某水利工程施工導(dǎo)流分析

程 偉,張思遠(yuǎn)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

某水利工程施工導(dǎo)流分析

程 偉,張思遠(yuǎn)

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng) 550002)

工程建設(shè)內(nèi)容包括水源樞紐工程和輸水工程。水源樞紐工程由混凝土面板堆石壩(主壩)、右岸無(wú)閘控制岸邊開(kāi)敞式溢洪道、右岸放空兼導(dǎo)流洞、右岸取水隧洞、黃沙漕沖溝副壩及排洪洞組成。根據(jù)工程特點(diǎn)、導(dǎo)截流條件選取合理的導(dǎo)流方案，依照選取的導(dǎo)流方案進(jìn)行詳細(xì)的導(dǎo)截流設(shè)計(jì)

水利工程；樞紐；施工導(dǎo)流；設(shè)計(jì)與施工

1 工程簡(jiǎn)述

工程建設(shè)內(nèi)容包括水源樞紐工程和輸水工程。水源樞紐工程由混凝土面板堆石壩(主壩)、右岸無(wú)閘控制岸邊開(kāi)敞式溢洪道、右岸放空兼導(dǎo)流洞、右岸取水隧洞、黃沙漕沖溝副壩及排洪洞組成。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。

擋水建筑物為碾壓混凝土重力壩，最大壩高82.79m，壩底最大寬度70.434m，壩頂總長(zhǎng)度284.372m，共分3個(gè)壩段。

右岸擋水壩段長(zhǎng)155.665m，壩頂寬8m，上游壩面垂直，下游壩坡為1:0.75，起坡點(diǎn)高程為664.5m。左岸擋水壩段長(zhǎng)度90.707m，壩體剖面尺寸與右岸擋水壩段相同。

河床溢流壩段長(zhǎng)為38m，共布置3孔開(kāi)敞式溢洪道表孔，堰頂高程655m，最大下泄流量3720m3/s。每孔設(shè)有9m×15m(寬×高)的弧形工作閘門，弧形閘門前均設(shè)置有檢修門槽，3個(gè)表孔共用一扇9m×10m平板檢修閘門，右壩頂移動(dòng)式臺(tái)車啟閉。表孔之間的中墩厚3.0m，邊墩厚2.5m。溢流堰面按WES型剖面設(shè)計(jì)，其直線段的坡比為10.75，出口采用挑流消能，鼻坎反弧半徑30m，挑角25°，坎頂高程620m。

2 導(dǎo)流條件

2.1 洪水特性

壩址控制流域面積2341km2，根據(jù)惠水縣水文站43年的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均流量17.6m3/s，實(shí)測(cè)最大、最小流量分別為28.8m3/s和9.9m3/s。5-10月份為洪水期，其中6-7月份為主汛期，年最大洪水一般多在該時(shí)期出現(xiàn)。洪水由暴雨形成。洪峰一般多呈雙峰形，一次洪水過(guò)程約3-4d。11月-次年4月份為枯水期。

2.2 地形地質(zhì)特點(diǎn)

壩址位于董王鄉(xiāng)下油煎村的順直河段，兩岸山體雄厚，山頂與河底高程差達(dá)360余m。 壩址河床較窄，常水位河面寬22m，水深1-4m，主流偏于右岸。左側(cè)山體順直、右岸680m高程以下有一突出山體，地形較適合全段圍堰隧洞導(dǎo)流方式。

壩址地層巖性為中厚層燧石團(tuán)塊灰?guī)r及硅質(zhì)條帶灰?guī)r，偶夾碳質(zhì)泥巖及煤透鏡體，巖層走向與河流近平行，傾向左岸，傾角32°。河床覆蓋層厚一般為4-7m，最深8m，覆蓋層透水率大。

導(dǎo)流隧洞沿線圍巖主要為二疊系上統(tǒng)吳家坪組第二段淺灰至灰色中厚層燧石團(tuán)塊灰?guī)r及硅質(zhì)條帶灰?guī)r，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，洞身段圍巖為Ⅲ類圍巖，進(jìn)出口為Ⅳ類圍巖。

3 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

本工程為Ⅲ等工程，主體建筑物為3級(jí)。按SL303-2004《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，導(dǎo)流建筑物為5級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)采用土石圍堰時(shí)，重現(xiàn)期為5-10a一遇，當(dāng)采用混凝土圍堰時(shí)，重現(xiàn)期為3-5a一遇。本工程采用土石圍堰，考慮到本工程屬于中型工程，選用5a一遇(P=20%)洪水設(shè)計(jì)。

