团结水闸除险加固工程施工导流设计综述

孙华云

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330000)

1 工程概况

广丰县团结水闸除险加固工程在广丰县沙田镇十六都村境内，工程区与广丰县城直线距离为21.6km。该水闸工程闸址处控制流域面积为299.8km2，过闸流量最大值为0.2×104m3/s，属于饶丰灌区骨干性水利工程。工程主要建设内容为桩号0+052.49-0+091.31m的泄洪闸加固，桩号0+020.9-0+052.49m、0+091.31-0+138.4m的溢流坝改建；桩号0+000-0+020.9m灌溉进水闸拆除重建；0+010.9-0+020.9、0+138.4-0+146.6m重力坝及刺墙；完善必要的工程监测及管理房等设施等。

团结水闸工程闸址控制流域降水量多年平均值为1645.3mm，且年内降水配备不均，每年3-8月工程所在地区进入汛期，该期间实际降水量均值为368.58mm，在全年降水总量中占比约58.9%，而从10月开始至来年2月则属于枯水期，该期间工程区降水量仅在全年降水总量中占比31.9%。年气温均值为18.1℃，风速均值2.1m/s，最大风速可达16.4m/s。地勘资料显示，闸趾区不存在滑坡、崩塌等不良地质条件。

2 施工导流设计

2.1 导流设计标准

团结水闸除险加固工程是大(2)型水闸工程，导流建筑物主要为其堰顶高程143.2m、净宽6m的围堰，拦蓄库容150.3×104m3，按照相关标准，其导流建筑物应为Ⅲ级。根据本水闸除险加固工程所处控制性流域的水文特性，为增强导流设计及分析结果的合理性及适用性，确定10月-次年1月为枯水期，且施工导流据此进行设计。该水闸除险加固工程在枯水施工期内10月至来年1月最枯四个月的洪水设计成果详见表1，施工期内月平均流量汇总结果详见表2。

表1 施工期内第一年最枯月洪水设计成果

表2 施工期内第一年部分月平均流量

团结水闸除险加固工程施工围堰填筑以工程所在地砂卵砾石为主要材料，一期围堰、二期围堰分别按枯水期5a一遇、10a一遇洪峰流量11.6m3/s和30.3 m3/s设计，坝体度汛主要根据工程所在流域汛期20a一遇的洪峰流量140.1m3/s设计。

2.2 导流方式及程序

综合考虑团结水闸除险加固工程控制流域降雨大多集中在3-8月汛期，洪枯流量差异明显，再结合闸址处地形地貌地质条件，最终决定按照枯水期较低水位围堰结合分期导流的方案设计。

在第一年汛期过后9月-次年6月，将控制流域左侧主流截断，并按照P=20%的流量进行左侧一期土石围堰填筑，此外还应该充分利用东西两股主流之间所形成的浅滩进行纵向围堰的填筑处理，围堵封闭水闸大坝坝轴线桩号0+385处以西的基坑，此后主要通过左边河床过水。包括基础处理、防渗板施工、泄水洞及消力池浇筑、混凝土坝段浇筑至165m高程等在内的一期基坑开挖施工必须在一个枯水期内完成，之后停工撤场，通过右侧河流完成泄洪。

在第二年汛期过后9月-次年6月将控制流域右侧主流截断，并借助进口尺寸为2.5m×3.0m的三孔泄水洞泄水，按照枯水期10a一遇标准进行洪水设计，并将右侧二期围堰填筑后形成二期基坑。开挖混凝土面板砂卵砾石坝址板后使其高程达到175m，如果出现汛期则应当基于面板坝挡水的设计，通过在溢流坝和泄水洞构筑物所预留的170m设计高程的缺口达到联合泄洪的目的。

在第三年汛期过后9月-次年6月仍恢复泄水洞泄水的情况，并不断升高左右侧坝体直至年末达到设计高程，到当年汛期来临前金属结构安装及调试工作全部完成，汛期结束后下闸蓄水，通过2.5m×3.0m 的3孔泄水洞泄水。

2.3 水力计算

2.3.1 一期导流

团结水闸除险加固工程一期导流主要借助坝址处右侧束窄河床过水，一期导流流量设计值为11.6m3/s，结合坝址处水位-流量关系，可以推求出坝址下游水位应取值154.6m，采用水力指数法[1]进一步推算坝址下游水位主流水面线，并确定出右岸主流入口处水位和流速分别为164m和10.9m/s。根据所确定的右岸入口流速，应用宽顶堰公式进行上游壅高水深计算，公式如下：

(1)

式中：Z为坝址上游实际壅高水深，m；φ为水闸除险加固工程控制流域水流流速系数；ve为水闸闸址右岸主流入口处设计流速值，m/s，根据工程设计，应取值10.9m/s ；v0为坝址上游实际行进流速值，m/s；g为重力加速度，m/s。将团结水闸除险加固工程参数取值代入式(1)后可得上游壅高水深为161.7m。

