混凝土面板砂砾石坝钢管导流应用

夏元清

（新疆绿翔建筑安装工程有限责任公司，新疆 额敏 834601）

水利工程施工，根据水文地质及施工条件选定导流标准、划分导流时段、确定导流设计流量，选择导流方案及建筑物的型式。而导流方案的选定，关系到整个工程的施工程序、工期、质量、造价和安全度汛。正确合理的水流控制，可以加快施工进度，降低工程造价。山区小型水库导流方式是待导流隧洞完成后进行导流，均为一次性截断河道；受现场情况复杂、因素多变，导流建筑工期长等因素制约，如何解决工期与工序之间的矛盾，保证在合同工期内完工[1]，导流问题经常困绕施工人员。本文以哈密市安拉沟水库为例，对其钢管导流[2]的运用进行探讨。

1 工程概况

哈密市安拉沟水库为混凝土面板砂砾石坝，属Ⅳ等小(1)型工程，主坝长287 m，坝高50.5 m。河道最大月平均流量为0.7 m3/s，其它月平均流量0.15 m3/s～0.3 m3/s。在坝体的左岸山体内布置有导流、冲砂隧洞，全长378 m，其中洞身段长167 m，并设计有塔井和竖井段，竖井在岩体内竖向开挖深26 m。隧洞内顶部安装DN600输水镀锌钢管，进口设置在塔井内，且安装过竖井时从其左边墙外侧岩体内绕过，增加了施工难度和延长了工期。工期要求第二年底完成下闸蓄水任务。

2 初期导流情况

为加快施工进度，趾板土石方开挖与隧洞施工同时进行，开挖时在基槽河床最低处向下游开挖导流明渠，并使其与坝轴线垂直；让河水顺其自然下泄，同时降低地下水位，使其他部位能在干地作业。在趾板基槽开挖至岩石部位时，导流明渠也随之座落在河床基岩上。趾板段砂砾石覆盖层清挖到石方，其河床裸露的岩石以主坝Z+120断面为分界，左侧岩石基本完整坚硬，右半侧破碎且比较软遇水即碎，无需爆破挖掘机可直接开挖作业，经地勘认定为断层破碎带，应继续向下开挖至较新鲜的基岩上。因此，合理选择导流方案的是确保工程顺利进行的关键。

3 导流方案

基于坝体内已开挖导流明渠，可见基岩随河道向下游倾斜，与坝体下游坡角仍具有一定的高差，尾部未见裸露岩体，随趾板基槽开挖深度降低导流明渠仍可导流。但在导流冲砂隧洞没有完成前，趾板施工及坝体整体填筑无法进行；即是在资源配置充足的条件下经进度计划推算，下闸蓄水时期需推迟几个月；而在第二年的洪水期到来前坝体填筑也达不到度汛高程，其基坑抽排水不能停，否则将淹没基坑。在此基础上提出埋设永久性钢管导流，选择位置在主坝横段面Z+130处，即顺着导流明渠内埋设，使之成为底孔导流模式，解决初期导流问题；待导流冲砂隧洞能通水时将底孔导流钢管进行封堵。此方案可以取消围堰施工和省去长期的基坑抽排水，经过造价对比有优势且安全可行。

4 水力学计算

4.1 钢管管径的确定

根据水力学计算公式：

式中，d 为管径，m；Q 为流量，m3/s；υ为经济流速，m/s。排水管道采用压力流时,压力管道的设计流速宜采用0.7 m/s～2.0 m/s。取用流速中间值1.5 m/s。

求得管径为0.77 m；选择直径0.8 m的钢管采用焊接方式接长作为导流排水管，纵坡为2%。

4.2 过水流量验算

按照短管、自由出流计算,流量计算公式如下:

式中，Q 为流量，m3/s；μc为流量系数；A 为管道断面面积，m2；d为管道内径；ι为管道计算段长度；H0为作用水头；g为重力加速度；λ为沿程水头损失系数；Σξ为局部水头损失系数之和。

计算安装钢管长度为168 m，上下游导流渠渠底高差约3.5 m，经过水力学计算,过水流量0.73 m3/s。计算结果表明,采用直径0.8m的钢管,钢管过流量大于最大月平均流量,所用钢管满足常规流量导流要求[3-4]。

5 钢管埋设

5.1 方案优化

最初方案中钢管埋设从趾板上游1.5 m集水坑处开始至坝体下游，钢管进口顶高程低于趾板底高程。但经论证提出钢排水管严禁穿越趾板，导流完成后需拆除趾板段钢管。为满足论证要求防止留下渗漏隐患，同时减少多余的工作，改变埋设方案并调整施工步骤。

5.2 导流进水口

5.2.1 首部处理

首先是埋设钢管处的趾板段待导流洞能导流时浇筑，并将钢管首部在距此处趾板向下游1.5 m处设置，钢管前端与趾板下游面1.5 m段用混凝土在岩石上浇筑成喇叭洞口状，前口宽1.5 m，深1.4 m；喇叭段上部浇筑钢筋混凝土盖板厚0.25 m，与原设计趾板下游的9m宽防渗板一起浇筑成为整体，并在喇叭口前端安装1.8 m×1.8 m铁栅栏防止上游漂浮物堵塞钢管。