由于電站基礎(chǔ)開(kāi)挖較深，基坑內(nèi)回填混凝土工程量較大，為適當(dāng)延長(zhǎng)基坑內(nèi)施工時(shí)間，爭(zhēng)取工期以便安全度汛，經(jīng)分析比較，選定施工設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量，即導(dǎo)流時(shí)段為11月-次年4月，相應(yīng)流量287m3/s。渡汛標(biāo)準(zhǔn)選用10a一遇(P=10%)的全年洪水，相應(yīng)流量為1730 m3/s。

4 導(dǎo)流方式選擇

4.1 導(dǎo)流方式選擇

根據(jù)地形地質(zhì)條件，水文特性及工程總體布置，施工導(dǎo)流研究了全段圍堰左岸隧洞導(dǎo)流、全段圍堰右岸隧洞導(dǎo)流等共3個(gè)方案，各方案的比較指標(biāo)見(jiàn)表1，各方案分述如下：

1)方案1：采用全段圍堰隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流洞位于左岸，隧洞進(jìn)口高程610.00m，出口高程606m，長(zhǎng)度218.64m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為5.5m×6.5m，底坡1.829%。上游圍堰導(dǎo)流時(shí)段擋水水位621.25m，上游圍堰采用碾壓混凝土重力圍堰，堰頂長(zhǎng)77.347m，堰頂高程621.55m，最大堰高15.05m，堰頂寬4.5m，堰底寬13.775m，下游邊坡1∶0.7，堰基采用；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長(zhǎng)度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎(chǔ)及堰體防滲采用高噴灌漿。在上游圍堰堰前采用土石子圍堰擋水，以保證上游圍堰在干地施工，上游子圍堰堰頂高程616.00m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.5，堰頂寬3 m，堰頂長(zhǎng)45.686m。本方案導(dǎo)流洞布置于大壩左岸，導(dǎo)流期間不制約基坑土石方開(kāi)挖出渣及上壩澆筑混凝土運(yùn)輸，但與發(fā)電引水隧洞進(jìn)水口相距較近，施工時(shí)受其干擾較大，同時(shí)進(jìn)口段地質(zhì)條件較差，土石方開(kāi)挖量較大。

2)方案2：采用全段圍堰隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流洞位于右岸，隧洞進(jìn)口高程612.00m，出口高程606m，長(zhǎng)度271.714m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為5.2m×6m，底坡2.208%。上游圍堰導(dǎo)流時(shí)段擋水水位621.330m，上游圍堰采用土石過(guò)水圍堰，堰頂長(zhǎng)77.333m，堰頂高程621.830m，最大堰高11.8m，堰頂寬4.5m，迎水面坡比1：2.2，背水面坡比1：2.5，堰基及堰體采用高噴板樁防滲，迎水面及背水面均采用鋼筋石籠護(hù)坡；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長(zhǎng)度36.099m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎(chǔ)及堰體防滲采用高噴灌漿。本方案布置于大壩右岸，導(dǎo)流期間為滿足基坑土石方開(kāi)挖出渣及上壩澆筑混凝土運(yùn)輸，需在導(dǎo)流洞出口修建臨時(shí)交通橋，但隧洞進(jìn)出口沒(méi)有其他建筑物，進(jìn)出口段地質(zhì)條件較好，土石方開(kāi)挖量較小。

3)方案3：采用全段圍堰隧洞導(dǎo)流方式，導(dǎo)流洞位于右岸，隧洞進(jìn)口高程610.00m，出口高程606m，長(zhǎng)度186.739m，斷面為城門洞形，斷面尺寸為4.8m×7.2m，底坡2.142%。上游圍堰導(dǎo)流時(shí)段擋水水位621.075m，上游圍堰采用碾壓混凝土重力圍堰，堰頂長(zhǎng)78.626m，堰頂高程621.375m，最大堰高16.252m，堰頂寬4.5m，堰底寬12.451m，下游邊坡1∶0.6，堰基采用防滲帷幕防滲；下游圍堰擋水水位608.885m，采用土石圍堰，堰頂高程609.385m，堰頂長(zhǎng)度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m，基礎(chǔ)及堰體防滲采用高噴灌漿。在上游圍堰堰前采用土石子圍堰擋水，以保證上游圍堰在干地施工，上游子圍堰堰頂高程616.00m，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡比1∶1.5，堰頂寬3 m，堰頂長(zhǎng)56.266m。本方案導(dǎo)流洞布置于右岸，導(dǎo)流期間為滿足基坑土石方開(kāi)挖出渣及上壩澆筑混凝土運(yùn)輸，需在導(dǎo)流洞出口修建臨時(shí)交通橋，隧洞出口段地質(zhì)條件較好，但進(jìn)口位于崩塌堆積體范圍內(nèi)，地質(zhì)條件較差，土石方開(kāi)挖量較大，進(jìn)出口沒(méi)有其他建筑物相鄰。

