水利工程导流及围堰施工技术应用

陈志阔（上海建工一建集团有限公司，上海 200120）

本工程位于都江堰金马河城我河段，河床砂卵石丰富，且枯水期水位较低，故采用土石围堰较为合理。土石围堰在现代水利工程施工中较为常用，它能充分利用当地材料，对基础适应性强，施工工艺简单[1]。但对于不同的河流而言，其施工的内容及方法却不尽相同，本工程的二期导流及围堰施工及优化为以后相似工程施工提供了借鉴。

1 工程概况

拦河闸工程导流建筑物的级别为 4 级。堤防工程导流建筑物的级别为 5 级。导流标准选择 11—4 月 5 a 一遇洪水。拦河闸工程施工围堰分两期工程，一期工程在左岸河滩部分修筑上、下游及纵向土石围堰，形成左岸施工基坑，进行拦河闸施工，由束窄后的 河床过流。汛期利用已建拦河闸和右岸河床过流。二期工程利用已建混凝土纵向围堰，在右岸河滩部分修建上、下游横向土石围堰，形成右岸施工基坑，进行拦河闸施工，利用已建成的拦河闸过流。

拦河闸工程二期上、下游围堰轴线长度分别为 199.0 m 和197.0 m，堰顶高程分别为 693.8 m 和 691.8 m，最大高度约 5.0 m，顶宽均为 5.0 m，迎、背水侧边坡均为 1.0∶2.0，堰体填料为砂卵石料。纵向围堰与拦河闸混凝土导墙结 合，并向上、下游延伸。混凝土纵向围堰全长 193.0 m，共分为2 段，上纵段长 73.0 m， 下纵段长 120.0 m。上、下纵段堰顶高程分别为 697.5 m 和 692.0 m，底高程 683.5 m。在一期土石围堰保护下施工。二期围堰平面图如图 1 所示。

图1 二期围堰平面图

2 施工导流及围堰的主要内容

2.1 施工截流

2.1.1 导流、截留方式选择

枢纽工程主要建筑物为拦河闸，闸址处河床宽浅，河道中部为江心洲，两侧为主河槽，河道两岸为堤防。右岸房屋较少，左岸房屋较多。导流方式研究中，曾研究过一次断流，右岸开设明渠的导流方式，因导流明渠工程量和拆迁量太大，放弃明渠导流方式，重点研究采用分期导流方案。都江堰市降水年内分配极为不均，雨量集中在 6—9 月，这四个月的雨量约占年降雨量的 70.2 %。通过分析比较 11—4 月及 10—5 月两个时段，围堰工程量相差不大，因主体工程量较大，为尽量延长拦河闸施工时段，采用 10—5 月围堰挡水施工，前期通过束窄河床、后期通过已建拦河闸导流的分期导流方式

综合考虑河道流量、横向宽度大小、施工便捷性及经济可行性等因素，由于立堵法截流无需架设浮桥或栈桥，简化了截流准备工作，因而赢得了时间，节约了投资，因此本工程优先采用立堵截流的方法施工。

2.1.2 截流水力计算

截流水力计算是不稳定流，因来流变化较小，可近似按稳定流计算，在截流过程中，分流量、龙口流量、龙口宽度和形状是变化的。

截流水力计算内容，包括截流过程中立堵预进占的龙口水力特性(流速、水位变化)合龙过程中随着龙口宽度及戗堤高度的变化，上、下游水位落差，泄水建筑物的分流量、龙口泄流量、龙口单宽流量、单宽功率及龙口流速的变化。

（1）截流设计流量。在截流过程中，河道来流量，也就是截流设计流量，将分别经由龙口、5 孔拦河闸及戗堤的渗漏下泄，并有一部分拦蓄在闸前河道中。截流过程中，因库容不大，拦蓄在河道中的水量可以忽略不计，由于立堵截流，可忽略经由戗堤渗漏的水量。