5.2.2 趾板连接

盖板顶端上用C15细石混凝土砌卵石形成临时挡墙与左右已浇筑趾板连接成一体（最后拆除），一是便于此部位垫层区料与坝体平行填筑，二是在异常来水时能形成满管带压自流。

5.3 钢管安装

已浇筑趾板与钢管前洞口相连成为导流排水通道；钢管首部处垂直向上焊接一根管径DN125 mm的泵送管和一根DN50 mm通气钢管，做为后期灌注混凝土用。安装14根820×10 mm定尺长12 m的钢管，先在导流沟槽内每个焊接接头部位用[10槽钢根据坡度高程制作支架，钢管每2～3根焊接组装成一组，按组吊入支架上架空焊接连接。钢管底部距岩石面最小尺寸为200 mm，用C15混凝土将钢管全部包裹[5]浇筑，从距钢管前端9 m处开始浇筑混凝土与周边岩石紧密相接，钢管顶部浇筑混凝土厚从5.3 m开始，沿土石开挖分界线的岩石高程纵向向下游渐变至0.8 m，构成原岩体地质结构断面形状；混凝土浇筑方量3027 m3。混凝土强度达到70%时进行坝体填筑。

6 钢管导流运行

钢管导流排水运行历经一个冬季和二次洪水。冬天停工期间需要有专人负责每天检查，发现问题能及时解决，如在天气最冷月零下20～300℃时，水流小进水口处易结冰时，安排人员将钢管进水口处的结冰砸开清理，防止结冰加厚堵塞洞口水位上涨；除极端天气的时间段外运行正常。汛期前停止坝体填筑，将度汛水位以下部位坝坡面进行修坡碾压和施工固坡砂浆，满足度汛要求。第一次洪水通过，因坝面修坡所产生的多余垫层料堆积在趾板上，被水流带入积水基坑内堵塞致使洪水蓄积；水流将小于栅栏间隙的细颗粒从钢管内带走，留下粗粒径砾石及施工垃圾被栅栏阻隔封堵，抽排水清开后能正常运行。第二次洪水通过，蓄积在基坑中的部分洪水经2天的带压下泄，恢复到导流钢管正常导排水的状态，直至隧洞导流。

7 钢管封堵

河水改由隧洞导流，拆除喇叭口段上部的浆砌石，露出原留设的泵管及通气管。将DN800钢管首部内3 m段可见沉积淤泥清扫干净。在距DN800钢管端部50 mm处用10 mm厚钢板焊接盲板，盲板与钢管内壁接触处满焊。在趾板尺寸下游面支设模板，用混凝土浇筑钢管前端与趾板下游1.5m预留的喇叭洞口段及趾板建基面高程以下混凝土。通过先前留设的泵送管口用混凝土泵输送高流态C30F300W10一级配混凝土进行堵塞，输送混凝土约50 m3左右。将泵管及通气管在防渗板上割除，用C30混凝土在其上浇筑200 mm厚进行封口。钢管填满混凝土约84 m3左右，为此在钢管尾部按上游封堵方法，通过混凝土泵向下游钢管内泵入混凝土约30 m3，封堵后回填坝壳料。坝体内埋设的钢管用混凝土通过上下游分两次浇筑堵塞完成，满足管身段封堵的要求。

8 工程进展

在底孔钢管导流运行下，趾板浇筑、坝体填筑与导流冲砂隧洞同时进行施工，最大限度合理调配各种资源，有利工序衔接和平行作业。在洪水期前导流隧洞石方开挖全线贯通，但混凝土衬砌、灌浆、闸门及引水钢管均没有完成的情况下，保证了主坝趾板(埋设钢管段除外)全部浇筑完成，坝体填筑提前到达高程1482 m，满足度汛要求的挡水高程1478 m。可确保洪水在钢管不能全部下泄时，能通过已开挖通的导流隧洞泄洪，而在洪水过后无需通过人工抽水来解决基坑积水。为充分利用钢管导流节省抽排水费用，隧洞具备通水条件下仍用钢管导流，在主坝趾板灌浆、面板浇筑完成只余埋设钢管段时改由隧洞导流。

混凝土面板砂砾石坝体内埋设钢管导流，解决隧洞工程占用工期而影响坝体施工的问题，解决冬季停工期抽排导流带来的管理难题,省去长达15个月施工期的抽排水，按期完成下闸蓄水。且水库蓄水运行三年多，情况良好。

9 结语

钢管导流在小型水库施工中前期的应用，取得了良好的效果，改变施工顺序，让关键线路上的依次施工调整为平行施工，加快施工进度，缩短工期。特别是在冬季停工期间又没有完成永久导流工程时，无需安排设备及专人抽排水，节约费用并避免产生不必要的安全问题。适用于河道流量较小的情况下使用。