孫華云

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，南昌 330000)

1 工程概況

廣豐縣團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程在廣豐縣沙田鎮(zhèn)十六都村境內(nèi)，工程區(qū)與廣豐縣城直線距離為21.6km。該水閘工程閘址處控制流域面積為299.8km2，過閘流量最大值為0.2×104m3/s，屬于饒豐灌區(qū)骨干性水利工程。工程主要建設(shè)內(nèi)容為樁號0+052.49-0+091.31m的泄洪閘加固，樁號0+020.9-0+052.49m、0+091.31-0+138.4m的溢流壩改建；樁號0+000-0+020.9m灌溉進(jìn)水閘拆除重建；0+010.9-0+020.9、0+138.4-0+146.6m重力壩及刺墻；完善必要的工程監(jiān)測及管理房等設(shè)施等。

團(tuán)結(jié)水閘工程閘址控制流域降水量多年平均值為1645.3mm，且年內(nèi)降水配備不均，每年3-8月工程所在地區(qū)進(jìn)入汛期，該期間實(shí)際降水量均值為368.58mm，在全年降水總量中占比約58.9%，而從10月開始至來年2月則屬于枯水期，該期間工程區(qū)降水量僅在全年降水總量中占比31.9%。年氣溫均值為18.1℃，風(fēng)速均值2.1m/s，最大風(fēng)速可達(dá)16.4m/s。地勘資料顯示，閘趾區(qū)不存在滑坡、崩塌等不良地質(zhì)條件。

2 施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程是大(2)型水閘工程，導(dǎo)流建筑物主要為其堰頂高程143.2m、凈寬6m的圍堰，攔蓄庫容150.3×104m3，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其導(dǎo)流建筑物應(yīng)為Ⅲ級。根據(jù)本水閘除險加固工程所處控制性流域的水文特性，為增強(qiáng)導(dǎo)流設(shè)計(jì)及分析結(jié)果的合理性及適用性，確定10月-次年1月為枯水期，且施工導(dǎo)流據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。該水閘除險加固工程在枯水施工期內(nèi)10月至來年1月最枯四個月的洪水設(shè)計(jì)成果詳見表1，施工期內(nèi)月平均流量匯總結(jié)果詳見表2。

表1 施工期內(nèi)第一年最枯月洪水設(shè)計(jì)成果

表2 施工期內(nèi)第一年部分月平均流量

團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程施工圍堰填筑以工程所在地砂卵礫石為主要材料，一期圍堰、二期圍堰分別按枯水期5a一遇、10a一遇洪峰流量11.6m3/s和30.3 m3/s設(shè)計(jì)，壩體度汛主要根據(jù)工程所在流域汛期20a一遇的洪峰流量140.1m3/s設(shè)計(jì)。

2.2 導(dǎo)流方式及程序

綜合考慮團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程控制流域降雨大多集中在3-8月汛期，洪枯流量差異明顯，再結(jié)合閘址處地形地貌地質(zhì)條件，最終決定按照枯水期較低水位圍堰結(jié)合分期導(dǎo)流的方案設(shè)計(jì)。

在第一年汛期過后9月-次年6月，將控制流域左側(cè)主流截?cái)?，并按照P=20%的流量進(jìn)行左側(cè)一期土石圍堰填筑，此外還應(yīng)該充分利用東西兩股主流之間所形成的淺灘進(jìn)行縱向圍堰的填筑處理，圍堵封閉水閘大壩壩軸線樁號0+385處以西的基坑，此后主要通過左邊河床過水。包括基礎(chǔ)處理、防滲板施工、泄水洞及消力池澆筑、混凝土壩段澆筑至165m高程等在內(nèi)的一期基坑開挖施工必須在一個枯水期內(nèi)完成，之后停工撤場，通過右側(cè)河流完成泄洪。

在第二年汛期過后9月-次年6月將控制流域右側(cè)主流截?cái)?，并借助進(jìn)口尺寸為2.5m×3.0m的三孔泄水洞泄水，按照枯水期10a一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪水設(shè)計(jì)，并將右側(cè)二期圍堰填筑后形成二期基坑。開挖混凝土面板砂卵礫石壩址板后使其高程達(dá)到175m，如果出現(xiàn)汛期則應(yīng)當(dāng)基于面板壩擋水的設(shè)計(jì)，通過在溢流壩和泄水洞構(gòu)筑物所預(yù)留的170m設(shè)計(jì)高程的缺口達(dá)到聯(lián)合泄洪的目的。

