涵管導(dǎo)流在陽(yáng)霞水庫(kù)初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊恒陽(yáng)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

施工導(dǎo)流作為水利工程建設(shè)施工中的一個(gè)重要組成部分，其方案的合理性將直接影響到施工安全、施工進(jìn)度以及工程投資等多個(gè)方面，設(shè)計(jì)時(shí)須給予高度重視。施工導(dǎo)流可劃分為分期圍堰導(dǎo)流和一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流兩種方式，同時(shí)，與之相配合的導(dǎo)流方式依據(jù)過(guò)流建筑物型式的不同分為明渠導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流、涵管導(dǎo)流、以及施工過(guò)程中的壩體底孔導(dǎo)流、預(yù)留缺口導(dǎo)流和不同泄流建筑物的組合導(dǎo)流等型式[1，2]。

分期圍堰導(dǎo)流因需設(shè)置縱向圍堰，對(duì)工程區(qū)場(chǎng)地條件要求較高，多用于河床較寬、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大中型工程；對(duì)于河道狹窄、場(chǎng)地條件較差的中、小型工程則多采用一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流。相較于明渠、隧洞等泄水建筑物，涵管導(dǎo)流因受限于涵管自身體型尺寸及過(guò)流能力等，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。本文結(jié)合陽(yáng)霞水庫(kù)初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)論述涵管導(dǎo)流的特點(diǎn)及適用條件，旨在為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程概況

陽(yáng)霞水庫(kù)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州輪臺(tái)縣境內(nèi)，為陽(yáng)霞河流域控制性樞紐工程，工程主要任務(wù)為灌溉、防洪。陽(yáng)霞水庫(kù)工程為Ⅲ等中型工程，水庫(kù)總庫(kù)容1782萬(wàn)m3，主要建筑物包括瀝青混凝土心墻砂礫石壩、溢洪洞和導(dǎo)流隧洞。瀝青混凝土心墻砂礫石壩最大壩高87.50 m，為2級(jí)建筑物，其余永久建筑物等級(jí)均為3級(jí)，臨時(shí)建筑物等級(jí)為5級(jí)。

導(dǎo)流隧洞布置在右岸，采用永臨結(jié)合布置，按永久建筑物設(shè)計(jì)，施工期用作導(dǎo)流，運(yùn)行期用作泄洪沖沙。導(dǎo)流隧洞由進(jìn)口引渠段、進(jìn)口閘井段、洞身段、出口消能段組成，全長(zhǎng)417.67 m，為無(wú)壓隧洞。出于后期永久泄洪沖沙考慮，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程為1 405.00 m(黃海高程，下同)，高出河床約15m(河床高程為1 390.40 m)，孔口尺寸3.50 m×4.00 m，閘井段長(zhǎng)25.00 m；洞身段長(zhǎng)346.67 m，縱坡3%，洞身采用城門洞型，斷面尺寸5.50 m×7.00 m；出口采用挑流消能。

陽(yáng)霞水庫(kù)壩址區(qū)位于陽(yáng)霞河中部峽谷型河段，施工場(chǎng)地條件較差，兩岸山體陡峭，部分巖體幾近直立，河道狹窄，河床最大寬度不足20.00 m，河床基巖埋深較淺，覆蓋層厚度為0.60～1.00 m，河道天然縱坡3%左右。每年6～8月為汛期，天然河道相應(yīng)頻率為P=10%、P=5%和P=2%的洪峰流量分別為257.00 m3/s、380.80 m3/s和568.30 m3/s；相應(yīng)頻率為P=20%的枯水期(10月～來(lái)年4月)月平均流量為2.94 m3/s。

鑒于河道狹窄，不具備分期圍堰導(dǎo)流的條件，因此本工程采用一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流。選用土石圍堰，上游圍堰采用澆筑式瀝青混凝土心墻防滲，堰頂寬度10.00 m，上游邊坡1：2.5(同大壩)，下游邊坡1∶1.5。由于陽(yáng)霞河實(shí)測(cè)水文資料年限不足20年，依據(jù)相關(guān)規(guī)范本工程導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)定為20一遇洪水，經(jīng)調(diào)洪計(jì)算確定上游圍堰堰頂高程為1 423.50 m，最大堰高42.50 m。上游圍堰同大壩完全結(jié)合布置，背水面坡腳距離大壩心墻軸線約35 m。

