鄂北水资源配置工程2016年11标余店河倒虹吸工程施工导流设计

李旭航 王 伟 暴艳利 唐 昕

1 工程概况

湖北省鄂北水资源配置工程是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，线路全长269.67km，沿途穿越襄阳市的老河口市、襄州区、枣阳市，随州市的随县、曾都区，广水市，终到孝感市的大悟县。其中，余店河倒虹吸工程位于湖北省广水市余店镇，系鄂北调水干渠与余店河交叉需要而设置，设计流量7.4m3/s。起点桩号218+850，终点桩号219+220，上接张家湾明渠，下接朝阳村明渠，全长370m。余店河倒虹吸位于余店河和余家畈河交汇处上游约120m处，涉河段在余店河和余家畈河处的河道宽度分别为21m和25m。

2 导流标准及导流时段划分

本工程主体建筑物为3级，按照SL303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》规定，导流工程按5级建筑物标准设计，土石围堰的导流标准为5～10年一遇。不同导流时段的洪峰流量—水位关系见表1。由于余店河倒虹吸施工工期短，基坑过水损失小，且基本对下游不造成影响，因此，施工导流标准采用非汛期5年一遇洪水。同时，余店河倒虹吸施工工期为5个月，根据施工进度安排，施工时段选择相对较枯的11月—翌年3月。余店河相应的洪水流量为32.0m3/s，水位100.79m；余家畈河相应的洪水流量为9.9m3/s，水位102.78m。

3 导流方案比选

余店河倒虹吸工程在桩号219+045处穿过余店河，在桩号219+120处穿过余家畈河，涉河段河床高程98.7～105.8m。河道两岸具有条件较好的滩地，具备开挖明渠条件，因此，施工采取明渠导流。下面对两种明渠导流方案进行比较。

方案1：倒虹吸工程涉河段在余店河河道右岸和余家畈河河道左岸具备同时开挖明渠的条件，因此，可开挖1#、2#两条导流明渠对余店河和余家畈河分别进行导流，一次性完成倒虹吸工程涉河段的施工。在余店河和余家畈河交汇处下游布置下游围堰。

方案2：导流时段水位余家畈河比余店河高出2m左右，因此，可在两河交汇处上游侧开挖导流明渠将两河连通。先通过1#明渠将余家畈河来水导入余店河，再通过在余店河河道右岸开挖2#明渠将余店河与余家畈河来水导入下游，此方案同样可以一次性完成倒虹吸工程涉河段的施工。

余家畈河在两河交汇前河床向右岸弯曲，方案1在余家畈河左岸开挖的明渠较长，约220m，远大于方案2将两河连通的导流明渠长度。因此，从工程成本的角度方案2更优。同时余店河与余家畈河之间为壤土地层，开挖明渠不需要采取额外的防渗措施，并且可以将开挖料用于围堰填筑，以满足土石方平衡要求。综上所述，施工采取方案2的明渠导流方式。

4 导流建筑物设计

4.1 导流明渠设计

1#明渠布置于两河交汇处上游侧约160m处，明渠底高程99.50m，渠长102m。2#明渠布置于余店河右岸滩地，明渠底高程98.79m，渠长232m。

1#明渠所在地层为壤土，不需要采取防渗措施。2#明渠所在地层为砂砾石，考虑抗冲的同时还需要进行防渗处理，因此，在2#明渠渠底和边坡现浇C20混凝土防护，厚度为10cm。混凝土护底和护坡隔8m设一道伸缩缝，缝宽2cm，缝内采用沥青木板填缝。

明渠采用梯形断面，1#明渠底宽3m，2#明渠底宽6m，渠道边坡均为1∶2。

4.2 围堰设计

根据所选导流方案的施工布置，1#和2#围堰作为上游围堰分别阻挡余店河和余家畈河的上游来水，3#围堰位于两河交汇处下游作为下游围堰。首先根据设计流量，查明渠出口下游河床水位—流量关系曲线，得到明渠出口水位，采用能量方程自明渠出口向上游推水面线，求得明渠进口下游侧明渠水深，以该水深作为堰后水深，采用宽顶堰公式计算上游水位，从而确定上游围堰高程。

（1）明渠水面线的推求是基于河道恒定非均匀流法进行推算，河道恒定非均匀流计算公式的主要理论依据是伯努利能量守恒方程式。公式形式如下：

式中 Z上、Z下——上、下游断面水位，m；

V上、V下——上、下游断面流速，m/s；

Q——设计流量，m3/s；

ΔS——上、下游断面间距，m；

a——动能修正系数；

ξ——局部阻力系数；

K上、K下——上下游断面流量模数，通过公式计算，其中：A为过水断面面积m2；R为过水断面水力半径，m；n为河床糙率。

根据余店河下游河床的水位—流量关系曲线，查得设计工况下2#明渠出口水位100.79m，利用式（1）从下游断面向上游推算水位，从而推求得到2#明渠水面线，如图1所示。

图1 设计工况下2#明渠水面线

（2）推水面线求得明渠进口下游侧明渠水深后，以该水深作为堰后水深，采用宽顶堰公式计算上游水位，宽顶堰公式如下：

式中 Q——下泄流量，m3/s；

m——流量系数；

σ——淹没系数；

ε——侧收缩系数；

B——过水宽度，m；

H0——计入行近流速的上游总水头，m。通过宽顶堰公式计算得到2#明渠上游水位101.19m，以2#明渠上游水位作为1#明渠的下游水位重复上述步骤求得1#明渠上游水位101.24m。1#明渠内设计流速控制在0.8～0.9m/s，2#明渠内设计流速控制在1.8～2.1m/s，均满足渠道设计流速要求。根据SL303—2004《水利水电施工组织设计规范》规定，考虑波浪爬高和堰顶安全超高，其中堰顶超高取δ=0.5m，1#围堰堰顶高程101.70m，2#围堰堰顶高程101.80m，3#围堰堰顶高程101.30m。

施工围堰采用均质土围堰型式，利用开挖料填筑，最大堰高约2.5m。1#与3#围堰基础为砂砾石，基础用黏土换填截渗沟防渗，堰体无需防渗，围堰顶宽3m，两侧边坡1∶2.5；2#围堰基础为壤土，基础与堰体均无需防渗，围堰顶宽3m，两侧边坡1∶2.5。截渗沟应开挖至基岩，黏土不应含有植物根茎、砖块等杂质，有机质含量不大于2%，易溶盐含量不超过3%，黏粒含量15%～30%，塑性指数10～20，渗透系数不大于10-5cm/s。围堰堰体均质土渗透系数不大于10-4cm/s，水下部分采用抛填施工，水下部分压实度不得低于0.94。

5 结语

在对导流方案进行比选的基础上，提出合理的施工导流设计，充分结合现场地形、地质条件，既能满足现场防洪安全要求，又降低了工程成本。合理的施工导流措施可以为工程的顺利实施创造了良好的条件。施工导流虽然是一项临时工程，但却是水利工程建设过程中必不可少的环节，在编制施工组织设计时一定要高度重视施工导流工作，编制的施工导流方法应合理、节约、可操作性强，从而为主体工程的实施创造良好条件。