水利工程施工中导流施工技术的应用

◎姬硕 新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司

水利工程是关乎民生的基础建设，必须与当地的人文、地形地貌、经济发展等实际情况相互结合，实地调查河道与河流，结合调查结果规划水利工程施工建设方案，选择科学、合理的导流施工技术，降低施工成本，提高施工安全与质量。近年来，科技的发展极大地促进了水利工程施工技术水平的提升，导流施工技术的广泛应用，降低了水利工程的施工难度，提高了施工效率，已经成为水利工程建设中不可或缺的重要施工技术。具体实践中，应结合施工现场特点，因地制宜地选择导流方式。

1.导流施工技术简介

1.1 明渠导流施工

明渠导流技术首先需要在基坑上游或下游设置一个围堰，通过修建围堰的方式起到导流作用，比如在河岸或者海滩上修建水道；在地形较宽的区域修建渠道等，通过这些方式让水流下泄。施工人员可以在综合分析水利工程施工导流需求的基础上设置明渠，施工过程中充分考虑明渠导流的轴线，优化明渠及出口与高程等重要指标。比如明渠的进口需要设置在水利工程河道的上游，出口设置在下游，上下游的水流相互连接，以达到疏导水流的目的。明渠与河道的交角不超过30°，在不影响工程正常施工的情况下，应尽量缩短明渠长度，减少施工量。明渠疏导施工通常应用于河床较窄、河岸较宽的区域，能够很好地处理较大的水流量，保障水利工程的整体施工安全。

1.2 隧洞导流施工

通过在河流岸边修建隧道来实现导流效果，隧洞导流通常用于地形复杂、地势不利于施工的区域，通过导流的方式一定程度上减少施工对河水造成的污染，避免生态环境受到严重破坏。隧洞导流技术对土地、岩石的要求较高，施工时间较长，主要用于水流量较大的区域。施工过程中需要把握好隧洞出口与入口的直径，避免孔径太小而被泥沙堵塞，如有必要，还应清理和疏导隧洞，保证隧洞能够有效发挥导流效果。

1.3 分段围堰导流施工

通过修建围堰的方式保护河床，此技术尽管施工成本较低，但施工周期较长，涉及的施工要素较多，施工量大，需要全面做好施工管理，妥善安排施工内容。施工的地理位置不同，分段围堰导流方式也存在各种差异，比如泄洪口的设计、孔径大小等，需要相关方协调讨论后确定[1]。第一阶段的围堰施工需要在枯水期内完成，以降低河水涨潮引起的风险；第二阶段的施工需要实现横向与纵向围堰的相互结合，合理设置运输路线，提高施工质量。

2.导流施工水力分析

本文通过有限元法进行数值模拟，分析导流施工水力特点。首先模拟水利工程的施工过程数值；其次是模拟水利工程施工中导流施工水力数值。利用有限元软件模拟施工数值，在导流施工的洞口上施加并释放荷载，每次荷载完成一个循环，便代表一个施工步骤，因此在数值模拟过程中不可一次性完成所有荷载的施加。采用有限元法分析施工数值模拟，通过相关系数控制荷载的施加与释放。通过设置目标函数A，可得到公式：

α：各个导流施工的步增量；

δ：当前模拟的导流施工荷载的释放系数；

F：导流施工洞口水力的等效结点力。

利用公式（1），可以对水利工程的导流施工数值进行模拟分析，并结合导流施工洞口的水力数值模拟施工过程，考虑等效替换导流施工洞口水力的方法，完成混凝土和水力的强度等效替换，把导流施工水力模拟转换成等抗压强度的混凝土力学模拟，以降低数值模拟难度。有限元分析表达式为：

