项目1 导截流工程施工
任务1.1 导流方案的选择
【引例1.1】柘溪水电站位于湖南柘溪峡谷河段，为深V形河床。枯水期水面宽约96m，水深15m；洪水期水面宽度增加不多，而水深可达28m。基岩由变质细砂岩及长石英岩组成，岩性坚硬。坝型为混凝土溢流式大头坝，全长310.5m，坝高104m。坝后式厂房，位于右岸，由隧洞引水入厂房，厂房长132m，宽22.9m。
根据坝址的自然特点、河床形状、水深、冲积层厚等考虑，首先放弃了分期导流方式，提出了四个导流方案：长隧洞导流；短隧洞导流；明渠导流；明渠和隧洞联合导流。导流方案图如图1.1所示。
【思考】
（1）为什么要施工导流?
（2）施工导流有哪几种方案?
（3）施工导流各个方案的优缺点有哪些?
（4）什么是围堰?
（5）什么是全段围堰法和分段围堰法?
（6）导流围堰的种类有哪些?各有什么优缺点?
1.1.1 施工导流方法
施工导流是对施工过程中水流控制的全面部署，是水利水电工程施工中的关键性问题。导流方案的合理选择是导流规划的核心。天然河道径流量的大小及全年分配情况，枢纽建筑物的特征、坝址的地形、地质情况，施工队伍的技术水平，器材的供应情况等因素不但影响导流分期和导流时段的划分，而且影响导流方案的确定。
施工导流的基本方法大体可分为两类：一类是全段围堰法，即用围堰拦断河床，全部水流通过事先修好的导流泄水建筑物流走；另一类是分段围堰法，即水流通过河床外的束窄河床下泄，后期通过坝体预留缺口、底孔或其他泄水建筑物下泄。不管是分段围堰法还是全段围堰法导流，当挡水围堰可过水时，均可采用淹没基坑的特殊导流方法。这里介绍二种基本的导流方法。
1.1.1.1 全段围堰法
全段围堰法导流，就是在修建于河床上的主体工程上、下游各建一道拦河围堰，使水流经河床以外的临时或永久建筑物下泄，主体工程建成或即将建成时，再将临时泄水建筑物封堵。该法多用于河床狭窄，基坑工作量不大，水深，流急，难于实现分期导流的地方。全段围堰法按其泄水道类型有以下几种。
图1.1（一）柘溪水电站导流方案
图1.1（二）柘溪水电站导流方案
1.隧洞导流
山区河流，一般河谷狭窄、两岸地形陡峻、山岩坚实，采用隧洞导较为普遍。但由于隧洞泄水能力有限，造价较高，一般在汛期泄水时均另找出路或采用淹没基坑方案。导流隧洞设计时，应尽量与永久隧洞相结合。隧洞导流的布置型式如图1.2所示。
图1.2 隧洞导流的布置型式
1—隧洞；2—坝轴线；3—围堰；4—基坑
2.明渠导流
明渠导流是在河岸或滩地上开挖渠道，在基坑上、下游修筑围堰，河水经渠道下泄。它用于岸坡平缓或有宽广滩地的平原河道上。若当地有可利用的老河道或工程修建在弯道上时，采用明渠导流比较经济合理。明渠导流的布置型式如图1.3所示。
图1.3 明渠导流的布置型式
1—坝轴线；2—上游围堰；3—下游围堰；4—导流明渠
图1.4 涵管导流的布置型式
1—上游围堰；2—下游围堰；3—涵管；4—坝体
3.涵管导流
涵管导流一般在修筑土坝、堆石坝中采用，但由于涵管的泄水能力较小，因此一般用于流量较小的河流上或只用来担负枯水期的导流任务。涵管导流的布置型式如图1.4所示。
4.渡槽导流
渡槽导流方式结构简单，但泄流量较小，一般用于流量小，河床窄，导流期短的中、小型工程。渡槽导流的布置型式如图1.5所示。
1.1.1.2 分段围堰法
分段围堰法（或分期围堰法），就是用围堰将水工建筑物分段分期围护起来进行施工（图1.6）。所谓分段，就是从空间上用围堰将拟建的水工建筑物圈围成若干施工段；所谓分期，就是从时间上将导流分为若干时期。导流的分期数和围堰的分段数并不一定相同。导流分期与围堰分段如图1.7所示。
分段围堰法前期由束窄的河道导流，后期可利用事先修好的泄水建筑物导流。常用泄水建筑物的类型有底孔、缺口等。分段围堰法导流，一般适用于河流流量大、槽宽、施工工期较长的工程中。