在第三年汛期過后9月-次年6月仍恢復(fù)泄水洞泄水的情況，并不斷升高左右側(cè)壩體直至年末達(dá)到設(shè)計(jì)高程，到當(dāng)年汛期來臨前金屬結(jié)構(gòu)安裝及調(diào)試工作全部完成，汛期結(jié)束后下閘蓄水，通過2.5m×3.0m 的3孔泄水洞泄水。

2.3 水力計(jì)算

2.3.1 一期導(dǎo)流

團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程一期導(dǎo)流主要借助壩址處右側(cè)束窄河床過水，一期導(dǎo)流流量設(shè)計(jì)值為11.6m3/s，結(jié)合壩址處水位-流量關(guān)系，可以推求出壩址下游水位應(yīng)取值154.6m，采用水力指數(shù)法[1]進(jìn)一步推算壩址下游水位主流水面線，并確定出右岸主流入口處水位和流速分別為164m和10.9m/s。根據(jù)所確定的右岸入口流速，應(yīng)用寬頂堰公式進(jìn)行上游壅高水深計(jì)算，公式如下：

(1)

式中：Z為壩址上游實(shí)際壅高水深，m；φ為水閘除險加固工程控制流域水流流速系數(shù)；ve為水閘閘址右岸主流入口處設(shè)計(jì)流速值，m/s，根據(jù)工程設(shè)計(jì)，應(yīng)取值10.9m/s ；v0為壩址上游實(shí)際行進(jìn)流速值，m/s；g為重力加速度，m/s。將團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程參數(shù)取值代入式(1)后可得上游壅高水深為161.7m。

2.3.2 二期導(dǎo)流

按照二期施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)，考慮到該水閘除險加固工程閘址河床砂卵礫石基礎(chǔ)覆蓋層均事先采取了有效的防滲處理措施，相應(yīng)的導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也調(diào)整為枯水期P=10%，導(dǎo)流流量設(shè)計(jì)值為30.3m3/s，對應(yīng)的下游水位160.1m，根據(jù)類似施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)采用緩坡短管明流[2]的設(shè)計(jì)形式，所應(yīng)采用的計(jì)算導(dǎo)流流量的非淹沒寬頂堰公式表示如下：

(2)

式中：Q為施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量，m3/s；m為施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量表征系數(shù)，可由式m=m0+(0.385-m0)AH/(3A-2AH)計(jì)算，其中m0為進(jìn)口系數(shù)，取0.3，AH為水深和Bk之積，A為與水閘閘址上游壅高水深相對應(yīng)的斷面面積，m2；Bk為寬頂堰底孔孔深，應(yīng)與底寬取相同值；H0為水閘進(jìn)口底檻之上的實(shí)際水深，m。將團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程參數(shù)取值代入式(2)后可得上游水位為165.8m。

三期施工導(dǎo)流分析過程與二期基本相同，故略去。

2.3.3 施工期臨時度汛

團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程汛期施工按照20a一遇進(jìn)行洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量140.1m3/s，設(shè)計(jì)擋水主要采用混凝土面板壩斷面，并借助三孔泄洪洞與溢流壩預(yù)留缺口聯(lián)合泄洪，按照下式進(jìn)行溢流壩預(yù)留缺口泄流水力計(jì)算：

(3)

式中：Q為水閘除險加固工程溢流壩壩體預(yù)留缺口處可能的泄流量，m3/s；ε為閘壩壩體所對應(yīng)的側(cè)收縮系數(shù)；m為閘壩壩體所對應(yīng)的流量系數(shù)，按0.34取值；σ為溢流壩壩體的淹沒系數(shù)；B為溢流壩壩體預(yù)留缺口處實(shí)際過水寬度，m；H0為溢流壩壩體預(yù)留缺口底坎起算的上游水頭取值，m。

通過水量平衡方程[3]進(jìn)行調(diào)洪演算分析：

(4)