E：折算后混凝土弹性模量；

g：导流施工水力的最大应力；

s：导流施工横截面积；

q：混凝土弹性模量；

v：导流施工材料的屈服强度。

通过公式（2）可以模拟导流施工水力数值，分析导流施工水力，为导流施工的有效控制提供理论基础。

要想合理控制水利工程的导流施工，不仅要分析水力，更要确定导流能力。因为水利工程的导流能力是导流施工技术的核心，并直接决定导流施工水平。不同状态下，水利工程的导流能力也会有所差异，这种差异可体现在自由出流、过度出流、淹没出流三方面，其表达公式为：

m：自由出流的流量系数；

p：上游水深；

B：下游水深；

ψ：淹没出流的流量系数；

H：泄洪洞底的高程；

hs：从隧洞进口的断面底部算起的上游水头。

根据公式（3）计算出水流工程的导流能力后，为后续导流施工的进出口高程设置提供理论依据。

3.导流施工内容

要想从施工位置把水流向下游引导，必须采用导流施工技术，从而为水利工程创造干燥的施工环境，加快施工进度。本质上，导流施工技术的根本作用是对水流进行控制和引导，包括截流、下闸蓄水、基坑排水几个环节。

导流施工技术是在水利工程建设过程中，为了保证水位较低区域的施工建设能够顺利开展而设置的围堰，从而实现对基坑的保护效果，把水引导到设计好的方向[2]。全段围堰与分段围堰是两种常用的导流方式，设计导流方案是水利工程施工的重点与难点，需要充分结合工程的安全过度汛期、施工工期、质量要求等。在工程建设方案的设计阶段，细致的部署工作，充分考量以下内容：①了解施工现场周边河流的位置、水文特点；了解当地的地形地貌、地质与气候特征等。②施工之前，结合实际情况把握导流施工的时间，计算导流流量。记录导流生效的时间，总结、对比多种导流施工方式与效果，结合实际情况选择实用性最强的一种导流方式。③规划导流经过的区域，设计导流顺序并保证其科学性，制定施工方案，用以指导导流建筑的封堵和围堰的拆卸。④制定河流汛期基坑的排水措施，结合水利工程的具体特点选择导流施工技术，为施工质量保驾护航。

结合当地的水文特点、地形特点确定导流方式。水文方面，应详细了解水位、枯水期、水流量、汛期等信息。过水围堰适用于水位变化明显的情况；涵管导流则适合水流量较小的情况或者枯水期。地形方面，需要了解河床的宽度和走向，根据这两点合理选择河床外导流或者分段导流方式，如果河床较窄，可采用明渠导流。中后期导流可分为蓄水阶段和临时挡水度汛两个阶段，然而，在坝体高度超出围堰高度的情况下，可能会使导流设施堵塞，这是临时挡水度汛阶段。如果坝体高度未超出围堰高度，在完成永久的泄洪设施后，就进入蓄水阶段。常用的度汛措施有过水度汛与土坝度汛两种，施工中尽量保证坝体的高度能够高于拦洪高度，以起到阻挡水流度汛的效果。

4.水利工程施工中导流技术的实践与应用

4.1 明渠导流施工技术

此技术的适用范围较广，但更多的是用在河面较窄、河床较深的地段。因为这种环境下并不适合采用分批导流方式，而明渠导流施工便能很好的解决河面窄、河床深区域的施工问题，充分保障施工效率与施工质量。明渠导流施工技术的应用需要满足几个条件：①施工河床区域存在台地、古河道、垭口等增加施工难度的设施；②因气候、温度等客观因素，作为通航节点的河床结冰；③河流量大、地质条件差，无法采用水下挖隧道导流的方式；④施工工期紧迫，必须在工期内完成水流工程建设。

导流的主轴线、明渠的高程以及进出口所处的位置等因素，与明渠施工技术的应用效果密切相关。通常情况下，明渠可修建在滩地或者山坡等区域。①主轴线：在古河道、垭口等区域修建明渠，能够有效减少水流量，降低引流难度。设计明渠主轴线时，应保证明渠中的水流通畅，尽量缩短明渠长度，在满足导流要求的基础上减少工程量，节约施工成本。将主轴线长度控制在50～100m，基本能够抵抗住水流冲击。②高程进出口位置：需要不对河流原本的功能造成不良影响，同时还要控制施工成本，保证明渠的两端不会回流，淤泥不会堆积在出入口的位置，不会影响水流走向。

