施工导流及围堰技术在水利水电施工中的应用研究

周 涛，胡 玉

(1.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000;2.金安桥水电站有限公司，云南 丽江 674100)

社会经济发展离不开国家水电建设，因此在一些流域内，建设了大量的水利水电工程设施。通过这些水利水电设施，实现了集中发电、水源调配，保证了城市平稳发展。但这些项目临近水域，当梅雨季节来临，或者气候不稳，产生大量降水时，对于水利水电施工的排水要求极为严格。传统的技术应用方法下，虽然可以有效排水泄洪，但当降水量极大时，施工场地的透水率偏高，因此针对这一问题，本文着重分析影响参数的分布特征，研究新式的技术应用方法[1]。

1 施工导流及围堰技术在水利水电施工中的应用

了解所建区域的基本资料，是水利水电站施工的前提。基本资料包括：流域概况、水电站基本概况。

图1 流域实况降水量

以某一流域为例，该流域横跨西南、华中、华东三大区域，途经多个省市，横穿三级阶梯。该流域支流数量多、横跨地形多样，每一阶梯的降水量各不相同，图1[2]是该流域某一天的实况降水量。水利水电的施工，需要考虑上述自然要素以及人为影响，了解当地的水文状况，保证施工顺利展开[3]。

1.1 定量分析洪水基本规律

气候是影响水文的主要因素，多雨水的气候会加大流域的洪水量，因此以上一年的流域气候为依据，预测当年的洪水量。

表1 气象要素表 单位：℃

表1中的数据为施工前一年的区域气温。根据月均降水量，统计该区域该年度的月均径流量，分析洪水的基本规律[4]。假设洪峰期间用T(t)表示，则有

(1)

式中，T(t)1—第t次与第t+1次洪水峰现时间之差；t1—第t次的洪水峰现时间；t2—第t+1次的洪水峰现时间[5]；T(t)0—第t次洪水结束时间，与第t+1次洪水起涨时间之差；t3—洪水涨水时间；t4—洪水退水时间[6]。

量级划分洪水各特征指标值，根据影响因素，预测施工当年的洪水规律：

(2)

式中，p—洪水径流量；f(p)—洪水径流量的渐进行为函数；c—该区域的月平均温度；wi—在i区域的月平均河流径流量；vi—在i区域的月平均降水量。由此得出洪水变化规律[7]。

1.2 施工导流控制泄水量

将分析出的洪水规律作为依据，通过施工导流技术设计引水渠，控制水利水电施工现场的场地水流量。针对直线运动的洪流，设计明渠和管道渠导流洪水[8]。明渠的最大深度为：

(3)

式中，p—明渠内的水流均流量；m—土质的糙率；x—冻土深度；u—湿周；j—施工现场土层的底坡坡度；s—渠道过水面积。求解上述计算公式，根据二分法得出明渠设计高度[9]。水流受地形影响，其流淌方向会发生渐变，此时就需要利用管道渠来泄洪，其基本计算公式为：

(4)

式中，d—管道渠断面比能；h2—地形基本高度；θ—地形走势角度；k—管道横截面积；a—地形的最小接触面积[10]。根据比能计算管道水利坡度：

(5)

式中，i—上游区域；j—下游区域；qi—上游管道的安放角度；qj—下游管道的安放角度；vi，vj—上游、下游断面所对应的洪水流速；Ci，Cj—上、下游区域的谢才系数；ri，rj—上、下游区域的水力半径[11- 14]。综合式(3)—(5)，得出非均匀渐变渠的计算公式：

(6)

1.3 根据围堰技术建立安全施工区域

根据设计的施工导流渠建立围堰，保证水利施工在一个稳定的环境下作业。绘制一个二维围堰平面示意图，如图2所示。

图2 围堰平面图

图2中的围堰大小，是根据施工导流控制的泄水量结果计算得出的。根据水渠深度及宽度，利用分析模型求出围堰的轴线长度：

l(x，y)=exp{-[(-lnx)α+(-lny)α]ε}

(7)

