斗门水库工程导截流控制关键技术研究

王清峰，靳 恒，郑敏哲，张恒强，杨 帆

（中国水电建设集团十五工程局有限公司,陕西 西安 710065）

1 工程概况

斗门水库工程为Ⅲ等中型平原水库工程,水库总库容5052 万m3,库区总面积10.4 km2,库周总长14.9 km,枢纽工程大坝为拦河气盾坝,为3 级建筑物设计等级。气盾坝底板设计高程为397.50 m,坝顶设计高程401.30 m,坝高3.8 m。

2 水文地质

（1）径流与洪水

由《西安市实用水文手册》“西安市多年平均年径流深等值线图”查得区间径流深为50 mm,计算得到区间多年平均年径流量为0.0275 亿m3。将与该水库相邻的两个水文站之间的年径流加区间径流,计算得到工程断面多年平均径流量为4.122 亿m3。

此外,这两个水文站实测洪水过程采用合成流量法、再另外选取相邻的两个水文站为参证站采用水文比拟法计算设计洪水,综合分析,确定计算断面的洪水成果采用合成流量法计算成果,见表1。（2）地质条件

表1 工程断面洪水计算成果表

工程区所处地貌单元为秦岭北麓近山前冲积平原。工程区出露地层岩性主要为第四系（Q）上更新统风积黄土及第四系全新统冲洪积、冲积堆积的松散堆积物,其中渭河二级阶地上部为上更新统风积黄土构成,全新统冲洪积、冲积堆积主要分布于河流阶地及河漫滩。据勘探揭露,库坝区地层自上而下分别见图1。

图1 地质断面图

3 施工导流设计总体思路

根据施工进度计划总体目标,沣河拦河枢纽工程需在导流前完成的施工流程为：①修建沣河分洪闸,使其具备过流条件；②修建导流明渠,使其具备过流条件；③导流为在12 月中旬枯水期由上游戗堤挡水,使沣河上游水流通过分洪闸进入导流渠排入沣河下游；④修建沣河上游围堰；⑤修建沣河下游围堰,最终完成围堰填筑施工,围堰具备拦挡5 年一遇洪水标准；⑥截断沣河后,右岸利用分洪闸交通桥连接施工道路进行右岸施工,左岸利用乡道连接左岸河堤段施工道路进行施工。施工导流平面布置图见图2,施工导流平面效果图见图3。

图2 施工导流平面布置图

图3 施工导流平面示意图

4 截流设计

4.1 截流方式

选用单戗单向立堵的截流方案,即上游戗堤由右岸向左岸预进占至河道左岸束窄原河床,预留15 m 作为龙口停止进占,截流合龙时采用单戗堤单向从右至左岸截流合拢。

4.2 截流水力计算

4.2.1计算条件

斗门水库截流水力计算条件见表2。

表2 截流水力计算条件

分洪闸的水位及流量的关系见表3。

表3 分洪闸流量与水位关系高程表

4.2.2流态的判定方法

宽顶堰自由出流与淹没出流的判定方法见表4。

表4 龙口流态判定表

4.2.3龙口的水力计算

（1）三角堰流龙口宽度的判定

当戗堤截流进占到一定距离2L时,中间龙口成为三角形,形成三角堰。

式中：H为戗堤高度,m；I为为龙口轴线处两侧坡比,1.5；L为形成三角堰的龙口宽度的一半,m。

经计算龙口宽度2L=2×7.0×1.5=21 m,在21 m 时,龙口呈三角形,大于21 m 时,龙口呈梯形。

（2）龙口为梯形断面时流态判定计算

在龙口为梯形断面hs=0.8H0时,即H0=hk=1.8 m 时为淹没流与非淹没（自由流）流的分界,根据堰流流量公式计算龙口平均水面宽度：

式中：Q为龙口过流流量,38.5m3/s； 为淹没系数,取1.0；m为考虑侧收缩的流量系数,取0.32；b为龙口水面平均宽度,m；H0为包含行进流速的上游水深,取1.8 m。

经计算b=11.15 m,按照龙口平均水面宽度b=11.15 m 计算出龙口宽度为20.35 m,说明当龙口宽度不小于20.35 m 时hs≥0.8H0为淹没流,当龙口宽度小于20.35 m 时为自由流。

（3）龙口为三角形断面时流态判定计算

根据上面对三角堰龙口宽度的计算,龙口形成三角堰时为自由流流态。

（4）龙口流速计算

龙口平均流速按照下式试算：

式中：H0为龙口上游行进水头,m；hc为龙口收缩断面水深,m；a为取1.1；v 为龙口平均流速,m/s；Q为龙口流量,m3/s；b为龙口水流平均宽度,m。

最终水力计算成果见表5。

表5 龙口水力计算结果

4.2.4截流抛投料粒径选择计算

根据单戗立堵截流的特点及截流龙口水力计算结果,将截流分为预进占时段、龙口形成三角堰前时段及龙口形成三角堰后直至全部合龙三个时段,其龙口进占至三角堰后龙口流速最大,是截流最困难时段。

