第一节 施工导流方式与泄水建筑物
在江河上修建水利水电工程时，为了使水工建筑物能在干地上进行施工，用围堰维护基坑，并将水流引向预定的泄水通道往下游宣泄，称为施工导流。
施工导流的方式大体上可分为两类，即分段围堰法导流、全段围堰法导流。与之配合的导流方式主要包括淹没基坑法导流、隧洞导流、明渠导流、涵管导流以及施工过程中的坝体底孔导流、缺口导流和不同泄水建筑物的组合导流等。
一、分段围堰法导流
分段围堰法亦称为分期围堰法，即用围堰将水工建筑物分段、分期维护起来进行施工的方法。图1-1所示为两期导流的例子。首先在右岸进行第一期工程的施工，水流由左岸的束窄河床宣泄。一般情况下，在修建第一期工程时，为使水电站、船闸早日投入运行，满足初期发电和通航的要求，应优先考虑建造水电站、船闸，并在建筑物内预留底孔或缺口。到第二期工程施工时，水流就通过船闸、预留底孔或缺口等下泄。
所谓分段，就是在空间上用围堰将永久建筑物分为若干段进行施工。所谓分期，就是在时间上将导流分为若干时段。图1-2所示为导流分期和围堰分段的几种情况，从图中可以看出，导流的分期数和围堰的分段数可以不同。因为在同一导流分期中，建筑物可以在一段围堰内施工，也可以同时在两段围堰中施工。必须指出，段数分得愈多，围堰工程量愈大，施工也愈复杂；同样，期数分得愈多，工期有可能拖得愈长。因此，在工程实践中，二段二期导流用得最多。只有在比较宽阔的通航河道上施工、不允许断航或其他特殊情况下，才采用多段多期的导流方法。
图1-1 分段围堰法导流
（a）平面图；（b）下游立视图；（c）导流底孔纵断面图
1—一期上游横向围堰；2—一期下游横向围堰；3—一、二期纵向围堰；4—预留缺口；5—导流底孔；6—二期上下游围堰轴线；7—护坦；8—封堵闸门槽；9—工作闸门槽；10—事故闸门槽；11—已浇筑的混凝土坝体；12—未浇筑的混凝土坝体
分段围堰法导流，当河水较深或河床覆盖层较厚时，纵向围堰的修筑常常十分困难。若河床一侧的河滩基岩较高且岸坡稳定又不太高陡时，采用束窄河床导流是较为合适的。采用分段围堰法导流时，纵向围堰位置的确定，也就是河床束窄程度的选择是关键问题之一。在确定纵向围堰的位置时，应重视下列问题：充分利用河心洲、小岛等有利地形条件；纵向围堰尽可能与导墙、隔墙等永久建筑物相结合；需要考虑施工通航、筏运、围堰和河床防冲等要求时，不能超过允许流速；各段主体工程的工程量、施工强度要比较均衡；便于布置后期导流泄水建筑物，不致使后期围堰过高或截流落差过大。
图1-2 导流分期与围堰分段示意图
（a）两段两期；（b）三段两期；（c）三段三期；（d）三段三期
分段围堰法导流一般适用于河床宽、流量大、工期较长的工程，尤其适用于通航河流和冰凌严重的河流。这种导流方法的导流费用较低，一些大、中型水利水电工程采用较广。例如，湖北葛洲坝和三峡、江西万安、辽宁恒仁、浙江富春江、广西大化等水利枢纽工程都采用这种导流方法。
分段围堰法导流，前期通常利用被束窄的原河道导流，后期要通过事先修建的泄水道导流。
束窄河床导流一般取决于束窄河床段的允许流速，即围堰及河床的抗冲允许流速。如允许河床被适当刷深，或预先将河床挖深、扩宽，采取防冲措施，也可以采用束窄河床导流。在通航河流上，束窄河段的流速、水面比降、水深及河宽等还应与当地航运部门共同协商确定。
河床束窄程度可用面积束窄度（K）表示：
式中：A2为围堰和基坑所占的过水面积，m2；A1为原河床的过水面积，m2。
国内外一些工程河床的束窄度K的取值范围约在40%～70%之间，见表1-1。
表1-1 部分典型水利水电工程河床束窄程度值
图1-3 分段围堰束窄段水力计算图
（a）剖面图；（b）平面图
1、2—冲刷地段；3—围堰
束窄段河床的平均流速，可粗略按下式确定：
式中：vc为束窄段河床的平均流速，m/s；Q为导流设计流量，m3/s；ε为侧收缩系数，单侧收缩时采用0.95，两侧收缩时采用0.90。
由于围堰将河床束窄，改变了河床内原来的水流状态，在束窄段前产生水位壅高（图1-3），其壅高值可由下式估算：
式中：z为壅高，m；φ为流速系数，随围堰的平面布置形式而定，当平面布置为矩形时φ=0.75～0.85，为梯形时φ=0.80～0.85，有导流墙时φ=0.85～0.90；v0为行近流速，m/s；g为重力加速度。
二、全段围堰法导流
全段围堰法导流，就是在河床主体工程的上下游各建一道断流围堰，使水流经河床以外的临时或永久泄水道下泄。主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。