4.2 隧洞导流施工技术

隧洞导流适用于河流量较小、地形复杂、河面较窄的区域。首先，施工之前应该设计好隧洞的主轴线，并以主轴线为基准，保证后续施工有条不紊的开展。其次，根据水利工程的施工建设手册计算主轴线，在周主线的拐角位置，计算水流的流速、水流量，得出水流惯性，最终确定主轴线的曲率与长度，保证主轴线设计的科学性，提高隧洞施工质量。再次，隧洞之间需要保持一定距离，以免因隧洞过于靠近、相互导通，影响河水导流。围岩厚度也需要达到设计要求，充分保障隧洞性能。最后，隧洞入口与出口的水流应保持通畅，根据实际情况设计坡度大小，保证实际应用中不存在反向坡度现象，避免反坡水流严重冲刷隧洞，缩短隧洞的使用寿命。

在水利工程施工区域的地形、地貌特点比较复杂的情况下，施工企业应全面勘察施工现场，了解施工条件，合理设计隧洞导流技术。隧洞导流的施工成本较高，对施工技术的要求较高，只有在地形特点无法使用其他导流施工技术时，再考虑隧洞导流。实践中，施工人员需要在河床区域顺利通入水源的情况下进行隧洞引水，以免发生意外状况，提高施工质量。隧洞分流的设计应该详细，在施工刚刚开始的阶段，就应该设置好隧洞内部的分流轴线，根据规范要求确定隧洞长度和面向角度，保证可以充分发挥出隧洞功能。合理把握围岩厚度与间距，使围岩的受力符合施工要求。

导流隧洞的开挖与支护设计参数，如表1所示。

4.3 分段围堰施工技术

分段围堰施工指的是在河床施工区域修建若干基坑，分阶段的实现导流功能。在河床宽、施工量大、水流量大的区域应用分段围堰施工，能够充分满足水利工程对河道通航的需求，此技术常用的导流方式有底孔导流、梳齿导流、束窄河床导流等。分段围堰施工的关键在于根据水利工程的导流要求，提前修建好泄水设施，备好导流的缺口与底孔，以免对径流路线产生影响[3]。

施工人员在应用分段围堰技术时，还应计算出各个区域的最大流速，比如，采用“束窄河床”施工工艺，围堰转角部位的水流速度就会加快，围堰底部受到严重冲刷。因此需要提前计算出分段围堰各个施工区域的最大流速：

V0：河床上游水流行进速度；

hv0：行进流速水头；

Zo：计入行进流速的水头差；

αi：沿着纵向围堰不同部位产生的压力差。

分段围堰施工质量会直接对水利工程的导流效果产生影响，施工技术要点如下：

（1）施工前与当地水利部门充分沟通，将施工场地的水排放干净，清除淤泥和杂物，开挖基坑，根据水利工程的施工要求和施工特点明确围堰位置。施工中河道的出水点、泵站的分布情况都会对围堰位置产生影响，位置明确后，应该在此处做好标识，根据主体结构确定围堰坡脚的施工地点，围堰坡脚和主体结构之间相距20m。

（2）参考上游和下游围堰的具体特点设计围堰修建方案，上游围堰的施工可就地取材，用施工区域的土壤来填筑，然后使用推土机进行整平和压实，修正围堰，将围堰各层的填筑厚度控制在30cm以内。上游围堰修建完成后，抽净河道内的水，用同样的方法完成下游围堰的修筑。施工结束后开始导流，辅助水流工程的施工，合理控制水流的冲击力[4]。

5.结束语

综上所述，导流施工技术能够提高水利工程的施工效率与施工质量，降低施工难度，减少工程量。为了保障导流施工的有序开展，施工前需要全面调查施工环境，根据调查结果选择导流施工方式，确定施工周期与施工技术要点，做好人员管理与施工任务的安排；统一组织施工人员参加技术培训，树立安全施工理念，学习科学先进的导流施工技术，促进我国水利工程事业的长远发展。