任务1.2 导流方案的实施
【引例1.2】某水利工程正常高水位130.00m，死水位112.00m，设计洪水位130.74m，校核洪水位132.40m。
该工程拦河坝的坝型为混凝土重力坝，电站布置在河床右侧的非溢流坝段的后面，为坝后式布置，其中左非溢流坝坝段长度为100m，溢流坝段长度为48m，右非溢流坝段长度167m，溢流坝段布置在河床中部偏左岸，引水压力钢管设在非溢流坝段内。进水口底板高程为95.00m。施工导流设计流量为Q=235m3/s。根据坝址水位-流量关系曲线，采用内插法得到Q=235m3/s时的水位为86.09m。
根据枢纽特点，选择采用分段围堰法施工，分为两段两期：第一期先围左岸，包括左岸非溢流坝段和溢流坝段，进行一期基坑内施工；第二期围河床右岸部分，包括右非溢流坝段（含厂房坝段），进行二期基坑内施工。本工程所在地，河流流量小，河床滩地宽，两岸坡度缓，采用两段两期的施工导流方式完全可以满足要求。
【思考】
（1）导流建筑物设计流量是怎么确定的?
（2）导流时段是怎么划分的?
（3）不同形式围堰的导流注意事项是什么?
1.2.1 导流建筑物的设计流量
导流建筑物的设计流量是选择导流方案，确定导流建筑物的主要依据。而导流建筑物设计洪水标准是选择导流设计流量的标准，即是施工导流的设计标准。
导流建筑物是指枢纽工程施工期所使用的临时性挡水和泄水建筑物。根据其保护对象、失事后果、使用年限和工程规模划分为3～5级，具体按表1.3确定。
表1.3 导流建筑物级别划分
注 1.导流建筑物包括挡水建筑物和泄水建筑物，两者级别相同。
2.表列四项指标均按施工阶段划分。
3.有、无特殊要求的永久建筑物均是针对施工期而言，有特殊要求的1级永久建筑物是指施工期不允许过水的土坝及其他有特殊要求的永久建筑物。
4.使用年限指导流建筑物每一施工阶段的工作年限，两个或两个以上施工阶段共用的导流建筑物，如分期导流一期、二期共用的纵向围堰，其使用年限不能叠加计算。
5.围堰工程规模一栏，堰高指挡水围堰最大高度，库容指堰前设计水位所拦蓄的水量，两者必须同时满足。
导流建筑物设计洪水标准应根据建筑物的类型和级别在表1.4规定幅度内选择，并结合风险度综合分析，使所选标准经济合理，对失事后果严重的工程，要考虑对超标准洪水的应急措施。
表1.4 导流建筑物洪水标准 单位：重现期（年）
注 在下述情况下，导流建筑物洪水标准可用表中的上限值。
（1）河流水文实测资料系列较短（小于20年），或工程处于暴雨中心区。
（2）采用新型围堰结构型式。
（3）处于关键施工阶段，失事后可能导致严重后果。
（4）工程规模、投资和技术难度用上限值与下限值相差不大。
（5）过水围堰的挡水标准应结合水文特点、施工工期、挡水时段，经技术经济比较后在重现期3～20年范围内
选定。当水文系列较长（不小于30年）时，也可根据实测流量资料分析选用。
当坝体筑高到不需围堰保护时，其临时度汛洪水标准应根据坝型及坝前拦洪库容按表1.5规定的洪水重现期（年）。
表1.5 坝体施工期临时度汛洪水标准 单位：重现期（年）
导流泄水建筑物封堵后，如永久泄洪建筑物尚未具备设计泄洪能力，坝体度汛洪水标准应分析坝体施工和运行要求后按表1.6规定执行。汛前坝体上升高度应满足拦洪要求，帷幕灌浆及接缝灌浆高程应能满足蓄水要求。
表1.6 导流泄水建筑物封堵后坝体度汛洪水标准 单位：重现期（年）
1.2.2 导流时段
导流时段是按照导流程序来划分的各施工阶段的延续时间。划分导流时段，需正确处理施工安全可靠和争取导流的经济效益的矛盾。因此要全面分析河道的水文特点、被围的永久建筑物的结构型式及其工程量大小、导流方案、工程最快的施工速度等，这些是确定导流时段的关键。采用低水头围堰进行枯水期导流，是降低导流费用、加快工程进度的重要措施。