图1.5 渡槽导流示意图
1—上游围堰；2—下游围堰；3—渡槽
图1.6 分期导流示意图
1—坝轴线；2—上横围堰；3—纵围堰；4—下横围堰；5—第二期围堰轴线
图1.7 导流分期与围堰分段示意图
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—表示施工分期
1.底孔导流
采用底孔导流时，应事先在混凝土坝体内修好临时或永久底孔；然后让全部或部分水流通过底孔宣泄至下游。如为临时底孔，应在工程接近完工或需要蓄水时封堵。底孔导流的布置型式如图1.8所示。
底孔导流挡水建筑物上部的施工可不受干扰，有利于均衡、连续施工，这对修建高坝有利，但在导流期有被漂浮物堵塞的危险，封堵水头较高，安放闸门较困难。
2.缺口导流
混凝土坝在施工过程中，为了保证在汛期河流暴涨暴落时能继续施工，可在兴建的坝体上预留缺口宣泄洪峰流量，待洪峰过后，上游水位回落再修筑缺口，称为缺口导流（图1.9）。
图1.8 底孔导流
1—二期修建坝体；2—底孔；3—二期纵向围堰；4—封闭闸门门槽；5—中间墩；6—出口封闭门槽；7—已浇筑的混凝土坝体
图1.9 坝体缺口过水示意图
1—过水缺口；2—导流隧洞；3—坝体；4—坝顶
1.1.2 导流建筑物
1.1.2.1 围堰
围堰是一种临时性水工建筑物，用来围护河床中基坑，保证水工建筑物施工在干地上进行。在导流任务完成后，对不能作为永久建筑物的部分或妨碍永久建筑物运行的部分应予以拆除。
通常按使用材料将围堰分为土石围堰、草土围堰、混凝土围堰、钢板桩格型围堰、木笼围堰等；按所处的位置将围堰分为横向围堰、纵向围堰；按围堰是否过水分为不过水围堰、过水围堰。
围堰的基本要求：
（1）安全可靠，能满足稳定、抗渗、抗冲要求。
（2）结构简单，施工方便，宜于拆除，并能充分利用当地材料及开挖弃料。
（3）堰基易于处理，堰体便于与岸坡或已有建筑物连接。
（4）在预定施工期内修筑到需要的断面和高程。
（5）具有良好的技术经济指标。
1.围堰的结构
（1）土石围堰（图1.10）。土石围堰能充分利用当地材料，地基适应性强，造价低，施工简便，设计应优先选用。
1）不过水土石围堰。对于土石围堰，由于不允许过水，且抗冲能力较差，一般不宜做纵向围堰，如河谷较宽且采取了防冲措施，也可将土石围堰用作为纵向围堰。土石围堰的水下部位一般采用混凝土防渗墙防渗，水上部位一般采用黏土心墙、黏土斜墙、土工合成材料等防渗。
2）过水土石围堰。当采用淹没基坑方案时，为了降低造价、便于拆除，许多工程采用了过水土石围堰型式。为了克服过水时水流对堰体表面冲刷和由于渗透压力引起的下游边坡连同堰顶一起的深层滑动，目前采用较普遍是在下游护面上压盖混凝土面板。
图1.10 土石围堰
1—堆石体；2—黏土斜墙、铺盖；3—反滤层；4—护面；5—隔水层；6—覆盖层；7—垂直防渗墙；8—灌浆帷幕；9—黏土心墙
（2）草土围堰（图1.11）。草土围堰是黄河上传统的筑堤方法，它是一种草土混合结构。施工时，先用稻草或麦草做成长1.2～1.8m、直径0.5～0.7m的草捆，再用长6～8m、直径4～5cm的草绳将两个草捆扎成件，重约20kg。堰体由河岸开始修筑，首先沿河岸迎水面在围堰整个宽度内分层铺设草捆，并将草绳拉直放在岸上，以便与后铺的草捆互相联结。铺草时，应使第一层草捆浸入水中1/3，各层草捆按水深大小叠接1/3～1/2，这样逐层压放的草捆就形成一个坡角约35°～45°的斜坡，直至高出水面1.5～2.0m为止。随后在草捆层的斜坡上铺上一层厚0.25～0.30m的散草，再在散草上铺一层厚0.25～0.30m的土层。土质以遇水易于崩解、固结为好，可采用黄土、砂壤土、黏壤土、粉土等。铺好的土只需用人工踏实即可。接着在填土面上同样做堰体压草、铺散草和压土工作，如此继续进行，堰体即可向前进占，后部的堰体也渐渐深入河底，如图1.12所示。