故截流时的水量平衡方程如式（1）所示，

式中：Q0—截流设计流量，m3/s；

Q1—分水建筑物的泄流量，m3/s；

Q2—龙口的泄流量，m3/s；

Q3—上游河槽中的调蓄流量，m3/s；

Q4—戗堤渗透流量，m3/s。

当Q3＋Q4不计算，Q0=Q1＋Q2。

由于《初步设计报告》资料已算出截流设计流量，则Q0选取 112 m3/s。

（2）戗堤预进占阶段水力计算和预留龙口宽度确定。①戗堤预进占阶段水力计算。

戗堤预进占阶段是指形成龙口前的进占阶段,即对应于分流建筑物过水前的进占阶段。其水力计算按河床窄束计算。②预留龙口宽度确定。一般要求龙口流速 ≤2.5～3.5 m/s，水面比降 ≤3‰，水深 ≥2～3 m，初步设计可估算龙口流速。当龙口宽度较小时（＜50 m 时）龙口最大流速可取1.2～1.3 倍龙口平均流速。

2.1.3 立堵截流水力计算

龙口泄流水力计算，为无坎宽顶堰泄流，按堰流计算。不考虑截流水力其他因素。

由于一期左岸上游横向围堰未完全拆除，经实测高程为691.0 m，在二期横向围堰填筑前一期左岸上游横向残余围堰拆除至 690.0 m 高程，确保左岸 5 孔闸正常分流，减小二期截流施工难度。

（1）龙口流速计算。当上游水面与一期残余围堰顶同一高程时，上游水面高程为 690.00 m，即水深为 1.0 m。根据此来计算出此时龙口宽度，如式（2）所示。

式中：ε—侧向收缩系数，此时下游水位未影响出流取 1.0；

σS—淹没系数，取 0.84；

m—流量系数取 0.35；

H—水深取 1.0 m。计算出龙口宽度B=90 m，反算流速V=1.25 m/s。当二期围堰继续填筑时，若上游水面高程为 690.50 m，即水深为 1.5 m。根据式（2）来计算出此时龙口宽度。

一期上游横向残余围堰长约 148.5 m，围堰堰上水深H=0.5 m。计算出一期横向残余围堰堰上流量Q1=32.23 m3/s，故Q2=Q-Q1=112-32.23=79.77 m3/s。

计算出龙口宽度B=33.5 m，反算流速V=1.6 m/s。

同理，根据上述堰流公式，经水力学计算如表 1 所示。

表1 截流水力计算结果

由表 1 可知，上游水深 H=2.15 m 时，二期过流为 0 ，所有流量均从一期横向残余围堰过流，最大流速 1.86 m/s。

（2）龙口宽度与流量关系曲线如图 2 所示。

图2 龙口宽度与流量关系曲线

2.1.4 截流材料的选择、尺寸和数量

截流材料的选择：一般立堵截流的护底长度与龙口水跃特性有关，轴线下游护底长度可按水深的 3～4 倍取值，轴线以上可按最大水深的两倍取值。龙口护底是一种保护覆盖层免受冲刷，降低截流难度，提高抛投料稳定性及防止戗堤端部坍塌的行之有效的措施。

本次截流龙口形成于上游横向围堰与左隔墙交接段，由于右岸主河槽砂卵石堆积成层较稳定，且一期工程度汛前，已按设计图纸在上游左隔墙右侧底部设置 8.5 m 宽度铅丝石笼防护，可不考虑预抛护底。

设计要求抛填体为混凝土四面体，但由于四面体需要预制，需要大面积场地，且混凝土养护周期长、经济性较差，并不适合本工程。鉴于金马河河床砂卵石丰富，决定改为同等体积的铅丝石笼（规格 2 m×1 m×1 m）为抛填材料。其经过钢筋加工场焊接，在抛填位置附近装填卵石后就可进行抛填，既经济又高效，为最佳方案选择。