在我国，一般河流全年的流量变化过程如图1.18所示。按其水文特征可分为枯水期、中水期和洪水期。在不影响主体工程施工的条件下，若导流建筑物只担负枯水期的挡水泄水任务，显然可以大大减少导流建筑物的工程量，改善导流建筑物的工作条件，具有明显的技术经济效益。
图1.18 河流流量变化过程线
合理划分导流时段，明确不同导流时段建筑物的工作条件，是既安全又经济地完成导流任务的基本要求。导流时段的划分与河流的水文特征、水工建筑物的型式、导流方案、施工进度有关。土坝、堆石坝和支墩坝一般不允许过水，因此当施工期较长，而洪水来临前又不能完建时，导流时段就要考虑以全年为标准，其导流设计流量就应为导流设计标准确定的相应洪水期的年最大流量。但如安排的施工进度能够保证在洪水来临之前使坝体起拦洪作用，则导流时段即可按洪水来临前的施工时段为标准，导流设计流量即为该时段内按导流标准确定的相应洪水重现期的最大流量值。当采用分段围堰法导流时，后期用临时底孔导流来修建混凝土坝时，一般宜划分为三个导流时段：第一时段，河水由束窄的河流通过，进行第一期基坑内的工程施工；第二时段，河水由导流底孔下泄，进行第二期基坑内的工程施工；第三时段，进行底孔封堵，坝体全面升高，河水由永久建筑物下泄，也可部分或完全拦蓄在水库中，直到工程完建。在各时段中，围堰和坝体的挡水高度和泄水建筑物的泄水能力，均应按相应时段内相应洪水重现期的最大流量作为导流设计流量进行设计。
山区型河流，其特点是洪水期流量特别大、历时短，而枯水期流量特别小，因此水位变幅很大。如上犹江水电站坝型为混凝土重力坝，坝体允许过水，其所在河道正常水位时水面宽仅40m，水深6～8m；当洪水来临时河宽增加不大，但水深却增加到18m。若按一般导流标准要求设计导流建筑物，需要加高挡水围堰，或是增大泄水建筑物的尺寸，而使用期又不长，这显然是不经济的。在这种情况下可以考虑采用允许基坑淹没的导流方案，就是大水来临时围堰过水，基坑被淹没，河床部分停工，待洪水退落、围堰挡水时再继续施工。这种方案，由于基坑淹没引起的停工天数不长，施工进度能够保证，而导流总费用（导流建筑物费用与淹没基坑费用之和）却较省，所以是经济合理的。
采用允许基坑淹没的导流方案时，导流费用最低的导流设计流量，必须经过技术经济比较才能确定。
总之，在划分导流时段时，要确保枯水期，争取中水期，还要尽力在汛期中争工期。既要安全可靠，又要力争工期。
1.2.3 导流建筑物的水力计算
导流水力计算的主要任务是计算各种导流泄水建筑物的泄水能力，以便确定泄水建筑物的尺寸和围堰高程。河床水位壅高计算方法如下。
分期导流围堰束窄河床后，使天然水流发生改变，在围堰上游产生水位壅高，如图1.19所示，水位壅高值可采用近似公式式（1.3）试算。即先假设上游水位H0算出Z值，以Z+tcp与所设H0比较，逐步修改H0值，直至接近Z+tcp值，一般2～3次即可。
图1.19 束窄河床水力计算简图
式中 Z——水位壅高，m；
v0——行近流速，m/s；
g——重力加速度，取9.80m/s2；
φ——流速系数，与围堰布置形式有关，取值见表1.7；
vc——束窄河床平均流速，m/s；
Q——计算流量，m3/s；
Wc——收缩断面有效过水断面面积，m2；
bc——束窄河段过水宽度，m；
tcp——河道下游平均水深，m；
ε——过水断面侧收缩系数，单侧收缩时采用0.95，两侧收缩时采用0.90。
表1.7 不同围堰布置的φ值
【引例分析】根据［引例1.2］，该工程的导流设计过程如下。
（1）施工导流设计标准选择。
