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1、施工水力学与导流工程前言在河流在修建水工建筑物，由此而引起河道水流的变化，在施工期间往往与通航、筏运、渔业、供水，灌溉会或水电站运转等水利资源的综合利用的要求发生矛盾。显然，水利水电工程整个施工过程中的水流控制，概括说就是要采取导、截、拦、蓄、泄等施工措施来解决施工和水流蓄泄之间的矛盾，避免水流对水工建筑物的不利影响，把河水流量全部或部分地导向下游或拦蓄起来，以保证工程在干地上施工和施工工期不影响或尽可能少影响水利资源的综合利用。本文就是简单总结施工过程中水流控制的常用方法。简单介绍了施工导流的基本方法，施工过程中水流的控制。例如，分段围堰法导流和全段围堰法导流；导流建筑物的布置和水力计算等等
2、。其中，有些方法介绍的比较详细，并有相关的例题加以论述，有些方法和理论只是作简单的介绍。一 施工导流的基本方法1 分段围堰法分段围堰法亦称分期围堰法，就是用围堰将水工建筑物分段围护起来进行施工的方法。所谓分段，就是从空间上用围堰将建筑物分成若干施工段进行施工。所谓分期，就是从时间上将导流分为若干时期。分段围堰法导流一般适用于河床宽、流量大、施工期较长的工程中，尤其是通航河流或冰凌严重的河流上。这种导流方法的导流费用较低，所以国内一些大、中型水利水电工程采用较广。例如，我国新安江、三门峡、丹江口等枢纽施工中，都采用过这种导流方法。这种导流方法，前期可以由束窄的河道导流；后期可利用事先修建好的泄水
3、道导流，其类型如下。 底孔导流底孔导流时，应事先在混凝土坝体内修好临时底孔或永久底孔，然后让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游，保证工程继续施工。如临时底孔，则在工程接近完工或需要蓄水时要加以封堵。这种导流方法在分段分期修建混凝土坝时用的比较普遍。采用临时底孔时，底孔的尺寸、数目和布置，要通过相应的水力学计算决定。其中底孔的尺寸在很大程度上取决于导流的任务（过水、过木、过船、过鱼），水工建筑物的结构特点和封堵用闸门设备的类型。底孔的布置与封堵与施工条件有关，可以把底孔布置在不同的高程，封堵时从最低高程的底孔堵起，这样可以减少封堵时所承受的水压力。临时底孔的断面形状多采用矩形，为了改善孔周围的
4、应力状况，也可以有圆角的矩形。按水工结构要求，孔口尺寸应尽量小，但某些水利水电工程中，由于导流流量较大，也只好采用尺寸较大的底孔。 坝体缺口导流混凝土坝枢纽施工工程中，当汛期河水暴涨暴落，而其它的导流建筑物不足以宣泄全部流量时，为了不影响坝体施工进度，使大坝在涨水时仍能继续施工，可以在未建成的坝体上预留缺口，以便配合其他导流建筑物宣泄洪峰流量。待洪峰过后，上游水位回落，在继续修筑缺口。所留缺口的宽度和高度取决于导流设计流量、其它泄水建筑物的泄水能力、建筑物的结构特点和施工条件等。采用不同工程的缺口时，为避免高低缺口单宽泄量相差过大，产生高缺口向低缺口侧向泄流，造成斜向卷流，引起压力分布不均，就
5、要适当控制高低缺口间的高差。根据已有工程的经验，其高差以不超过46米为宜。在修建混凝土坝，特别是大体积混凝土坝时，由于这种导流方法比较简单，常被采用。2 全段围堰法导流全段围堰法导流就是在河床主体工程的上下游各建一道拦河围堰，是河水经河床以外的临时泄水道或永久泄水建筑物下泄。主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。这种导流方式在大湖泊出口处建设闸坝时，有可能只筑上游围堰，将施工期间的全部来水拦蓄于湖泊中。又如在坡降很大的山区河道上，若泄水道出口的水位低于基坑所在河床的高程时，也无需在修建下游围堰。全段围堰法导流按其泄水道类型有： 隧洞导流一般山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实，采