式中：△t為調(diào)洪演算所考慮的時段；I為調(diào)洪演算所考慮時段內(nèi)實(shí)際入庫流量平均值，m3/s；Q1為調(diào)洪演算所考慮時段起點(diǎn)處的泄流量，m3/s；Q2為調(diào)洪演算所考慮時段終止時泄流量，m3/s；V1為時段開始時庫容量(×104m3)；V2為時段終止時庫容量(×104m3)。

結(jié)合水量平衡方程和本水閘實(shí)際泄流能力，按照20a一遇標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行洪峰歷時3d洪水設(shè)計(jì)，并按照逐時段進(jìn)行水庫蓄水、泄水等變動趨勢的分析。經(jīng)計(jì)算，水閘調(diào)洪演算所考慮時段初始出入庫流量均為1.3m3/s，調(diào)洪演算所考慮時段終止出入庫流量分別為140.1 m3/s、100.3 m3/s，所對應(yīng)水位68.8m，庫容150.3×104m3，且團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程大壩臨時擋水?dāng)嗝娓鶕?jù)此高程+安全超高進(jìn)行填筑。

2.4 導(dǎo)流建筑物布置

團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程一期圍堰按照梯形結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)長度452.5m，上下游圍堰設(shè)計(jì)高程分別為143.2m、142.1m，上下游圍堰順坡連接縱向圍堰。根據(jù)閘址處水位-流量關(guān)系和枯水期P=20%對應(yīng)的水位+安全超高確定下游圍堰實(shí)際高程，同時結(jié)合水力指數(shù)法根據(jù)下游實(shí)際水位和束窄主流進(jìn)口斷面實(shí)際水位、水流流速等取值進(jìn)行上游圍堰高程值的定量分析。二期圍堰則與導(dǎo)墻直接相連，上下游圍堰設(shè)計(jì)長度分別為167m和164m，設(shè)計(jì)高程為154.5m和153.2m，按閘址處水位-流量關(guān)系所對應(yīng)水位+安全超高確定下游圍堰高程[4]。

在圍堰基礎(chǔ)設(shè)置截滲槽，并將圍堰和基坑邊線的距離控制在3.5m以上，一期下游圍堰頂寬取6.0m，其他圍堰頂寬取4.5m，邊坡坡比設(shè)計(jì)值取1∶2。通過基坑開挖所產(chǎn)生的廢棄料填筑圍堰堰體，并將厚0.3m的砂礫石過渡層鋪設(shè)在截滲槽與圍堰堰體土工膜上下層，在迎水坡增設(shè)0.5m厚的干砌石護(hù)坡，圍堰標(biāo)準(zhǔn)斷面橫剖結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程一期圍堰標(biāo)準(zhǔn)斷面橫剖面圖

由圖可知，團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程圍堰基礎(chǔ)主要采用了灌漿、防滲墻和截滲槽加鋪土工膜的三種防滲形式。水閘閘址處河床主要為大粒徑卵礫石覆蓋層，缺乏可灌注性，河床同時存在較嚴(yán)重的潛流現(xiàn)象，所以圍堰基礎(chǔ)防滲不適宜采用灌漿方式；截滲槽施工快、投資少，且防滲性能良好，但是應(yīng)加強(qiáng)截滲槽施工過程中潛流不利影響的控制。所以，綜合考慮科學(xué)性、工程性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，選擇截滲槽防滲形式，即在圍堰基礎(chǔ)覆蓋層進(jìn)行底寬1.5m、邊坡1∶1.0截滲槽的開挖，并在槽中鋪0.8mm厚的土工膜，使其通過水下不分散混凝土與圍堰堰體土工膜有效壓接后發(fā)揮共同防滲的作用。

3 結(jié) 論

通過分析可知，團(tuán)結(jié)水閘除險加固工程控制性流域?qū)儆诘湫偷募竟?jié)性河流，汛期洪峰大且歷時短，枯水期流量則相對較小。為此，在進(jìn)行工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)時應(yīng)分不同導(dǎo)流時段按照不同導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，以確保安全度汛，控制和降低導(dǎo)流工程量和工程投資。與此同時，施工導(dǎo)流初設(shè)還使圍堰堰體結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步優(yōu)化，采取了設(shè)置截滲槽并加鋪土工膜的方式，使原本隱蔽性施工改變?yōu)槊魍诨靥钍┕?，防滲性增強(qiáng)，投資降低，便于快速施工的開展。