表1 各方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

續(xù)表1 各方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表

從上述3個(gè)方案中方案1投資大于方案2、3，但方案3進(jìn)口位于崩塌堆積體下端，開(kāi)挖后易引起崩塌堆積體下滑，因此雖然方案2比方案3投資略高，但考慮技術(shù)等綜合比較，選定方案2為推薦導(dǎo)流方案。

4.2 導(dǎo)流水力計(jì)算

1)泄流能力計(jì)算：

首先假設(shè)隧洞的流態(tài)為有壓流。

根據(jù)下泄流量查《壩址水位流量關(guān)系曲線》，得相應(yīng)下游水位為608.885m，而隧洞出口斷面頂高層為612.0m，因此隧洞為自由出流。

有壓自由出流泄流公式(底坡i沿程不變時(shí))：

(1)

式中：Q為泄流量，Q=287m3/s；Ad為隧洞出口過(guò)水?dāng)嗝娣e，全斷面過(guò)流時(shí)，Ad=28.495m2；H0為進(jìn)口底板以上水位與行進(jìn)流速水頭之和，為待求值，m；i為隧洞底坡，i=2.208%；l為隧洞長(zhǎng)度，l=271.714m；hp為出口底板以上的計(jì)算水深，hp=ηd；d為隧洞出口洞高，d=6m；η為系數(shù)，根據(jù)出口水流情況：出口有頂托，側(cè)墻不約束，查《水利水電施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)》第一分冊(cè)施工規(guī)劃(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)表2-5-33得η=0.7；故hp= 4.2m。u為流量系數(shù)，自由出流且管道斷面沿程不變化，因此計(jì)算公式為：

(2)

式中：l為管道長(zhǎng)度，271.714m；Ad為管道斷面積，28.495m2;ξi為某局部能量損失系數(shù)；進(jìn)口為圓角，則由《手冊(cè)》表2-5-20選取ξ1=0.2；進(jìn)口閘門槽：閘門為平板門，由《手冊(cè)》表2-5-20選取ξ2=0.1；進(jìn)口平面轉(zhuǎn)彎段寬度為b=5.2m，轉(zhuǎn)彎半徑為R=28m，轉(zhuǎn)角為θ=60°，由《手冊(cè)》表2-5-20選取ξ3=0.101；出口平面轉(zhuǎn)彎段寬度為b=5.2m，轉(zhuǎn)彎半徑為R=90m，轉(zhuǎn)角為θ=47.08°，由《手冊(cè)》表2-5-20選取ξ4=0.09。則∑ζi=0.491。

經(jīng)過(guò)計(jì)算的流量系數(shù)u=0.682

根據(jù)已知條件：流量Q、流量系數(shù)u、出口過(guò)水?dāng)嗝娣eAd、底坡i、隧洞總長(zhǎng)l、出口底板以上計(jì)算水深hp，可用公式：

(3)

計(jì)算H0。則當(dāng)下泄流量為Q=287m3/s時(shí)，有H0=9.33m。

2)圍堰擋水水位確定：

根據(jù)計(jì)算，得上游圍堰擋水水位為621.33m，下游圍堰擋水水位為608.883m。

5 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

5.1 導(dǎo)流擋水建筑物設(shè)計(jì)

1)上游圍堰設(shè)計(jì)：

上游圍堰位于大壩壩址所在河段的陡灘上，河床崩塌砂卵石層厚8-9m，強(qiáng)風(fēng)化層厚4-5m，左岸殘坡積層厚1-3m，強(qiáng)風(fēng)化層厚5-6m；右岸基巖裸露，強(qiáng)風(fēng)化層5-7m。堰基巖石為二迭系上統(tǒng)吳家坪組中厚層燧石團(tuán)塊灰?guī)r和硅質(zhì)條帶灰?guī)r，構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要為單斜構(gòu)造，巖層傾左岸，巖層產(chǎn)狀變化不大。砂卵石層透水性大。