6、用隧洞导流较为普遍。但由于隧洞的泄水能力有限，汛期洪水宣泄常另找出路，如允许基坑淹没或与其它导流建筑物联合泄洪。隧洞是造价比较昂贵和施工比较复杂的建筑物，所以导流隧洞通常是结合永久隧洞统一布置，进行设计。条件不允许时，就需要专为导流而开挖隧洞，导流任务完成后，还需封堵。 明渠导流明渠导流是在河岸或河滩上开挖渠道，在基坑上下游修筑围堰。河水经渠道下泄。所以它一般适用与岸坡平缓或有宽广滩地的平原河道上。如果当地有老河道可以利用或工程修建在河流的弯道上时，可裁弯取直开挖明渠。在这种情况下，采用明渠导流，比较经济合理。布置导流明渠，一定要保证水流顺畅，泄水安全，施工方便，缩短渠线，减少工程量。明渠进出
7、口布置要平顺，其水流与原河道主流的交角不宜过陡，一般以300左右为宜。为保证水流顺畅，明渠转弯半径还不应小于5倍渠道底部宽度。必须指出，一般设计明渠时，特别是在岩层中开挖的明渠，往往对糙率值估计偏低，因而影响宣泄流量，这关系到整个工程导流能否顺利进行，需要认真对待。 涵管导流涵管导流一般在修筑土坝、堆石坝等工程时采用。涵管导流布置在河岸岩滩上，其位置常在枯水位以上，可在枯水期不修围堰或只修一小围堰，先将涵建好，然后在修上、下游全段围堰，将河谁引经涵管下泄。涵管一般是混凝土结构。当有永久涵管可以利用或修建隧洞有困难的情况下，采用涵管导流是合理的。在某些情况下，可在建筑物岩基中开出一条沟槽，必要时
8、予以衬砌，然后封上混凝土或钢筋混凝土顶盖，形成涵管。利用这种涵管导流，往往可以获得经济可靠的效果。由于涵管的泄水能力较低，所以一般用于导流流量较小的河流上或只用来担负枯水期的导流任务。必须指出，为了防止涵管外壁与坝身防渗体之间发生渗流，通常在涵管外壁每隔一定距离设置截流环，以延长渗径，降低渗透坡降，减少渗流的破坏作用。此外，必须严格控制涵管外壁防渗体填料的压实质量。涵管管身的温度缝或沉陷缝中的止水也必须认真修筑。二 围堰工程围堰是导流工程中的临时挡水建筑物，用来围护施工中的基坑，保证水工建筑物能在干地施工。在导流任务完成以后，如果围堰对永久建筑物的运行有妨碍或没有考虑作为永久建筑物的一部分，以
9、予以拆除。水利水电工程施工中经常采用的围堰，按其所使用的材料，可以分为：土石围堰；草土围堰；钢板桩格型围堰；木笼围堰；混凝土围堰等。按围堰与水流方向的相对位置，可以分为：横向围堰和纵向围堰。按导流期间基坑淹没条件，可以分为：过水围堰和不过水围堰。过水围堰除需要满足一般围堰的基本要求外，还要满足堰顶过水的专门要求。选择围堰型式时，必须根据当时当地的具体条件，在满足下述要求的条件下，通过技术经济的比较加以选定。对围堰的基本要求是： 具有足够的稳定性、防渗性、抗冲性和一定的强度。 造价便宜，构造简单，修建、维护和拆除方便。 围堰的布置应力求使水流平顺，不发生严重的局部冲刷。 围堰的接头和与岸边联结都
10、要安全可靠，不致因集中渗漏等破坏而引起围堰失事。 在必要时，应设置抵抗冰凌、船筏的冲击和破坏的设施。下面就以上提出的几种围堰形式作简单的介绍。 土石围堰土石围堰是水利水电工程中采用得最为广泛的一种围堰型式。它能充分利用当地材料或废弃的土石方，构造简单，施工方便，可以在流水中、深水中、岩基上或覆盖层的河床上修建。但其中工程量较大，堰身沉降变形也比较大。因此，除非采取特殊措施，一般不允许堰顶过水，所以汛期应有防护措施。 草土围堰草土围堰是一种草土混合的结构，多用捆草法修建，是我国劳动人民长期与水作斗争所创造的有效办法。堰体有河岸开始修建。首先沿河岸在围堰整个宽度范围内分层铺设草捆。铺草捆时应将草绳
11、拉直放在岸上，以便与后铺的草捆互相联结。每层草捆应按水深大小迭接1/32/3，这样逐层压放的草捆形成一个斜坡，坡角约350450，直到高出水面1.0米为止。随后在草捆层的斜坡上铺一层厚0.250.30米的散草，再在散草上铺一层厚0.250.30米的土层（黄土、粉土、砂壤土或粘壤土等），铺好的土层只需用人工踏实即可。这样就完成了堰体的压草、铺散草和铺土工作的一个循环。接着在填土面上同样再开始第二个循环。如此继续进行，堰体即可向前进占，后部的堰体也渐渐沉入河底。 木笼围堰木笼围堰是一种框格结构，用方木或两面锯平的原木迭搭而成。单个木笼的平面尺寸如新安江工程采用为613.8716，37米，内部框格的
