，流量较小的中、小河流上。在大流量河道上，只有在受地形、地质条件所限，不利于分段围堰法导流时，或在施工期内停航的情况下，才彩用此法导流。这个方法的优点是工作面大，河床内的建筑物能在一期围堰内建造起来。另外，如果在水利枢纽中，能利用永久泄水建筑物结合施工导流时，则采用此法比较经济。

2 全段围堰法导流方式

2.1 明渠导流

河流拦断后，水流由河岸上的人工渠道宣泄称为明渠导流。明渠导流，多用在岸坡较缓，有较宽广的滩地，或者岸坡上有溪沟可以利用的地方。当渠道轴线上是软土，特别是当河流弯曲，可用渠道裁弯取直时，采用此法最为不利。它的施工顺序是：在坝址岸侧挖渠，然后截断河流，使河水由明渠下泄，待原河床上建筑物建成或建到某预定高程后，再拦断明渠，使河水按预定的位置下泄。

在布置导流明渠时，一般应注意以下4点：

1)力求挖方量小，开窟容易：有条件时，应充分利用山垭、洼地、旧河槽等地形。

2)水流通畅，泄水能力强：渠道进出口水流与河道主流夹角最好<30°，渠道轴线转弯半径应>5倍渠道水面宽度。

3)泄水应该安全：渠道进出口与上、下游围堰应有一定距离，一般上游为30～50m，下游为50～100m。明渠水边到基坑内水边的最短距离，以>2.5～3倍明渠水面与基坑水面高差为宜。

4)运用方便：最好将明渠布置在一岸，避免两岸布置，否则将影响基坑与岸上的交通运输。考虑防冲防淤要求，明渠一般布置在不受冲刷和淤积的河岸部分。

导流明渠，一般均采用梯形断面，仅在岩石完整，渠道不深时才彩用矩形。渠道断面应满足防冲的要求，并且应保证通过设计施工流量Q设施(m3/s)。渠道的过水断面积W可按下式计算：

(1)

式中：[V]为渠道允许平均流速，m/s。

2.2 隧洞导流

在河谷狭窄，山岩坚实，河水变幅较大的山区河流中，多采用隧洞导流。特别是修建高水头的当地材料坝时，隧洞导流更为普遍。由于隧洞的开挖与衬砌费用较大，施工困难，所以应尽可能将导流隧洞与永久性隧洞相结合，当结合确有困难时，才考虑设置专用导流隧洞。专用的导流隧洞，在导流完毕后应即堵塞。

1)洞线选择：导流隧洞的选线，影响因素很多，其中应着重考虑地质条件和水力条件两方面。由于导流隧洞是临时性建筑物，运用时间不长，设计级别较低，若地质条件太差，需花费昂贵的支撑和衬砌，很不经济，若遇塌方则危害更大。一般应避免洞线穿过断层、破碎带以及较大的冲沟。无法避免时则应使洞轴线与断层、破碎带的交角大一些。为使隧洞结构稳定，洞顶岩石厚度至少应大于洞径的2～3倍。为使水流顺畅，增大泄水能力，导流隧洞的轴线最好为直线，如必须弯曲，则进出口直线段长应>10倍洞径或洞宽，其转弯半径应>5倍洞径或洞宽，转角一般≤60°，隧洞进出口轴线与河道主流的夹角最好在30。以内。若隧洞穿过坝底、坝肩或其它建筑物时，应使建筑物基础与隧洞间留有足够的岩石厚度，一般为3～5倍洞径。相邻隧洞的岩石厚度，一般应≥2倍洞径。同时，进出口与上、下游围堰之间要有适当的距离，一般应>50m，以防堰体受进出口水流冲刷。隧洞进出口高程，从截流要求看，越低越好，但从洞身施工的出碴、排水、土石方开挖等方面看，则以高些为好。有关这些方面的矛盾，应按具体条件，综合考虑，统一解决。

2)断面形式选择：导流隧洞断面形式的选择，主要取决于地质条件、隧洞工作条件(有压还是无压、水头的高低、外水压力大小)以及是否方便施工和有利截流等因素。常见的有圆形、马碲形及城门洞形3种。就施工方便、快速而论，城门洞型是最有利的。而且由于它底部过水面积大，和圆形比较，可在同一高程、同一洞径的条件下，减小截流落差，有利截流施工。但在地质条件差或地下水位高，外水压力大的情况下，采用城门洞形会使衬砌边墙及底板承受较大的弯矩，这时宜采用圆形或马碲形[2]。