图1.11 草土围堰（单位：m）
1—戗土；2—土料；3—草捆
图1.12 草土围堰施工示意图（单位：m）
1—黏土；2—散草；3—草捆；4—草绳；5—河岸线或堰体
（3）混凝土围堰（图1.13）。混凝土围堰的抗冲及抗渗能力强，适应高水头，底宽小，易于与永久建筑物相结合，必要时可以过水，因此应用较广泛。峡谷地区岩基河床，多用混凝土拱围堰，且多为过水围堰型式，可使围堰工程量小，施工速度快，且拆除也较为方便。采用分段围堰法导流时，重力式混凝土围堰往往作为纵向围堰如三门峡工程的纵向围堰如图1.14所示。现在混凝土围堰一般采用碾压混凝土，在低土石围堰保护下施工，施工速度快。
图1.13 拱形混凝土围堰
1—拱身；2—拱座；3—灌浆帷幕；4—覆盖层
图1.14 三门峡工程的纵向围堰（单位：m）
（4）钢板桩格型围堰。钢板桩格型围堰是重力式挡水建筑物，由一系列彼此相接的格体构成。按照格体的形状，可分为圆筒形格体、扇形格体和花瓣形格体，如图1.15所示。这些型式适用于不同的挡水高度，应用较多的是圆筒形格体。钢板桩格型围堰是由许多钢板桩通过锁口互相连接而成为格型整体。钢板桩的锁口有握裹式、互握式和倒钩式三种（图1.16）。格体内填充透水性强的填料，如砂、砂卵石或石渣等。在向格体内填料时，必须保持各格体内的填料表面大致均衡上升，高差太大会使格体变形。
图1.15 钢板桩格型围堰平面型式
图1.16 钢板桩锁口示意图
钢板桩格型围堰的优点有：坚固、抗冲、抗渗、围堰断面小，便于机械化施工；钢板桩的回收率高，可达70%以上；尤其适用于束窄度大的河床段作为纵向围堰的情况。但由于需要大量的钢材，且施工技术要求高，我国目前仅应用于大型工程中。
圆筒形格体钢板桩围堰适用的挡水高度一般小于18m，可以建在岩基上或非岩基上，也可作为过水围堰用。
圆筒形格体钢板桩围堰的修建由定位、打设模架支柱，模架就位，安插钢板桩，打设钢板桩，填充料渣，取出模架及其支柱和填充料渣到设计高程等工序组成（图1.17）。圆筒形格体钢板桩围堰一般需在流水中修筑，受水位变化和水面波动的影响较大，故施工难度较大。
图1.17 圆筒形格体钢板桩围堰施工工序图
1—支柱；2—模架；3—钢板桩；4—打桩机；5—填料
2.围堰堰顶高程的确定
围堰的堰顶高程，不仅取决于导流设计流量和导流建筑物的型式、尺寸、平面位置、高程和糙率等，还要考虑到河流的综合利用和主体工程工期。
（1）上游围堰的堰顶高程。
式中 H上——上游围堰堰顶高程，m；
hd——下游水面高程，m，可直接由原河流水位流量关系曲线中查得；
Z——上、下游水位差，m；
δ——围堰的安全超高，m，按表1.1选用。
（2）下游围堰堰顶高程。
式中 H下——下游围堰堰顶高程，m；
hd——下游水面高程，m；
δ——围堰的安全超高，m，按表1.1选用。
表1.1 不过水围堰顶安全超高下限值 单位：m
围堰拦蓄一部分水流时，则堰顶高程应通过水库调洪计算来确定。纵向围堰的堰顶高程，要与束窄河床中宣泄导流设计流量时的水面曲线相适应，其上、下游端部分别与上、下游围堰同高，所以其顶面往往做成倾斜状。
1.1.2.2 导流泄水建筑物
1.导流明渠
（1）布置原则。弯道少，避开滑坡、崩塌体及高边坡开挖区；便于布置进入基坑的交通道路；进、出口与围堰接头满足堰基防冲要求；避免泄洪时对下游沿岸及施工设施冲刷，必要时进行导流水工模型验证。
（2）明渠断面设计。明渠底宽，底坡和进、出口高程应使上、下游水流衔接条件良好，满足导、截流和施工期通航、过木、排冰要求。设在软基上的明渠，宜通过动床水工模型试验，改善水流衔接和出口水流条件，确定冲坑形态和深度，并采取有效消能抗冲设施。