截流材料的尺寸：按上述龙口水力学计算最不利流速考虑，即龙口宽 2 m左右时，截流材料的尺寸取决于龙口的流速。抛投材料的抗冲流速，根据兹巴什公式，其计算公式为:

式中：d—石块化引为球状的当量粒径，m；

rs—石块密度，一般石块 = 2.25 t/m3；

r—水的密度，取 1.0 t/m3；

g—重力加速度 9.8 m/s2；

k—稳定系数，取 K=1.0；

v—计算流速，通常计算流速可取龙口平均流速；

V=1.86×1.3=2.42m/s。

公式中求出d应乘以 1.2～1.5 安全系数。

经公式计算得出：d=0.24 m，1.5 d≈0.36 m。

龙口宽 2 m 左右时，为最不利流速，可考虑将抛投体 2个串联起来抛投，以满足龙口流速 2.42 m/s 情况。

截流材料数量：立堵截流时，最大粒径材料数量，按困难我段抛投总量的1/3计算。在实际工程使用特殊材料数量，约占合龙段总工程量的 10%～30%，一般15%～20%，不利条件可达 30%，若按最终合龙段统计，特殊材料所占比例约为60%。

二期截流戗堤总抛填量：V=15.0×7.9×(5.0 ＋36.6)/2=328.64 m3

最大粒径抛填量约 110.0 m3，按每个混凝土立方体为1.0 m3计，则需预制 82 个单列体。

采用钢筋石笼（规格 2 m×1 m×1 m）作为抛填体，抛填体折算为钢筋石笼，需 55 个。当水力条件十分不利时，可将两个钢筋石笼串连抛投，同时考虑抛投时钢筋石笼的损坏及富余系数 1.5，则钢筋石笼 1.5×55≈83 个。

2.1.5 截流填筑

二期围堰龙口位置设于右岸上游横向围堰与左隔墙交接段，预留龙口宽度约 33.5 m。

戗堤施工过程中，首先用挖掘机把底部松散的砂卵石清理至较为密实处，堰体基底面低于原河床流水面 1.0 m 以下。戗堤由右向左单向立堵法进占，上游水深约为 2.15 m，戗堤高程按照 692.0 m 控制（即厚度 3.0 m），利用横向围堰右端的施工道路将围堰填筑所需的砂卵石料运至岸边从右向左进占填筑。戗堤高出水面后，再由 D120 推土机摊铺，13.5 t 振动碾压实。

合龙时，随着龙口束窄，流速增大，先用大块石至龙口位置平行抛投，预抬龙口高程，当左岸已建 5 孔闸与龙口共同泄流时，再用自卸汽车背运大粒径块石向上游作挑角抛投，超前进占，同时在过水断面作裹头逐渐推进，再用推土机和挖掘机将备好的直径 ＞0.36 m 的大块石、钢筋石笼（2 m×1 m×1 m）集中抛投，增大投抛料的稳定性，减少块料流失，加大截流施工强度，加快施工速度，直至合龙成功。

2.1.6 截流闭气

截流完成后，一般采用设置反滤层的铺设方法进行闭气施工，在戗堤迎水面抛投级配砂卵石，然后再在砂卵石层上面抛填较细的砂或粘土，直至基本堵死渗透为止。在抛投料物时，使之各抛填物稳定、均匀。

二期上下游横向围堰采用水平防渗方式，即在堰体上游坡及堰前铺设复合土工膜，复合土工膜水平延伸 15 m。

在上下游横向围堰与左隔墙交接处，复合土工膜按设计图纸铺设并翻边至左隔墙垂直面 0.3 m 高，采用 50 mm×50 mm 角钢，用 φ 6 mm 膨胀螺栓固定于墙面，保证其防渗效果。

