穿河倒虹吸大型工程施工導(dǎo)流方案優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

【摘要】根據(jù)相應(yīng)施工防洪標(biāo)準(zhǔn)，對河床水流和明渠水流進(jìn)行正確的分析計(jì)算，確定導(dǎo)流渠（或束窄河床）最佳過水?dāng)嗝娉叽?，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，多方案對比論證，修正明渠斷面，最終可確定經(jīng)濟(jì)適用導(dǎo)流渠斷面及擋水圍堰高程，既能滿足防洪安全要求，又充分利用了現(xiàn)場條件，可降低工程成本，且效果明顯。

【關(guān)鍵詞】穿河，大型工程，施工導(dǎo)流，方案優(yōu)化。

一、引言

施工導(dǎo)流的方案的優(yōu)劣，對工程能否順利施工，達(dá)到預(yù)期的目的有很大的關(guān)系，因此，施工導(dǎo)流方案應(yīng)反映出適應(yīng)施工條件的能力和滿足工程設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度及施工方法、施工場地布置以及工程造價要求的程度。

二、工程簡介

本工程案例為南水北調(diào)中線干渠穿越瀑河倒虹吸大型工程，該工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用招標(biāo)文件規(guī)定，設(shè)計(jì)洪水采用枯水期（9月1日～次年6月30日）5年一遇標(biāo)準(zhǔn)，確定導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量為14.0m3/s，設(shè)計(jì)水位為54.01m。

度汛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用招標(biāo)文件規(guī)定：20年一遇洪水，設(shè)計(jì)洪峰流量為1034m3/s，設(shè)計(jì)水位57.57m。

A河主河床寬30～50m，河床底高程52.8～54.2m，左岸一級階地高出河床2～3m，地面高程58.5～60.0m，二級階地前緣高出河床約3～5m，地面高程58.5～60.0m，呈陡坎狀，右岸廣泛分布黃土狀壤土，沖溝較為發(fā)育，溝寬一般15～35m，深2～5m，局部出現(xiàn)巖質(zhì)孤丘。

三、導(dǎo)流施工總體規(guī)劃

本工程跨越2個汛期，為保證工程質(zhì)量和安全，根據(jù)工程布置、地形、地貌和水文條件，采用分期施工導(dǎo)流方式，I期Ⅱ期選定枯水期施工、汛期停工撤場的施工方案。

第一個枯水期（2006年汛期前）進(jìn)行出口側(cè)施工，由于本期施工段坐落于二級階地上，地面高程58.5～60.0m，高于枯水期5年一遇標(biāo)準(zhǔn)防洪設(shè)計(jì)水位（54.01m）4.49～5.99m，不需導(dǎo)流。

第二個枯水期（2006年汛后～2007年汛前）進(jìn)行進(jìn)口側(cè)施工，選定枯水期全斷面圍堰擋水?dāng)嗔鞑㈤_挖導(dǎo)流明渠進(jìn)行導(dǎo)流施工，明渠位置見瀑河渠道倒虹吸施工平面布置圖，進(jìn)口渠底高程為53m。明渠總長870m，渠底縱坡坡降采用i=1.5‰。

3.1導(dǎo)流明渠方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1二期施工導(dǎo)流明渠斷面設(shè)計(jì)

（1）梯形斷面明渠水力最佳斷面水深計(jì)算

水力最佳斷面指斷面面積一定而通過流量最大的斷面。

最佳斷面水深 m'=2

Q——流量，取14.0m3/s；n——糙率；取0.03；m——邊坡系數(shù)，取1.5；i——渠底比降，設(shè)為1.5‰。

求得最佳斷面水深h0=2.2m

（2）梯形明渠水力最佳斷面計(jì)算

梯形明渠水力最佳斷面寬深比為：

求得梯形明渠水力最佳斷面底寬為b0=β*h0=1.33m

（3）梯形明渠實(shí)用斷面計(jì)算

為充分利用現(xiàn)場條件，降低工程造價，可對明渠斷面面積進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝孑^水力最佳斷面面積減小2%至增加4%時，導(dǎo)流流速在增加2%至減少4%范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)仍可認(rèn)為基本符合水力最佳條件。

當(dāng)流量Q、明渠底坡縱坡坡降i、糙率n及邊坡系數(shù)m為定值時，某一斷面與水力最佳斷面之間的關(guān)系為：

式中a——表示實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面對水力最佳斷面偏離程度的系數(shù)，一般采用1.00～1.04；

h0、A0、R0、v0、——分別為最佳水力斷面的水深、過水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑、流速；

h、A、R、v、——分別為實(shí)用斷面的水深、過水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑、流速；

擬定a=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04，根據(jù)以上公式分別求出五組h、b、v值如下：

根據(jù)上表繪制渠道水力參數(shù)底寬（m）、水深（m）、流速（m/s）與偏離系數(shù)a的關(guān)系曲線如下：

由于明渠布置在左岸二級階地上，主渠段需開挖深度為5m左右，如渠底太寬，開挖量較大，如渠底太窄，將造成水深加大，則會相應(yīng)加大上游圍堰填筑方量，綜合考慮挖填方工程造價，并分析施工現(xiàn)場右側(cè)二級階地（或主河床右岸）高程為56.5m，考慮圍堰安全超高等因素，確定采用渠底寬度為4.5m，渠內(nèi)正常水深為1.5m，渠水流速為0.97m/s。開挖工程量和圍堰填筑工程量都較低，渠內(nèi)水流流速符合防沖要求。

3.1.2 明渠沖刷防護(hù)措施

分期導(dǎo)流的河水，從明渠入口起水流流速急劇增加，可能淘刷渠底及渠坡。經(jīng)以上計(jì)算確定明渠通過設(shè)計(jì)洪水流量時水流流速為1.36m/s，利用現(xiàn)場基坑施工挖出的卵石（粒徑20～70mm）對渠底和渠坡進(jìn)行防護(hù)，可抵抗流速為1.5m/s以上的流水沖刷。

3.2上下游圍堰及縱向圍堰

1、上游橫向段圍堰

上游壅高水深計(jì)算

緩坡明渠近似計(jì)算按淹沒寬頂堰公式

式中Z——上游壅高水深（m）； ——明渠進(jìn)口流速系數(shù)，和進(jìn)口條件有關(guān)，梯形斷面一般為0.8～0.85，此處取0.80；v——明渠進(jìn)口斷面水流速，此處為1.36m/s；v0——原河道河水行近流速，根據(jù)招標(biāo)文件提供條件可計(jì)算為v0=Q/A=14÷[（54.01-53）×40]=0.35m/s；g=9.8。求得上游壅高水深Z=0.14m。

2、下游橫向段圍堰

下游橫向段圍堰堰頂高程

按原河水水位54.01m加0.8m安全超高確定下游橫向段圍堰頂高程為54.81m，考慮堰體沉降裕度，實(shí)際采用堰頂高程為55m（低于主河床右側(cè)岸堤30cm）。

四、 結(jié)語

以上實(shí)例的施工導(dǎo)流方案優(yōu)化設(shè)計(jì)過程可供平原地區(qū)中小型穿河（渠）建筑物施工導(dǎo)流施工提供參考。

參考文獻(xiàn)及標(biāo)準(zhǔn)：

[1]全國水利水電施工技術(shù)信息網(wǎng)，《水利水電工程施工手冊》，北京，中國電力出版社，2005.3

[2]SDJ338——89《水利水電施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》

作者簡介：李榮義（1973—），男，河北行唐人，高級工程師、注冊造價師、注冊一級建造師，長期從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用及施工管理工作。