式中，x—围堰轴线的横坐标向量；y—围堰轴线的纵坐标向量；α—分析模型的定量参数；ε—描述随机变量的相关系数[17]。结合定义域为[0，1]的随机联合函数，结合式(6)—(7)，连接水域中多个随机变量的边缘分布，描述这些数据之间的联合分布状态：

(8)

式中，u1，u2，…，un—水流各项随机变量的数值；U1，U2，…，Un—随机变量；n—合计的参数总数量；f1，f2，…，fn—变量值u1，u2，…，un的联合分布函数；Us—边缘随机变量；us—边缘随机变量数值；fs—随机变量us的边缘分布函数；φ—随机联合函数的固定参数；G—平稳期水流强度[18- 19]。

上述结果得出洪水的两个冲击阶段，以此设计围堰的总体大小，并根据不同的水流流动位置，设置抗冲击力不同的围堰，形成一个抵抗洪水冲击的封闭式结构，实现施工导流和围堰技术在水利水电施工中的应用[20]。

2 仿真实验

搭建仿真实验平台，利用MATLAB软件模拟水利水电施工环境，下载Dev Test工具记录实验数据，验证所提出的技术的应用效果。同时将传统的施工导流围堰技术应用到该实验环境中，分析两种应用方式下，施工场地的透水率。

2.1 实验准备

随机选取一片水域，模拟水利水电工程施工，设置施工导流与围堰特征数据，见表2。

表2 施工参数特性表

依照表2中的数据，预先模拟围堰框架。仿真围堰的填筑过程，分为一期土石围堰、二期土石围堰模拟。将两个期间的土石围堰分为上、下游2段，上游段填筑共划分成I、II、III共3个区间；下游段分为I、II、III、IV、V共5个区间。按照材料装车—材料运输—材料填铺—材料压实的程序，分别采用两种技术，执行施工导流和围堰技术处理。需要被模拟的施工地区区域概况，见表3。

根据表2—3中的基本数据，开始实验。打开仿真软件，将系统模拟调试20min，试运行一组数据，测试结果无误后实验正式开始。

2.2 结果分析

将所提出的技术应用方法下的实验结果，作为实验组A，将传统技术应用方法下的实验结果，作为参照组B。为保证实验的真实性，随机抽取5个月的模拟实验，图3—4为随机抽取的实验结果。

表3 施工区域概况

图3 7月份测试结果

图4 8月份测试结果

从图3中可以看到，在所研究的施工导流围堰技术应用下，水利水电施工项目的场地透水率，大多数在安全标准范围曲线之下，只有两个日期的透水率贴近安全标准值，其平均透水率为0.21Lu；而在传统的技术应用下，虽然有些日期的透水率在标准范围内，但大多数透水率远高于安全标准值，平均透水率为0.68Lu。图4中实验组的测试结果，其透水率同样贴近标准值，但其平均值为0.27Lu，低于0.5Lu的标准值；对照组的透水率平均值为0.63Lu，超出标准值0.13Lu。所研究的技术应用下的月均透水率为0.24Lu，传统技术应用下的月均透水率为0.67Lu。

3 结束语

施工导流技术和围堰技术是水利水电工程建设中的重要组成部分，对施工项目建设具有重要意义。此次提出的技术应用，着重分析了传统应用方法中透水率过高的问题。利用关联函数等数学理论，结合分析模型，量级划分洪水各特征指标值，细致化研究影响水流的因素，制定合理的围堰结构框架，实现明渠和管道渠的双向泄洪。此次研究解决了传统技术应用中围堰结构的稳定问题，提升了与土地接触面的契合完整度。但此次研究是在二维模式下展开的，在调整导流渠宽度、深度，调整围堰结构方面，可能会产生重复操作，今后要向三维虚拟模式下改进。