下游围堰截流合龙后，上下游即进行围堰加高、加宽至设计高程。

2.2 围堰填筑及防渗施工

2.2.1 围堰填筑

二期横向围堰采用砂卵石填筑，下游横向围堰滞后于上游围堰施工。填筑砂卵石拟采用4 台 1.6 m3液压反铲挖机装车，12～16 台 12 t 自卸汽车运至上、下游围堰填筑我，D120 推土机沿横向围堰设计轴线向水中推料进占，由推土机平场，13.5 t 振动碾根据一期通过试验确定的碾压参数分层压实 8 遍。现场碾压试验结论参数如表 2 所示。

表2 现场碾压试验结论参数表

2.2.2 复合土工膜防渗施工

复合土工膜施工工艺流程为：施工准备→河道平整→下垫层铺填→复合土工膜铺设→复合土工膜拼接→质量检验→上垫层铺填→铅丝笼卵石铺填→验收。

（1）复合土工膜的选择。复合土工膜采用两布一膜，设计要求膜厚 ≥0.5 mm，土工布规格为 250 g/m2，但经过一期围堰试验及现场施工效果反映，规格为 250 g/m2的土工布其拉伸断裂强度（设计要求 ≥20 kN/m）及抗穿刺能力较弱，现场铺贴质量合格率较低，容易造成返工现象，对枯水期有限的水利工程极为不利，后经过多规格品种的土工布现场试验，决定采用 1 200 g/m³ 的土工布为最佳方案。

（2）复合土工膜的铺设及拼接。沿垂直于围堰轴线方向水平滚铺，铺设应在干燥暖和天气进行，并尽量保证铺设工作面干地施工。为了便于拼接，防止应力集中，复合土工膜铺设采用波浪形松驰方式，富余度约为 1.5%，摊开后及时拉平、拉开，要求复合土工膜与坡面吻合平整，无突起褶皱。施工人员应穿平底布鞋或软胶鞋，严禁穿钉鞋，以免踩坏土工膜；施工时如发现土工膜损坏，应及时修补。

焊接采用热熔焊法施工，拼接包括土工布的缝接、土工膜的焊接，为了确保焊接质量，由专业技术人员采用土工膜专用焊接设备进行。

（3）上下垫层及铅丝笼卵石铺填。①上下砂垫层施工。在复合土工膜下方先均匀铺填 20 cm 砂垫层，人工铺设方格网控制标高进行找平、拍实后，再进行复合土工膜的铺设。最后在复合土工膜上人工均匀铺填 20 cm 砂垫层并找平拍实。②50～100 cm 铅丝石笼施工。在上游横向围堰水平段、末端铺设 50 cm 厚的铅丝石笼，在上、下游围堰与隔墙接合加强段处采用 150 cm 厚铅丝石笼过渡的方式处理。

铅丝石笼填充物采用卵石，粒径范围为150 mm≤D≤300 mm，应级配良好、质地坚硬、遇水不易崩解和水解、抗风化。卵石料在上、下游河滩地进行人工拣选。将铅丝笼按照要求，顺坡堆砌好，人工向铅丝笼内填石料，直至铅丝笼内的石料填满后，进行铅丝笼的封盖。

3 施工结果检验

设计要求围堰堰身相对密度 ＜0.60，经现场检测，平均相对密度为 0.70，满足设计要求。按照设计标准其渗水量按照围堰 10—5 月 10 a 一遇最高水位时，二期基坑渗漏量应＜7 800 m3/d，二期围堰施工完成后，现场基坑渗流量为4 800 m³/d，满足设计要求。

4 结 语

随着经济社会的快速发展，西部大开发战略的实施，越来越多中小型水利工程在西部涌现。虽然围堰作为水利工程中的临时工程，但却又是最为重要的工程之一，围堰施工质量的好坏直接影响了整个工程施工的安全性。本工程处于砂卵石丰富河床上，通过就地取材的方式，大大提高了施工导流及围堰的经济性。并通过对相关材料的优化选择，水力、龙口的安全计算，大大减小了整个工程的危险性，其中相关的实施经验可为其他同类工程提供参考。