立堵截流计算原理、程序编制及工程应用

张 进

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 概述

截流是水利水电工程的一项关键项目，也是影响工程进度的控制项目。如果截流不能按时完成或失败，将制约围堰施工，失去枯水期施工的黄金季节，直接影响永久建筑物的施工工期。

截流水力学计算应确定截流过程中落差、流速、单宽能量等水力学参数及期变化规律，确定截流抛投材料的尺寸和重量，为截流实施提供指导。

截流方式一般分为立堵、平堵2种，而最常见的就是单戗立堵截流方式。本文以立堵截流水力学计算原理为依据，编制相应的电算程序，并结合工程实例，检验其实用性。

2 立堵截流龙口水力学计算原理及改进

2.1 龙口泄流量

常用的龙口泄流量公式：

(1)

式中B为龙口过水宽度;Ho为龙口上游水头;m为流量系数。

偏简单对不同龙口宽度的水流流态把握不准，计算结果稍差。本文所依据的龙口水力学计算原理源自《施工截流与基坑排水》[1]，其论述的龙口水流流态划分、水力学计算原理清晰，为截流水力学的精确计算提供了依据。

立堵截流过程中，龙口水流呈堰流形式，通常由淹没流过渡到非淹没流直至合龙。龙口进占中，可能出现的流态情况又可详列以下4种：① 第1阶段之1—1，梯形龙口淹没流；② 第1阶段之1—2，梯形龙口非淹没流；③ 第2阶段之2—1，三角形龙口淹没流；④ 第2阶段之2—2，三角形龙口非淹没流。

上述4阶段的龙口泄流量公式分别对应式(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 截流设计流量

公式如下：

Q0=Q+Qf

(7)

即龙口流量等于截流计算流量减去分流量：

Q=Q0-Qf=[1-(Z/Zmax)n]Q0

(8)

上述式中符号意义见表1。

表1 截流水力学计算程序参数

2.4 完善落差比Z/Zmax参数

图1 龙口水流示意

图2 截流初始分流建筑物进口的水深Hc示意

3 立堵截流龙口水力学电算程序编制及算例

3.1 电算程序编制

电算程序流程见图3所示，参数含义见表1。

图3 电算程序流程示意

3.2 东江水利枢纽工程左河汊截流

3.2.1工程概况[2]

惠州东江水利枢纽位于广东省惠州市境内的东江干流上，距惠州市城区约10 km，距广州市132 km。工程所在的河段有一江中岛——泗湄洲，其左侧水道称左河汊、右侧水道称右河汊。右河汊为主河道。工程为低水头的闸坝枢纽。枢纽主要由电站厂房、闸坝段、船闸、两岸连接段及库区两岸防护工程等组成。电站装机容量为4.6万kW(4×1.15万kW)，厂房位于右河汊左侧、泗湄洲右侧。船闸位于右河汊右侧，按Ⅳ级航道标准设计，为单线单级船闸，最大通航船舶吨位为500 t，闸室尺寸为130 m×16 m×3.0 m(长×宽×槛上最小水深)，上、下游引航道底宽38 m，总长为355 m。拦河水闸为闸门控制的平底开敞式水闸，左河汊布置10孔，右河汊布置12孔，共22孔泄洪闸，每闸孔净宽14 m。闸顶高程为17.3 m，水闸堰顶高程为3.4 m，与河床基本齐平。泄流前缘总宽度为393.4 m(其中左河汊为164 m，右河汊为229.4 m)。

3.2.2施工导流方式

1)施工导流特点

① 坝址处河道为左、右两河汊，河床总宽约700 m，采用分河汊分期导流方式较为经济合理；

② 厂房、船闸两个主要水工建筑物均布置于右河汊，左河汊仅布置有10孔泄洪闸。应优先考虑施工右河汊工程项目，力争在二期左河汊基坑施工时，利用二期围堰挡水，尽早发电。

2)施工导流方式

坝址处有一个天然的泗湄洲岛，将东江分为左右两个河汊，其中右河汊为主河道。泗湄洲地面平均高程约为11.0 m，长约1 500 m，是施工导流方案必然要充分考虑的有利条件。根据工程建筑物分左、右两河汊布置的特点，选定为分期导流方式。