1）施工导流建筑物级别的选定。根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL 303—2004），以及该工程的级别和围堰工程规模，选定施工导流建筑物为4级。
2）施工导流设计洪水标准的选择。根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL 303—2004），以及导流建筑物的级别，选定导流建筑物的洪水标准为20年一遇（P=5%）。
（2）施工导流时段选择。根据本工程的特征条件采用分段围堰法导流，中后期用临时底孔泄流来修建混凝土坝。划分为三个时段：第一时段，河水由束窄河床通过，进行第一期基坑内施工；第二时段，河水由导流底孔下泄，进行第二期基坑内施工；第三时段，坝体全面升高，可先由导流底孔下泄河水，底孔封堵以后，则河水由永久泄水建筑物下泄，也可部分或完全拦蓄在水库中，直到工程完建。
（3）施工导流设计流量及坝址处河床水位的选择。根据导流设计洪水标准和围堰施工分期，选定施工导流设计流量为Q=235m3/s。根据坝址水位-流量关系曲线，采用内插法得到Q=235m3/s时的水位为86.09m，由于观测点距坝址有300m远，考虑到坡降，选择坝址处水位为86.39m。
（4）施工导流方案的选择。根据枢纽的自然条件、坝体的结构特点及工程的导流施工标准，选择采用分段围堰法施工，分为两段两期。第一期先围左岸，包括左岸非溢流坝段和溢流坝段，进行一期基坑内施工；第二期围河床右岸部分，包括右非溢流坝段（含厂房坝段），进行二期基坑内施工。该工程所在地河流流量小，河床滩地宽，两岸坡度缓，采用两段两期的施工导流方式完全可以满足要求。
（5）第一期导流设计。
图1.20 河床水面宽度及束窄度计算（单位：m）
1）河床水面宽度及束窄度。河床水面宽度由如图1.20所示确定为64m，束窄度取K=60%。
2）水利计算。束窄度取K=60%，抗冲流速v=4m/s。
a.一期束窄段河床过流能力设计。
过水断面面积
b.过水断面为梯形，假设边坡为1∶1，i=4‰，n=0.03，出口处渠底高程83.50m。假定水深为2.5m，则
假定水深为2.48m时，Q=235m3/s。
束窄段河床平均流速为
c.束窄河床段上游水位壅高。
d.上、下游一期横向围堰堰顶高程。
H下=Hz+d+δ=83.5+2.48+0.70=86.68（m）
H上=Hz+z+δ=85.98+0.81+0.75=87.54（m）
（6）第二期导流水力计算。本工程二期采用底孔导流，为了确保泄流能力，拟定采用2个底孔。
1）底孔的布置及断面尺寸的选择。根据水利水电工程设计规范选定：底孔布置在主河床的溢流坝段中，底孔底板距基岩面的距离为2m。底孔进口高程选定84.00m，出口高程83.90m，底孔全长L=57m。
由水力学原理，判定底孔出流为有压自由出流。其泄流能力计算公式为：Q=μw×
（式中hp=0.85D，D为引化直径，μ为流量系数，T为上游水位高程H与底孔出口高程之差）。底孔进水口水头损失系数为ξ进=0.1，闸门槽水头损失ξ槽=0.1，沿程水头损失
（C为谢才系数）。Q=235m3/s时，出口处下游水位高程为86.39m，糙率取n=0.014。
导流计算表见表1.8。
表1.8 导流计算表
续表
底孔泄流量曲线如图1.21所示（两个底孔）。
考虑到施工强度及防洪要求，选定采用两个3m×4.5m的导流底孔。这样既可以满足施工期间导流的要求，又适当减小混凝土的浇筑强度。
2）二期导流水力计算。
上游水位壅高值根据隧洞压力流计算公式
计算得Z=5.99m。
图1.21 底孔泄流能力曲线图
上、下游堰顶高程为
H下=Hz+d+δ=83.5+2.48+0.70=86.68（m）
H上=Hz+z+δ=85.98+5.99+0.75=92.70（m）