2.3.2 二期导流

按照二期施工导流设计，考虑到该水闸除险加固工程闸址河床砂卵砾石基础覆盖层均事先采取了有效的防渗处理措施，相应的导流设计标准也调整为枯水期P=10%，导流流量设计值为30.3m3/s，对应的下游水位160.1m，根据类似施工导流设计经验应当采用缓坡短管明流[2]的设计形式，所应采用的计算导流流量的非淹没宽顶堰公式表示如下：

(2)

式中：Q为施工导流设计流量，m3/s；m为施工导流设计流量表征系数，可由式m=m0+(0.385-m0)AH/(3A-2AH)计算，其中m0为进口系数，取0.3，AH为水深和Bk之积，A为与水闸闸址上游壅高水深相对应的断面面积，m2；Bk为宽顶堰底孔孔深，应与底宽取相同值；H0为水闸进口底槛之上的实际水深，m。将团结水闸除险加固工程参数取值代入式(2)后可得上游水位为165.8m。

三期施工导流分析过程与二期基本相同，故略去。

2.3.3 施工期临时度汛

团结水闸除险加固工程汛期施工按照20a一遇进行洪水设计，洪峰流量140.1m3/s，设计挡水主要采用混凝土面板坝断面，并借助三孔泄洪洞与溢流坝预留缺口联合泄洪，按照下式进行溢流坝预留缺口泄流水力计算：

(3)

式中：Q为水闸除险加固工程溢流坝坝体预留缺口处可能的泄流量，m3/s；ε为闸坝坝体所对应的侧收缩系数；m为闸坝坝体所对应的流量系数，按0.34取值；σ为溢流坝坝体的淹没系数；B为溢流坝坝体预留缺口处实际过水宽度，m；H0为溢流坝坝体预留缺口底坎起算的上游水头取值，m。

通过水量平衡方程[3]进行调洪演算分析：

(4)

式中：△t为调洪演算所考虑的时段；I为调洪演算所考虑时段内实际入库流量平均值，m3/s；Q1为调洪演算所考虑时段起点处的泄流量，m3/s；Q2为调洪演算所考虑时段终止时泄流量，m3/s；V1为时段开始时库容量(×104m3)；V2为时段终止时库容量(×104m3)。

结合水量平衡方程和本水闸实际泄流能力，按照20a一遇标准进行洪峰历时3d洪水设计，并按照逐时段进行水库蓄水、泄水等变动趋势的分析。经计算，水闸调洪演算所考虑时段初始出入库流量均为1.3m3/s，调洪演算所考虑时段终止出入库流量分别为140.1 m3/s、100.3 m3/s，所对应水位68.8m，库容150.3×104m3，且团结水闸除险加固工程大坝临时挡水断面根据此高程+安全超高进行填筑。

2.4 导流建筑物布置

团结水闸除险加固工程一期围堰按照梯形结构布置，设计长度452.5m，上下游围堰设计高程分别为143.2m、142.1m，上下游围堰顺坡连接纵向围堰。根据闸址处水位-流量关系和枯水期P=20%对应的水位+安全超高确定下游围堰实际高程，同时结合水力指数法根据下游实际水位和束窄主流进口断面实际水位、水流流速等取值进行上游围堰高程值的定量分析。二期围堰则与导墙直接相连，上下游围堰设计长度分别为167m和164m，设计高程为154.5m和153.2m，按闸址处水位-流量关系所对应水位+安全超高确定下游围堰高程[4]。

在围堰基础设置截渗槽，并将围堰和基坑边线的距离控制在3.5m以上，一期下游围堰顶宽取6.0m，其他围堰顶宽取4.5m，边坡坡比设计值取1∶2。通过基坑开挖所产生的废弃料填筑围堰堰体，并将厚0.3m的砂砾石过渡层铺设在截渗槽与围堰堰体土工膜上下层，在迎水坡增设0.5m厚的干砌石护坡，围堰标准断面横剖结构见图1。

图1 团结水闸除险加固工程一期围堰标准断面横剖面图

由图可知，团结水闸除险加固工程围堰基础主要采用了灌浆、防渗墙和截渗槽加铺土工膜的三种防渗形式。水闸闸址处河床主要为大粒径卵砾石覆盖层，缺乏可灌注性，河床同时存在较严重的潜流现象，所以围堰基础防渗不适宜采用灌浆方式；截渗槽施工快、投资少，且防渗性能良好，但是应加强截渗槽施工过程中潜流不利影响的控制。所以，综合考虑科学性、工程性、经济性的基础上，选择截渗槽防渗形式，即在围堰基础覆盖层进行底宽1.5m、边坡1∶1.0截渗槽的开挖，并在槽中铺0.8mm厚的土工膜，使其通过水下不分散混凝土与围堰堰体土工膜有效压接后发挥共同防渗的作用。

3 结 论

通过分析可知，团结水闸除险加固工程控制性流域属于典型的季节性河流，汛期洪峰大且历时短，枯水期流量则相对较小。为此，在进行工程施工导流设计时应分不同导流时段按照不同导流标准进行，以确保安全度汛，控制和降低导流工程量和工程投资。与此同时，施工导流初设还使围堰堰体结构形式进一步优化，采取了设置截渗槽并加铺土工膜的方式，使原本隐蔽性施工改变为明挖回填施工，防渗性增强，投资降低，便于快速施工的开展。