工程計(jì)劃工期42個(gè)月，第一年7月開(kāi)工，第四年12月完工。經(jīng)分析大壩上游圍堰在一個(gè)枯水期能夠施工完成，依據(jù)建筑物布置型式，結(jié)合工程施工進(jìn)度安排，本工程導(dǎo)流劃分為初期導(dǎo)流和后期導(dǎo)流兩個(gè)時(shí)段：

初期導(dǎo)流：第2年10月至第3年3月，該期間主要進(jìn)行上游圍堰施工；

后期導(dǎo)流：第3年4月至導(dǎo)流隧洞下閘蓄水，該期間主要進(jìn)行大壩填筑施工。

2 初期導(dǎo)流設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)流方式比選

由于導(dǎo)流隧洞為永臨結(jié)合布置，其進(jìn)口底板高出河床約15 m，同時(shí)，導(dǎo)流隧洞進(jìn)口距離上游圍堰較近，用于布置截流堤的場(chǎng)地較為局限，且初期導(dǎo)流時(shí)段內(nèi)對(duì)應(yīng)的河道五年一遇的月平均流量?jī)H為2.94 m3/s。出于施工安全、施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，依據(jù)過(guò)流建筑物的不同，本工程進(jìn)行了初期導(dǎo)流時(shí)段導(dǎo)流方式的比選。

2.1.1 導(dǎo)流隧洞過(guò)流

初期導(dǎo)流采用導(dǎo)流隧洞過(guò)流時(shí)，由于下泄流量較小，水深未淹沒(méi)洞口，過(guò)流條件近似為無(wú)坎寬頂堰，因此采用堰流公式[3](式1)計(jì)算截流堤前相應(yīng)水位，從而確定截流堤堤頂高程，相關(guān)計(jì)算參數(shù)及成果詳見(jiàn)表1。

(1)

式中：Q為流量，m3/s；m為流量系數(shù)；B為孔口凈寬，m；g為重力加速度，9.8 m/s2；H0為包含行進(jìn)流速在內(nèi)的作用水頭，m。

表1 堰流計(jì)算參數(shù)特性表

由于庫(kù)內(nèi)水流速度較小，可以忽略不計(jì)，由表1可知堰前水深為0.71 m，截流堤前水位為1 405.71 m，考慮風(fēng)浪爬高及安全加高，確定截流堤頂高程為1 407.00 m，堤身最大高度18.10 m，堤頂寬度10.00 m，上游邊坡1∶3.0，下游邊坡1∶1.5。

初期導(dǎo)流時(shí)段流量較小，采用導(dǎo)流隧洞過(guò)流實(shí)際堰前水深僅為0.71 m，然而由于作為永久建筑物設(shè)計(jì)的導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程較高，須抬高庫(kù)水位至導(dǎo)流隧洞進(jìn)口底板高程以上方可形成泄流。一方面導(dǎo)致截流堤高度加大，其相應(yīng)填筑工程量較大，工程投資較高；另一方面截流后期龍口處上下游水位差較大，截流難度及風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加；同時(shí)，截流后上游圍堰施工期間，截流堤前水頭始終保持在16.00 m以上，由于截流堤填筑未經(jīng)嚴(yán)格碾壓密實(shí)，長(zhǎng)期在高水頭作用下基礎(chǔ)及堤身滲流量較大，截流堤發(fā)生滲流破壞風(fēng)險(xiǎn)較高，嚴(yán)重影響到施工進(jìn)度、危及施工人員安全。

2.1.2 導(dǎo)流涵管過(guò)流

初期導(dǎo)流采用導(dǎo)流涵管過(guò)流時(shí)，由于本工程天然河道較為狹窄，用于布置導(dǎo)流涵管的場(chǎng)地相對(duì)局限，因此選用管徑1.50 m單根預(yù)制涵管進(jìn)行導(dǎo)流，采用管流公式[3](式2、3)進(jìn)行水力計(jì)算，求得相應(yīng)進(jìn)口水頭，從而確定截流堤堤頂高程，相關(guān)計(jì)算參數(shù)及成果詳見(jiàn)表2。

(2)

(3)