抛投料粒径大小根据下式进行计算：

式中：V为流速；k为稳定系数,立堵截流块石取0.9；r1为块石容重,取2.60 t/m3；r为水容重,取1 t/m3；d为块石化引直径,m。

将截流各时段最大流速代入上式计算出截流合龙形成三角堰前和形成三角堰后两个时段抛投块石最大粒径分别为0.49 m 和0.57 m。

4.2.5围堰设计

明槽梯形断面水力要素的计算公式如下：

式中：b为梯形断面底宽（本次计算取分洪闸过水宽度15m）；m为梯形断面边坡系数（分洪闸边坡系数为0）；h为过闸水深。

工程断面附近无水位流量观测资料,本次分洪闸过流水位采用曼宁公式进行计算。式中：Q为流量,m3/s；n为河道糙率（人工渠道糙率0.014）；R为水力半径,m；i为水力坡降（0.25‰）；A为过水断面面积,m2。

安全超高取1.7 m,波浪爬高不考虑。

由以上参数代入曼宁公式,采用试算法可对围堰参数进行堰顶高程计算。

最终计算分洪闸过流水深为3.32 m,分洪闸底板高程398.00 m,故堰顶高程为402.76 m。

4.3 关键施工工艺

4.3.1导流明渠施工

导流渠全长160 m,过流断面面积为：114 m2,左右岸边坡坡比1∶1.5,坡面及底板采用0.2 m 厚C20 素混凝土防护,斜坡面与底板交叉坡脚设0.4 m×0.5 m 混凝土挡墙,稳固坡面混凝土,渠道坡降3‰,渠顶左右岸设6 m 宽0.5 m 厚泥结碎石防汛路,导流明渠横剖面图见图4。

图4 导流明渠横剖面

（1）导流明渠开挖

分洪工程导流明渠底宽10 m,坡比1∶1.5,明渠施工与分洪闸施工同步进行,采用1.6 m3液压挖掘挖、装,20 t 自卸汽车运输,就近临时堆存。

（2）渠底及边坡防护

导流明渠渠底及坡面采用0.2 m 厚C20 素混凝土防护,8 m3混凝土罐车运输商品混凝土至施工现场,人工配合混凝土汽车泵进行分仓、错缝浇筑施工,缝内填充2 cm 厚闭孔泡沫板,板顶灌注3 cm 厚乳化沥青灌封防渗处理。

（3）渠道填筑

气盾坝施工完成,依次拆除上下游围堰,拆除导流明渠衬砌混凝土,拆除渣土、混凝土等建筑垃圾清运至下游渣场,然后采用土质较好土料分层回填导流明渠至原设计高程,导流明渠回填压实度按照设计图纸要求执行。

4.3.2围堰施工

（1）戗堤进占施工

戗堤原河床预进占先回填粘土斜墙下游回填料,再依次回填粘土斜墙及上游护坡石施工,每层回填厚度不超过50 cm,采用20 t 自行式振动碾碾压6～8 遍。采用此方法回填直到堤顶400.4 m 高程。回填上游坡比1∶2,下游坡比1∶1.5。之后利用戗堤形成的工作面向堰体迎水面倾倒粘土,粘土选择料场上较好的黄土。粘土倾倒完成后,挖掘机在围堰迎水面对粘土斜坡面进行压实作业,并随后挖装块石向迎水面铺设1 m厚块石进行护脚和护坡的施工。

（2）截流施工

截流施工时直接由自卸汽车运输至工作面向水下端抛,卸料后用装载机配合向水中推料,同时平整施工工作面,利用振动碾进行压实,以便于设备运行,靠近岸坡部位均以较细的石碴料铺筑,边坡坡比采用1.2 m3液压挖机修整至设计边坡。

（3）围堰填筑施工

堰体填筑采用进占法施工,遵循先粗后细、全断面均衡上升的原则。堰体填筑过程中,各道工序摊铺、碾压、检验等工艺及标准均按土石坝的标准来实施,确保围堰填筑质量与安全度汛。

5 结语

作为重要的水利工程,分洪枢纽工程在国家的经济发展和生产安全中有举足轻重的地方。斗门水库工程为引汉济渭输配水工程的调蓄水库,是以城市供水、改善生态环境为主,兼顾防洪等综合利用的平原水库。通过现场试验、理论分析以及现场监测等多种手段结合,制定切实可行的工程导截流施工方案,总结导截流关键施工技术,该技术可应用至类似项目工程中,可以节约资金,具有显著的经济性和社会效益。