圍堰型式考慮土石圍堰和碾壓混凝土圍堰進(jìn)行比較。圍堰基礎(chǔ)砂卵石層厚度達(dá)8-9m，若為碾壓混凝土重力圍堰，則須將約9m深的砂卵石清除，再將強(qiáng)風(fēng)化層挖除2m，因此上游圍堰高度將達(dá)到23.672m，并結(jié)合大壩填筑強(qiáng)度考慮，選定上游圍堰型式土石圍堰過(guò)水圍堰。具體設(shè)計(jì)如下：

土石圍堰堰頂高程為621.830m，堰頂長(zhǎng)77.333m，最大堰高11.830m，堰頂寬4.5m，迎水面坡比1∶2.2，背水面坡比1∶2，堰基及堰體采用高噴板樁防滲，高噴板樁深入基巖0.5m，迎水面及背水面均采用鋼筋石籠護(hù)坡，厚度1m。頂部用C15混凝土防沖，厚度1m。

2)下游圍堰設(shè)計(jì)：

下游圍堰所處河床砂卵石層厚0-4m，強(qiáng)風(fēng)化層4-5m，左岸殘坡積黏土夾碎石層厚1-3m，強(qiáng)風(fēng)化層厚5-6m；右岸基巖裸露，強(qiáng)風(fēng)化層5-7m。堰基巖石為二迭系上統(tǒng)吳家坪組中厚層燧石團(tuán)塊灰?guī)r和硅質(zhì)條帶灰?guī)r，構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要為單斜構(gòu)造，巖層傾左岸，巖層產(chǎn)狀變化不大。砂卵石層透水性大。

下游圍堰只在第一個(gè)枯水期中使用，因此采用土石圍堰。下游圍堰擋水水位608.885m，堰頂高程609.385m，堰頂長(zhǎng)度38.024m，迎水面坡比1∶2，背水面坡比1∶1.75，堰頂寬度4.5m。在高程608.0m形成截流戧堤，戧堤頂寬3m?；A(chǔ)及堰體采用高噴灌漿防滲。

5.2 導(dǎo)流泄水建筑物設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為612.000m，出口高程為606.000m。隧洞洞長(zhǎng)為264.016m，其中洞0+000-洞0+035.350段為進(jìn)口直線段；洞0+035.350-洞0+064.672段為進(jìn)口轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑28.0m，轉(zhuǎn)彎角度60°；洞0+064.672-洞0+154.559為中間直線段；洞0+154.559-洞0+228.515為出口轉(zhuǎn)彎段，轉(zhuǎn)彎半徑為90.0m，轉(zhuǎn)彎角度為47.08°；洞0+228.515-洞0+271.714段為出口直線段。導(dǎo)流隧洞斷面經(jīng)過(guò)比較選用城門洞形，斷面尺寸5.2m×6m，底寬5.2m，邊墻高度為4m，頂拱為圓弧拱，半徑為2.69m。C20混凝土襯砌厚度為40cm。

6 導(dǎo)流工程施工

6.1 擋水圍堰施工

本工程上下游圍堰均為土石圍堰，其土石填筑量為21166m3，鋼筋石籠護(hù)坡為2883m3，C15混凝土485 m3，高噴灌漿防滲板樁為928m，下游圍堰拆除為4569 m3。

圍堰填筑土石料考慮利用導(dǎo)流洞開(kāi)挖的洞渣和部分壩肩開(kāi)挖料。在圍堰施工時(shí)，須先進(jìn)行截流戧堤的施工。用1 m3挖掘機(jī)在臨時(shí)堆渣場(chǎng)挖裝石渣，10t自卸汽車運(yùn)輸至龍口，推土機(jī)平倉(cāng)，振動(dòng)碾碾壓密實(shí)?；炷翝沧r(shí)，用10t自卸汽車運(yùn)輸入倉(cāng)，人工持插入式振搗棒振搗密實(shí)。

高噴防滲板樁采用150型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，三管法灌漿，水氣嘴為雙向水平兩嘴噴射方式，臺(tái)車為齒輪變速箱、卷?yè)P(yáng)機(jī)提升裝置。灌漿材料選用由425#普通硅酸鹽純水泥漿液。