导流明渠结构型式应方便后期封堵。应在分析地质条件、水力学条件并进行技术经济比较后确定衬砌方式。
2.导流隧洞
导流隧洞应根据地形、地质条件合理选择洞线，保证隧洞施工和运行安全。相邻隧洞间净距、隧洞与永久建筑物之间间距、洞脸和洞顶岩层厚度均应满足围岩应力和变形要求。尽可能利用永久隧洞，其结合部分的洞轴线、断面型式与衬砌结构等均应满足永久运行与施工导流要求。
隧洞型式，进、出口高程尽可能兼顾导流、截流、通航、放木、排冰要求，保证进口水流顺畅，水面衔接良好，不产生气蚀破坏，洞身断面方便施工。洞底纵坡根据施工条件及泄流水力条件等选择。
导流隧洞在运用过程中，常遇明、满流交替流态，当有压流为高速水流时，应注意水流掺气，防止因此产生空蚀、冲击波，导致洞身破坏。
隧洞衬砌范围及型式通过技术经济比较后确定，应研究解决封堵措施及结构型式的选择。
3.导流底孔
导流底孔设置数量、高程及其尺寸宜兼顾导流、截流、过木、排冰要求。进口型式选择适当的椭圆曲线，通过水工模型试验确定。进口闸门槽宜设在坝外，并能防止槽顶部进水，以免气蚀破坏或孔内流态不稳定影响流量。
利用永久泄洪、排沙和水库放空底孔兼做导流底孔时，应同时满足永久和临时运用要求。坝内临时底孔使用后，需用与坝体混凝土相同的混凝土材料回填封堵，并采取措施保证新老混凝土结合良好。
【引例分析】根据［引例1.1］，结合提出的四个导流方案进行导流方案设计。
第一方案：长隧洞导流。上游为土石木笼过水围堰。导流设计流量为9650m3/s，围堰设计挡水流量为2000m3/s，坝内设4个5.5m×15m导流底孔。当流量超过2000m3/s时，围堰溢流，底孔过水。导流隧洞长475m，洞径为16m方圆形断面。冲沟低洼处用50m长明管连接。冲沟洪水由山溪泄洪隧洞排出。下游围堰布置在厂房下游。
第二方案：短隧洞导流。上游围堰布置与第一方案相同。导流隧洞通过坝肩下部，与厂房引水隧洞立面交叉，洞长270m，直径16m。由于隧洞出口低于常水位，故施工初期厂房与隧洞出口先用一期厂房围堰挡水，待隧洞放水后，再修二期厂房围堰保护厂房施工。下游围堰则靠近坝身布置。其他与第一方案相同。
第三方案：明渠导流。在左岸台地坝体范围内布置一导流明渠，坝轴线处渠底高程为90.00m。渠长480m，底坡0.0025。明渠右岸设纵向围堰与上、下游横向围堰连接，保护大坝和厂房同时施工。坝内设4个5.5m×15m底孔。当流量超过2000m3/s，上游围堰溢流，底孔过水。
第四方案：明渠和隧洞联合导流。导流明渠布置在左岸，底宽16m，底坡为0.003。基坑由上、下游横向围堰与明渠右边墙纵向围堰连接围护。导流隧洞布置在右岸，洞径12m。坝内设4个5.5m×15m底孔。
上述四个方案比较结果，第一方案优点多，缺点少，且导流费用较低，可靠性也较好。因此初设阶段作为推荐的方案。后来由于条件的变化，认为第四方案较为灵活。明渠在1958年底挖通后，即进行围堰合龙闭气，随后隧洞过水，从而可提前进行坝基开挖，并浇筑部分混凝土，第一个枯水期可得到充分利用，为确保1960年底发电，创造了有利的条件。故第四方案作为施工采用方案。
四个方案的详细比较见表1.2。工程施工过程中经验教训总结如下：
（1）当流量达到1270m3/s时，上游纵向围堰发生84m长的决口，不仅打乱了工期计划，使施工处于被动局面，并且推迟了发电日期，仅堵口混凝土费用就达35万余元。
（2）上游横向围堰轴线距隧洞和明渠进口太近，以致围堰施工场地受到限制，对基坑施工干扰也很大。特别是隧洞和明渠的进口贴近围堰铺盖的两侧，严重影响围堰的防渗质量。
（3）明渠实际泄流能力只为设计值得41%。原因是设计时采用的糙率为0.030，由于明渠内杂物和出口围堰爆破清理不彻底，实际的糙率值为0.0384。
表1.2 导流方案比较