式中：Q為流量，m3/s；μc為管道系統(tǒng)流量系數(shù)；A為管道斷面面積，m2；g為重力加速度，9.8 m/s2；H0為包含行進(jìn)流速在內(nèi)的作用水頭，m；λ為管道系統(tǒng)沿程損失系數(shù)；l為管道計(jì)算段長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，m；ζ為管道系統(tǒng)局部損失系數(shù)。

表2 管流計(jì)算參數(shù)特性表

由于庫(kù)內(nèi)水流速度較小，可以忽略不計(jì)，由表2可知導(dǎo)流涵管進(jìn)口水深為8.49 m，截流堤前水位為1 396.49 m(該方案截流堤位置處河床高程為1 388.00 m)，考慮風(fēng)浪爬高及安全加高，確定截流堤頂高程為1 397.50 m，堤身最大高度9.50 m，堤頂寬度8.00 m，上游邊坡1∶3.0，下游邊坡1∶1.5。

采用涵管導(dǎo)流由于截流堤高度降低，工程量減小，工程投資(計(jì)入導(dǎo)流涵管部分投資)相比于導(dǎo)流隧洞過(guò)流方案有所降低；另一方面，截流堤前最大靜水水頭僅為8.37 m，且僅當(dāng)對(duì)應(yīng)五年一遇標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才出現(xiàn)，大大降低了截流難度和截流風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減小了截流堤發(fā)生滲流破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工安全保障；另外，由于采用預(yù)制涵管，涵管鋪設(shè)施工速度較快，可有效加快施工進(jìn)度，為上游圍堰及早施工創(chuàng)造條件。

基于表3成果，本工程初期導(dǎo)流選用涵管導(dǎo)流方式。

表3 初期導(dǎo)流方案比選成果表

2.2 涵管導(dǎo)流設(shè)計(jì)

結(jié)合壩址區(qū)河道地形條件，導(dǎo)流涵管布置在天然河道左岸，自截流堤上游坡腳外延伸至上游圍堰下游坡腳外，其出口位于大壩防滲體上游側(cè)，距離大壩心墻軸線約30 m，導(dǎo)流涵管未穿越大壩防滲體。

導(dǎo)流涵管全長(zhǎng)226.00 m，縱坡i=3%，上游側(cè)進(jìn)口處設(shè)置一道預(yù)制混凝土疊梁門用作后期封堵，孔口尺寸1.50 m×2.00 m。導(dǎo)流涵管選用直徑1.50 m承插式鋼筋混凝土預(yù)制管，單節(jié)長(zhǎng)度2.00 m。導(dǎo)流涵管底部設(shè)置0.50 m厚C25現(xiàn)澆混凝土管座。

截流堤頂寬8.00 m，堤頂高程1 397.50 m，最大高度9.50 m，采用砂礫石填筑，迎水面采用粘土閉氣，上游邊坡1∶3.0，下游邊坡1∶1.5。根據(jù)工程施工條件、水文條件，本工程截流采用單戧堤立堵方式，考慮從左岸向右岸單向進(jìn)占，龍口設(shè)置在河道右岸。

上游圍堰施工完成后開(kāi)始導(dǎo)流涵管封堵工作，首先將進(jìn)口預(yù)制混凝土疊梁門下放，采用高壓水進(jìn)行管壁沖洗，清除管底沉積泥沙，再由出口泵送C25混凝土進(jìn)行回填密實(shí)即可。

3 結(jié) 語(yǔ)

涵管導(dǎo)流(尤其是鋼筋混凝土預(yù)制管)具有工程規(guī)模小、技術(shù)成熟、施工速度快、施工工藝簡(jiǎn)單、工程投資小、施工風(fēng)險(xiǎn)較低等特點(diǎn)，較適用于施工場(chǎng)地條件較差、河道狹窄且河道天然來(lái)流量較小的工程。

本工程針對(duì)河道狹窄、施工場(chǎng)地條件較差且來(lái)流量較小的深山峽谷型水庫(kù)通過(guò)合理劃分導(dǎo)流時(shí)段、選擇適宜的導(dǎo)截流方案，有效避開(kāi)因場(chǎng)地狹窄導(dǎo)致的施工布置局限，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約了工程投資，為類似工程的施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和參考。