鋼筋石籠用人工綁扎好，用10t自卸汽車運(yùn)輸至倉(cāng)面，汽車吊調(diào)運(yùn)至圍堰坡面堆砌；下游圍堰護(hù)坡塊石采用10t自卸汽車運(yùn)輸至倉(cāng)面，人工砌筑。

下游圍堰的拆除采用1m3挖掘機(jī)挖裝，10t自卸汽車運(yùn)輸出渣，經(jīng)基坑公路、上壩公路、料場(chǎng)公路運(yùn)至1號(hào)棄渣場(chǎng)堆放，運(yùn)距4.8km。

6.2 導(dǎo)流隧洞施工

隧洞進(jìn)出口覆蓋層采用1m3挖掘機(jī)開(kāi)挖，10t自卸汽車運(yùn)輸出渣。石方明挖采用手風(fēng)鉆鉆爆，1m3挖掘機(jī)配合10t自卸汽車運(yùn)輸出渣。由于導(dǎo)流隧洞施工時(shí)，河水位可能高于進(jìn)出口明渠底板高程，因此在進(jìn)出口明渠靠近河邊留5m長(zhǎng)一段先不開(kāi)挖，待隧洞施工完畢后，截流前再將其挖除。

石方洞挖從進(jìn)出口兩個(gè)工作面同步進(jìn)行施工。隧洞最大開(kāi)挖斷面積為35.58m2，施工時(shí)采用自制架子車配合氣腿風(fēng)鉆鉆孔、周邊光爆的一次成型的全斷面開(kāi)挖方法，由于隧洞較短，工程量不大，隧洞開(kāi)挖裝碴采用1m3挖掘機(jī)裝碴，10t自卸車運(yùn)輸出渣。

隧洞施工時(shí)，對(duì)局部巖溶發(fā)育洞段，須及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，并及時(shí)用混凝土回填。

混凝土襯砌采用簡(jiǎn)易鋼模臺(tái)車。10t 自卸汽車運(yùn)輸混凝土至洞口，用混凝土泵送至澆筑倉(cāng)面，附著式振搗棒振搗密實(shí)。

7 截 流

截流為的5a一遇的旬平均流量為15.6m3/s。

截流采取立堵法，截流戧堤自左岸向右岸進(jìn)占，從龍口左端向河床中間填筑石渣料進(jìn)占，束窄河床，直至全部攔斷河床。截流龍口設(shè)在導(dǎo)流洞進(jìn)口下游20m處的左岸，預(yù)留龍口寬度5m。待截流戧堤形成后，須迅速在戧堤背水面培厚，直至設(shè)計(jì)斷面尺寸。

8 基坑排水

當(dāng)上下游圍堰形成后，須將基坑內(nèi)的水排除，以形成干地施工。初期排水設(shè)備選用2臺(tái)IS65-40-315型離心泵。水泵安放在圍堰頂上，直接將河水排至下游河道中。

同時(shí)還需做好基坑內(nèi)的經(jīng)常性排水?？紤]在基坑內(nèi)設(shè)置0.5m×0.5m排水溝，同時(shí)在靠近圍堰堰腳處修建2m×2m的集水坑，用1臺(tái)IS65-40-315型離心泵排水，水泵安放在圍堰堰頂，直接將基坑內(nèi)的水排至下游河道中。

9 下閘蓄水及導(dǎo)流洞封堵

大壩完工溢洪道具備過(guò)流條件后，即可進(jìn)行下閘蓄水并進(jìn)行導(dǎo)流洞封堵，下閘封堵選定下閘設(shè)計(jì)流量為48.4m3/s。

導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門采用平板鋼閘門下閘，堵頭施工在下閘后進(jìn)行，分段澆筑，頂拱和側(cè)壁進(jìn)行回填和接觸灌漿。

[1]梁漢壽.長(zhǎng)洲水利樞紐施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].水力發(fā)電，2010(01)：20-22，34.

[2]劉立剛.水利樞紐工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技信息，2014(11)：161.

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TV551

B

1007-7596(2017)09-00212-02

文章編號(hào)：1007-7596(2017)09-0098-02

2017-08-28

程偉(1974-),男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事水工建筑工作;張思遠(yuǎn)(1981-)男，遼寧遼陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事水工建筑工作。