水利工程施工中的導流施工控制技術(shù)研究

李紀明

（喀左縣水利局，遼寧 朝陽 122300）

0 引言

在水利工程施工中的導流施工時，必須依據(jù)現(xiàn)場的情況，充分考慮導流截流落差與下游水位之間的關(guān)系，有針對性地控制導流施工。結(jié)合以往對于此方面的研究中，主要依靠堵頭施工進行，但并未結(jié)合相關(guān)的應力分析，因此，在實際應用中的控制效果遠不如預期，造成控制軸力低的問題[1]。水利工程施工中的導流施工是水庫投入運行的一個重要階段，導流施工工作成功與否，事關(guān)全局，所以導流施工工作既是一項非常重要的工程，也是一項非常慎重的工作，必須高度重視，確保安全順利地完成導流施工任務(wù)[2]。為此，必須成立以指揮部、監(jiān)理組及施工單位主要成員組成的導流施工領(lǐng)導小組，具體分工和統(tǒng)一布置指揮導流施工前后的一切工作?；诖耍疚耐ㄟ^研究水利工程施工中的導流施工控制技術(shù)，致力于從根本上提高水利工程施工中的導流施工控制軸力，增強水利工程施工中的導流施工控制效果。通過各方積極配合，充分做好導流施工前的各項準備工作。并在實施過程中做到精心設(shè)計、控制施工，勝利完成導流施工任務(wù)。

1 分析導流施工水力

本文采用有限元法通過數(shù)值模擬的方式，分析水利工程施工中的導流施工水力。其中，一是對施工過程數(shù)值模擬，二是對水利工程施工中的導流施工水力數(shù)值模擬[3]。對于施工過程中數(shù)值模擬主要是利用有限元軟件，實現(xiàn)在水利工程施工中的導流施工洞口上荷載的施加和釋放的循環(huán)，每一次荷載循環(huán)代表一個施工步驟，所以在數(shù)值模擬過程中對于荷載施加不能一次完成。應用有限元方法對施工過程數(shù)值模擬分析的過程中，荷載的釋放與施加是通過相關(guān)系數(shù)來控制的[4]。基于此，設(shè)其目標函數(shù)為A，可得公式（1）。

在公式（1）中，α表示各個導流施工步增量；δ表示當前模擬的導流施工荷載釋放系數(shù)；F表示水利工程施工中的導流施工洞口水力的等效結(jié)點力。通過公式（1），模擬分析水利工程施工中的導流施工過程數(shù)值。

在此基礎(chǔ)上，對于水利工程施工中的導流施工洞口水力數(shù)值模擬需要結(jié)合具體施工情況，以此來確定所要采取的模擬措施。對于水利工程施工中的導流施工洞口水力力學模擬主要考慮等效替換，將混凝土與水力進行強度等效替換，從而使水利工程施工中的導流施工水力模擬轉(zhuǎn)換為等抗壓強度的混凝土力學模擬，降低數(shù)值模擬難度[5]。其有限元分析表達式，如公式（2）所示。

在公式（2）中，E表示折算后的混凝土彈性模量；g表示水利工程施工中的導流施工水力上的最大應力；s表示水利工程施工中的導流施工橫截面積；q表示導流施工中混凝土彈性模量；v表示水利工程施工中的導流施工材料的屈服強度。利用公式（2）對水利工程施工中的導流施工水力數(shù)值模擬，以此實現(xiàn)了水利工程施工中的導流施工水力分析部分，為水利工程施工中的導流施工控制提供理論數(shù)據(jù)。

2 導流施工控制技術(shù)

在分析水利工程施工中的導流施工水力的基礎(chǔ)上，設(shè)計水利工程施工中的導流施工控制技術(shù)，主要分為4步主要流程，實現(xiàn)導流施工控制。

2.1 計算導流能力

在水利工程導流施工控制過程中，必須明確水利工程施工中的導流能力。本文通過計算的方式，計算水利工程施工中的導流能力。水利工程施工中的導流能力作為導流施工控制中最關(guān)鍵的核心指標，能夠直接決定導流施工的控制效果[6]?？紤]到水利工程施工中在不同狀態(tài)下的導流能力也有所不同，分別為：自由出流、過度出流以及淹沒出流。則水利工程施工中的導流能力的表達式見公式（3）。

公式（3）中，m表示水利工程施工中自由出流的流量系數(shù)；p表示水利工程上游水深；B表示水利工程下游水深；δ表示水利工程施工中過度出流的流量系數(shù)；φ表示水利工程施工中淹沒出流的流量系數(shù)；H表示泄洪洞底高程；hs表示從隧洞進口斷面底部算起的上游水頭。通過公式（3），計算得出水利工程施工中的導流能力。以此為判據(jù)，為下文設(shè)定水利工程施工中的導流施工中進、出口高程提供理論依據(jù)。