12、尺寸为2.43.0米。这些框格中有25%是有底的，形成所谓“石袋”以便装石下沉。木笼围堰可以修建在覆盖层上或岩基上。修建在覆盖层上的木筏围堰，一般打板桩或灌浆来防止基础的渗漏。若河床的覆盖层不厚，最好予以清除，将木笼修建在岩基上。修建在岩基上的木笼围堰，为了防止沿基础接触面的渗漏及保持木笼的稳定，木笼底部应于岩基的形状相吻合。 混凝土围堰混凝土围堰的抗冲及抗渗能力大，挡水水头高，底宽小，易于与永久混凝土建筑物相连接，必要时还可以过水，因此采用的比较广泛。在国外采用拱形混凝土围堰比较多。在国内已建成的混凝土大坝，有乌江渡、凤滩等水利水电工程都分别采用过拱形混凝土围堰，多数以重力式混凝土围堰作为纵
13、向围堰。也取得了比较大的经济效益。三 导流设计流量的确定 导流标准导流标准也即选择导流设计流量的标准。导流设计流量是选择导流方案，确定导流建筑物的主要依据。施工前，若能预报整个施工期的水情变化，根据拟定的导流设计流量，最符合经济与安全施工的原则，但这种长期预报，目前还不很准确，不能作为确定导流设计流量的依据。当前施工期洪水的计算是建立在数理统计的基础上。将洪水作为随机事件，以机率形式估计可能发生的情势，然后根据主要的永久性建筑物的级别，选定某一洪水重现期作为导流标准。在利用导流标准是，在经过充分论证的情况下，可予以适当提高或者降低。如由于导流建筑物的失事，可能引起下游的严重灾害，或引起主体工程
14、的严重破坏或延误工期，则可将倒流标准提高一级或两级。反之则可将倒流标准降低一级。一般导流标准应严格按照规范的规定进行选择，不得任意提高或者降低。此外，有些水利水电工程，当所在河段历年实测洪水的水文系列较长且比较可靠时，也有按所划分的导流时段，对实测洪水资料进行分析来确定导流设计流量的。 导流时段的划分导流时段就是按照导流程序划分的各施工阶段的延续时间。按其水文特征可以分为枯水期、中水期及洪水期。在不影响主体工程施工的条件，若导流建筑物只负担枯水期的挡水泄水任务，显然可以大大减少导流建筑物的工程量，改善导流建筑物的工作条件，具有明显的技术经济效益。因此，合理划分导流时段，明确不同时段导流建筑物的
15、工作条件，是既安全又经济地完成导流任务的基本要求。导流时段的划分与河流的水文特征、水工建筑物的形式、导流方案、施工进度等有关。另外，导流费用最低的导流设计流量，必须经过技术经济的比较才能确定，其计算程序如下： 根据河流的水文特征，假定一系列的流量值，分别求出泄水建筑物上、下游的水位。 根据这些水位决定导流建筑物的主要尺寸、工程量和估算导流建筑物的费用。 估算由于基坑淹没一次所引起的直接和间接损失费用。属于直接损失的有基坑排水费用，基坑清淤费用，围堰及其它建筑物损坏的修理费用，施工机械撤离和返回基坑所需费用及其受到淹没后的修理费用，道路和线路的修理费用，劳动力和机械的损失等；属于间接损失的有由于
16、有效施工时间缩短，而增添的劳动力、机械设备、生产企业的规模、临时房屋等费用。 根据历年水文资料，确定施工期间超过上述假定流量值的总次数，除以施工年数得年平均超过次数，亦即年平均淹没次数。由此，根据主体工程施工的跨汛年数，即可算得整个施工期内基坑淹没的总次数及淹没损失总费用。 绘制流量与导流建筑物费用、基坑淹没损失费用的关系曲线，并将它们迭加求得流量与导流总费用的关系曲线。经过比较可以得到导流总费用最低时的导流设计流量。四 导流建筑物的布置和水力学计算 纵向围堰的位置采用分段围堰法导流时，纵向围堰位置的确定也就是河床束窄程度的选择是关键性的问题之一。在确定纵向围堰的位置或选择河床的束窄程度时，应重视下列问题：束窄河床段的流速要考虑施工前通航、筏运、