先围右岸(右岸船闸、厂房、右岸12孔泄洪闸及右岸连接坝段)、后围左岸河床(10孔泄洪闸及相邻连接坝段)的二期二段分期导流方案，其分期程序为：

左河汊疏浚、护砌工作于第1年10月中旬—第2年3月完成。左河汊经疏浚后成为一期导流明渠。

一期截流前，还需完成泗湄洲头部14.53 m高程以下的部分永久工程项目，包括沉井、钻孔灌注桩、挡土墙、抛石护岸等。

一期导流(第2年1月—第3年1月)：第2年1月右河汊截流，利用枯水时段中后期修筑右河汊施工围堰，形成右岸基坑，进行船闸、厂房、12孔泄洪闸及右岸的连接坝段施工，洪水由疏浚后的左河汊泄流，并利用左河汉解决一期施工期间的通航问题。第3年1月前拆除右岸围堰。

二期导流(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，进行左岸10孔泄洪闸和相邻连接坝段的施工，洪水则由右岸已建成的12孔泄洪闸渲泄，船只由已建成的右岸船闸通航。

第4年4月拆除二期围堰，洪水由22孔泄洪闸导流。

3.2.3左河汊(二期)截流设计

本工程的左河汊截流难度相对较大，截流设计叙述如下。

1)截流设计标准

根据《水利水电工程施工组织设计规范》(SL 303—2017)[3]的规定：“截流标准可采用截流时段重现期5～10 a的月或旬平均流量”，据此，本工程采用5年一遇的旬平均流量作为截流设计流量。

根据现场工程进度安排，左河汊截流安排在2006年9月中旬进行，相应5年一遇平均流量Q=1 041 m3/s，河道下游水位为2.70 m，截流合拢后上游水位为5.60 m，截流最大落差Zmax=5.60-2.70=2.90 m。

2)截流方式的选择

左河汊实施截流时，洪水由右河汊12孔泄洪闸泄流。根据一期施工导流形成的场地布置和施工道路条件，截流施工采用自右岸向左岸单戗立堵进占的截流方案。左河汊截流之初，需对左河汊左侧边坡与二期上游横向围堰相接处位置进行裹头妥善保护。

本工程的截流方式选定为“平抛护底、单戗立堵”。

3)截流水力计算

左河汊截流边界条件、电算主要成果见表2，龙口水力特性曲线见图4，戗堤进占分区见图5，戗堤横剖面见图6。

图5 戗堤进占分区示意(单位：高程m，尺寸mm)

图6 戗堤横剖面示意(单位：高程m，尺寸mm)

表2 左河汊截流特性

图4 龙口水力特性曲线示意

3.2.4现场实践

现场截流施工布署以设计图为依据，截流于2006年9月7日顺利实施。

戗堤抛投采用28～35 t重型自卸汽车运输，现场抛投，戗堤前沿选用239 kW重型推土机推料。现场截流施工还使用了砼预制块五面体，砼块单体重量约8.0 t，采用4 m3单斗挖掘机吊放就位。

4 结语

1)笔者将《施工截流与基坑排水》[1]中的落差比Z/Zmax修正为(Z+Hc)/(Zmax+Hc)、原分流公式Qf=(Z/Zmax)nQ0修正为Qf=[(Z+Hc)/(Zmax+Hc)]nQ0，扩大了截流水力学计算的应用范围。

2)关于泄流指数n的取值，经多宗工程的截流设计实践认为：不能简单地认为隧洞、涵洞分流时n=0.5，明渠分流时n=1.5，而应根据分流建筑物的泄流流量Qf、上游水位H的关系，推导出Qf～(Z+Hc)/(Zmax+Hc)的函数关系，得出泄流指数n。

3)所编制的单戗立堵截流的电算程序，计算结果合理可靠。但程序未考虑戗堤渗漏及上游河道的调蓄作用，计算结果偏于安全，可作为截流设计的安全裕度。

4)电算程序经广东省的东江水利枢纽、西枝江惠东水利枢纽、潮州供水枢纽等多宗水利工程的截流实践，设计成果与现场施工情况吻合较好，取得了满意的效果。