3)关于衬砌及糙率系数问题：导流隧洞是临时建筑物，运用时间较短，衬砌要求应较永久性水工隧洞为低。至于要否衬砌，则取决于地质条件及隧洞工作条件。一般在地质条件较好、岩石坚硬完整、节理裂隙不发育、洞顶岩层有足够厚度，以及洞身开挖过程中不需要支撑的地方，可不用衬砌。即使局部节理发育，但裂隙闭合，没有充填物及严重互相切割现象，岩层走向和洞轴线交角较大时，也可考虑不加衬砌或仅衬砌顶拱。如果岩石较软弱，或岩石虽坚硬但列隙互相切割较为破碎，或地下水较发育则应考虑全断面衬砌。物别在隧洞进出口处，一般跨度较大，洞顶岩层较薄，风化影响也较严重，是全洞的薄弱地带，一般都采用全断面衬砌[3]。

减小糙率n值的措施，对于衬砌隧洞，主要是使模板不走样，衬砌表面不出现蜂窝麻面、钢筋保护层的厚度不应太薄等；对于不衬砌的隧洞，可采用光面爆破、喷浆、或其他护面措施。

3 围 堰

围堰是一种临时挡水建筑物，用来围护水工建筑物的基坑，保证施工能在干地上顺利进行。围堰除在滩地上施工外，一般都是直接在流水中修建，在完成导流任务后，如果对永久建筑物的运行有妨碍，还需拆除。因此围堰除满足一般挡水建筑物的要求(如稳定、不透水、抗冲刷)之外，还应考虑工程量小，结构简单、施工方便、利于拆除等要求。如果能将围堰与永久建筑物结合起来，作为永久性构造的一部分(如包括在土坝坝身内的堆石围堰)，这对节约材料，降低造价，缩短工期更为有利。

水利工程施工中土石混合围堰、混凝土围堰、草土围堰、水笼围堰、板桩围堰等。中小型水库除险加固全段围堰主要采用土石混合围堰。

土石混合围堰的断面形式，它与土围堰比较，具有抗冲刷能力大、底宽小、在流速较大的河流中可以进行水下堆筑，必要时可做成过水围堰等优点。但是这种围堰的拆除比较困难。在一般情况下，当工地有充裕的石碴可以利用，或需要围堰过水以及今后不需将它拆除时，采用这种围堰是合理的。

土石混合围堰的施工，道先是清基与铺筑基础反滤层，堆石的水下部分可自两侧用进占法堆筑或用栈桥法堆筑，堆筑水上部分时，须注意大小不同的石料均匀分布在堰身内，以减少空隙，增加密实性。抛石时大石块应抛在堰趾部分，以增加稳定性。进占时先抛小石，然后随落差和流速的增加采用较大的石块，当流速增大至用一般石块抛填已有困难时，可采用大型石块或人工预制的大型混凝土块。堆石工作完成后，在迎水面的边坡铺筑反滤层，然后铺筑土层。为了防止水流的冲刷和波良的冲击，土层表面还应设置护坡将土层覆盖。

4 全段围堰导流标准选择和导流水力计算

拟定施工导流方案，需要选用某个流量值或某几个流量值，作为导流方案和导流建筑物设计计算的依据。设计标准太高，必然使导流建筑物规模增大，投资增多，甚至延误工期和工程受益时间；标准太低，又将危及施工安全。

4.1 导流标准的选择

导流设计标准的选择，常用频率法。即根据工程等级，确定导流建筑物的级别，再根据导流建筑物的级别，确定相应的洪水重现期，作为计算导流设计流量的标准。导流设计时的洪水重现期可在表1的范围内分析采用。必要时，还应考虑可能遭遇超标准洪水时的紧急措施。

表1 临时性水工建筑物所采用的洪水标准

过去的施工经验表明：确定导流设计流量，不能没有标准而凭主观臆断；但由于影响导流设计的因素十分复杂，也不能将规定的标准看成固定的，一成不变而套用到整个施工过程中去。因此在导流设计中，一方面要依据表所列的数据，更重要的是具体分析该河流的水文特性，工程特点与导流建筑物的特点，经过各种方案的比较论证，才能确定出合理的导流标准。在到多快好省的目的。

施工期间，往往需要利用未完建的坝体挡水。此时洪水期的渡汛标准应根据坝体挡水形成的拦洪库容，在表2规定的幅度内分析确定。根据失事后对下游的影响，还可以适当提高和降低。

表2 坝体施工期拦洪渡汛的导流标准 a

4.2 全段围堰法隧洞导流的水力计算

在已经确定导流流量和隧洞的各种水力要素后，通过判明流态并进行相应的水力学计算，可以确定上游水位和上游围堰的高程。

4.2.1 流态的判别

当上游水位较低时，虽然隧洞断面是封闭的形状，但水流并不能充满整个隧洞，水流有自由水，此时洞内水流特性与明渠水流一样，是无压流。上游水位升高，洞内的水面也随着上升。当上游水位升高到一定程度时，这时隧洞的前段已充满水，而后段仍是无压流，这种水流状态称为半有压流。当上游水位继续上升到一定高度时，水流将充满整个隧洞，没有自由水面，这种水流状态称为有压流。