2.2 設(shè)定導流施工中進、出口高程

根據(jù)計算得出的水利工程施工中的導流能力，合理設(shè)定水利工程施工中的導流施工中進、出口高程。在設(shè)定過程中，必須保證導流施工中的水口底部完全淹沒在死水位下，保證水利工程施工中導流管的潛水進口裝置處于密封狀態(tài)，不會出現(xiàn)進水的現(xiàn)象。與此同時，為保證導流施工與地庫能夠保持一定的安全距離，還需要預留出1 m的安全距離。設(shè)定導流施工在水利工程中進、出口高程最核心的目的就是保證導流施工過程中能夠正常導流供水，尤其是在直角、轉(zhuǎn)彎處不出現(xiàn)擁塞，進而加快導流施工后水庫斷面平均流速，達到水利工程施工提高導流能力的目的。

2.3 明渠提前截流

為了確保水利工程施工的順利實施，提出在導流施工前期的明渠截流行為。在對此種工作研究的過程中，發(fā)現(xiàn)明渠截流屬于一項任務(wù)量大、施工技術(shù)較復雜的系統(tǒng)性行為。此項行為中，水文地質(zhì)勘察工作是此項工作的前提條件，也是確保明渠截流的保障性行為。結(jié)合水利工程的施工需求，應先獲取明渠提前截流相關(guān)條件，包括：水流流向（以正北方向為參照標準）、水流流速（單位為m/s）、截流行為發(fā)生的邊界條件、截流周邊環(huán)境（包括地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境等）。在完成對水文水利動態(tài)化要素獲取的前提下，監(jiān)測不同動態(tài)化條件的變化趨勢[7]，并根據(jù)上游雨情變化，對水文信息進行針對性獲取，使用GPS定位水文異常發(fā)生點，根據(jù)水流的交匯口，對水利工程多斷面進行同步監(jiān)測（此過程可輔助使用無人立尺技術(shù)）。在以上基礎(chǔ)上，使用無人機與無人游艇搭載ADCP，進行明渠提前截流斷面圖像的繪制，按照1∶500的比例尺，對截流斷面進行處理，以此解決水流流速與流向?qū)λこ虒嵤┰斐傻挠绊?，實現(xiàn)并完成對水流中淤泥的提前截流處理。

2.4 控制導流施工

在完成明渠提前截流后，還需要復核導流施工中的高程真空度，進一步控制水利工程施工中的導流施工。結(jié)合以往研究表明，水利工程施工中的導流施工高程真空度與行進流速有關(guān)，基于此可將導流施工中水頭損失代入能量方程，判斷其高程真空度，控制水利工程施工中的導流施工。設(shè)此過程的目標函數(shù)為v，則有公式（4）。

公式（4）中，λ表示導流施工中死水位自由面高程；l表示導流施工中死水位至導流管的高度差；

d表示導流管管頂軸線長度；g表示重力加速度；h表示流段上游和下游斷面的水深。通過公式（4），得出導流管在導流施工中高程真空度，確保v的取值在5～8范圍內(nèi)，控制水利工程施工中的導流施工，進而滿足水利工程施工中的導流施工的復核條件。以此，實現(xiàn)水利工程施工中的導流施工控制。

3 實例分析

3.1 實驗準備

為構(gòu)建實例分析，實驗對象選取某水利工程，工程內(nèi)容為導流施工。該水利工程導流施工項目及要求，如表1所示。

表1 水利工程導流施工項目及要求

結(jié)合表1所示，本次實例分析選取的對比指標為施工控制軸力，施工控制軸力越高代表此控制技術(shù)下的水利工程導流施工控制效果越好。首先，使用本文設(shè)計的控制技術(shù)對水利工程導流施工進行控制，通過核查工具Qacenter測得其施工控制軸力，設(shè)置為實驗組。再使用傳統(tǒng)控制技術(shù)對水利工程導流施工進行控制，同樣通過核查工具Qacenter測得其施工控制軸力，設(shè)置為對照組。為避免偶然現(xiàn)象的出現(xiàn)，在此次的實例分析中,共進行8次實驗。針對核查工具QAcenter測得的施工控制軸力，記錄實驗結(jié)果。

3.2 實驗結(jié)果與分析

通過圖1可知，本文設(shè)計的控制技術(shù)施工控制軸力明顯高于標準值，而傳統(tǒng)控制技術(shù)的施工控制軸力明顯低于標準值，證明設(shè)計的控制技術(shù)對水利工程導流施工控制效果更好，具有現(xiàn)實應用價值。

圖1 施工控制軸力對比圖

4 結(jié)束語

通過水利工程施工中的導流施工控制技術(shù)研究，取得一定的研究成果，能夠解決傳統(tǒng)導流施工控制中存在的問題。由此可見，本文設(shè)計的控制技術(shù)是具有現(xiàn)實意義的，能夠指導導流施工控制技術(shù)優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應加大本文設(shè)計的控制技術(shù)在水利工程導流施工中的應用力度。截至目前，國內(nèi)外針對導流施工控制技術(shù)研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對導流施工控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計提出深入研究，為提高導流施工控制技術(shù)的綜合性能提供參考。