4.2.2 有压流的水力计算

有压流分为有压自由出流和有压淹没出流两种

上游从进口底槛算起计入行近流速的水头H。可按下式计算：

(2)

式中：hs为下游计算水深，根据隧洞出口处河流的水位流量关系曲线得出；当下游水位低于洞顶，即自由出流时，hs可按0.85D计算；当下游水位高于洞顶，即淹没出流，hs按实际水深计算；D为隧洞直径：

4.2.3 无压流的水力计算

当隧洞为无压流时，水流流态有急流和缓流两种。对于急流，下游水位对上游隧洞进口水深不发生影响，因此上游水头H。可按非淹没宽顶堰公式计算：

(3)

式中：m为流量系数，一般取m=0.32～0.36；b为隧洞进口处水面的计算宽度，可按下式计算：

b=ωK/hKm

(4)

式中：hk、wk为隧洞进口处的临界水深m及其过水断面积m2。

对于缓流，下游水位对上游隧洞进口水深将发生影响。但在一般情况下，隧洞长度较长，这种影响可以忽略不计，故隧洞进口内的水深可近似地按正常水深计算，而正常水深可按明流公式用试算法计算或用图解法确定。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为考虑侧向收缩的流速系数；v为隧洞进口流速，m/s；ho为隧洞内正常水深，米。

当求得上游水深后，即可确定上、下游围堰高度：

上游围堰高度：

H上=h1+H+δm

(6)

下游围堰高度：

H下=h2+hs+δm

(7)

式中：h1、h2为隧洞进口、出口离河床底部高差，m；H、hs为隧洞上、下游水深，m；δ为安全超高，对于不能溢流的围堰采用 0.7～1.0m；对于可以溢流的围堰采用0.2～0.5m。

若隧洞长度较短，为了精密计算，则可按不均匀流推算水面曲线的方法确定隧洞进口水深，从而求得上游水位。其它导流方式如明渠、渡槽、涵管及底孔等的水力计算，均可分别地按照无压流或有压流进行计算。

5 全段围堰导流技术的应用案例

5.1 石咀水库除险加固工程概况

石咀水库位于江西省修水县黄沙镇石咀村，整个枢纽工程由大坝、溢洪道、涵管及发电厂房等部分组成。本次除险加固主要施工项目有：大坝塑性混凝土防渗心墙浇筑、坝基防渗帷幕灌浆、溢洪道翻修、坝下涵管封堵、新建引水放空隧洞、坝坡及反滤棱体翻修、工程管理设施建设等。

5.2 施工导流导流标准及时段

石咀水库为三等中型水利工程，其主要建筑物为三级建筑物，依据(SDJ338—89)《水利水电施工组织设规范》规定：临时建筑物为5级，导流标准为5～10a洪水(土石围堰)。

根据本工程的具体情况，选定导流时段为10月—次年2月，导流标准为5a一遇洪水，相应水库施工期(P=20%)洪峰流量为8.2m3/s。

5.3 导流方式及导流建筑物

本工程施工期间、利用原灌溉发电涵管导流，经调节计算P=20%施工期洪水最高洪水位为246.5m，隧洞施工不需作围堰，待新建引水隧洞发挥作用后，封堵老涵管，(因老涵管底板高程为241m,而新建引水隧洞底板高程为247m)、封堵老涵管时需在原涵管进口前修筑土石围堰，其围堰顶高程为248m，围堰高度为6m，围堰内外边坡为1∶1∶0，围堰轴线长40m,采用全段围堰截流导流，围堰土石方工程量为1260m3。从本工程导流施工效果看，基本达到了施工预期目标。

6 结 语

全段围堰导流适用于河床狭窄，流量较小的中、小河流上。在江西省中小型水库除险加固和电站改造中应用较多。影响全段围堰施工导流的因素很多，合理制订导流标准和时段，结合工程实情，充分运用全段围堰明渠导流、隧洞导流方法，对确保主要建筑物施工质量及工程安全、缩减工期和节省投资有重要作用。

[1]严飞.大型城市泵闸工程在复杂情况下的施工导流设计[J].水利水电科技进展，2010，30 (01): 61-64.

[2]力刚，陆卫东.利用现有工程进行施工导流的应用探索[J].江苏水利，2011(08):19-21.

[3]范公俊，贾延权，王艳红等.几种围堰施工技术在连云港滩涂区的应用[J].水利水电科技进展，2011，31(01)：62-65.

TV551.3

B

1007-7596(2016)08-0128-03

2016-07-18

丰威(1980-)，男，吉林松原人，工程师，研究方向为水利水电工程。