采用这种导流方式，当在大湖泊出口处修建闸坝时，有可能只筑上游围堰，将施工期间的全部来水拦蓄于湖泊中。另外，在坡降很陡的山区河道上，若泄水道出口的水位低于基坑处河床高程时，也无需修建下游围堰。
三、辅助导流的主要方式
在运用上述两类导流方式时，往往要选用合适的辅助施工导流方式配合水流控制。其主要的导流方式有：
1.淹没基坑法导流
这种导流方法在全段围堰法和分段围堰法中均可使用。山区河流的特点是洪水期流量大、历时短，而枯水期流量则很小，水位暴涨暴落、变幅很大。例如江西上犹江水电站，坝型为混凝土重力坝，坝身允许过水，其所在河道正常水位时水面宽仅40m，水深约6～8m，当洪水来临时，河宽增加不大，水深却增加到18m。若按一般导流标准要求来设计导流建筑物，不是挡水围堰修得很高，就是泄水建筑物的尺寸很大，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法，即洪水来临时围堰过水，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。由于基坑淹没所引起的停工天数不长，施工进度能保证，在河道泥沙含量不大的情况下，这种方法一般合理可行。
2.明渠导流
通常，在河床一侧的河滩基岩较高且岸坡稳定又不太高陡时，通过束窄河床修建导流明渠；有时可将河床适当扩宽，形成导流明渠（图1-4）。在第一期围堰维护下先修建导流明渠，河水由束窄河床下泄，导流明渠河床侧的边墙常用作第二期的纵向围堰；第二期工程施工时，水流经由导流明渠下泄。
图1-4 四川龚嘴水电站明渠导流
（a）平面图；（b）剖面图
1—一期围堰轴线；2—导流明渠；3—二期上游横向围堰；4—二期下游横向围堰；5—二期纵向围堰；6—导流底孔；7—非溢流坝段；8—溢流坝段；9—坝后式厂房；10—地下厂房
明渠导流，一般适用于岸坡平缓的平原河道。在规划时，应尽量利用有利条件，以取得经济合理的效果。如利用当地老河道，或利用裁弯取直开挖明渠，或与永久建筑物相结合，埃及的阿斯旺坝就是利用了水电站的引水渠和尾水渠进行施工导流（图1-5）。
明渠导流（图1-6）是在河岸边坡开挖渠道，在基坑上下游修筑围堰，水流经渠道下泄。
图1-5 埃及阿斯旺坝利用水电站引水渠和尾水渠导流
1—电站引水渠；2—电站尾水渠；3—电站进水口；4—电站引水隧洞；5—电站厂房；6—坝体；7—上游围堰；8—下游围堰
图1-6 明渠导流
1—坝体；2—上游围堰；3—下游围堰；4—导流明渠
例如，我国广西的岩滩、陕西的安康、四川的映秀湾、宁夏的大柳树及福建的水口等。目前导流流量最大的明渠为中国三峡工程导流明渠，其轴线长3410.3m，断面为高低渠相结合的复式断面，最小底宽350m，设计导流流量为79000m3/s，通航流量为20000～35000m3/s。
导流明渠的布置，一定要保证水流顺畅，泄水安全，施工方便，缩短轴线，减少工程量。明渠进出口应与上下游水流平顺衔接，进口轴线与主流交角以不大于30°为宜；为保证水流畅通，明渠轴线转弯半径以不小于3倍明渠宽度为宜；采用一次断流围堰导流时，应注意防止围堰冲刷，上游横向围堰轴线与导流明渠进口轴线交角宜为45°～60°，且围堰上游坡脚距导流明渠进口距离不小于30m，下游围堰同导流明渠交角大于60°，堰脚至出口距离不宜小于30m。此外，为减少渠中水流向基坑内入渗，明渠水面到基坑水面之间的最短距离宜大于（2.5～3.0）H（明渠水面与基坑水面的高差，以m计）。
设计导流明渠时，必须重视下述问题。
（1）明渠的糙率。它不但关系到渠身尺寸的大小、导流费用的高低，而且关系到整个工程导流能否顺利进行，需要认真对待。特别是在岩层中开挖不加衬砌的明渠，往往对糙率n值估计偏低。例如柘溪水电站的导流明渠，设计导流流量是2700m3/s，但实际只能宣泄2100m3/s。因为设计糙率n为0.03，而实测n值达0.037～0.042。为确保导流计划的实施，应进行模型试验验证，并严格控制施工质量。
（2）明渠的出口消能。明渠的泄流量较大，而渠宽相对较窄。例如，四川铜街子水电站的导流明渠，净宽仅60m，泄量为9200m3/s，单宽泄量达153m3/（s·m），渠底纵坡又为10‰的陡坡，水流对明渠出口附近河床覆盖层的冲刷威胁很大，为此在明渠的末端设置了消力墩及消力坎等消能设施。
（3）明渠与永久建筑物的结合。这已被很多实际工程所采用，例如，贵州与广西交界处南盘江上的天生桥二级水电站，布置在右岸的导流明渠，与永久建筑物中的引水明渠、取水口及引水隧洞明管段相结合，使导流工程的费用大为降低。整个导流明渠由三段组成：前段，从导流明渠进口（拦沙坎）至坝轴线，直接利用永久引水明渠，长212m，平均底宽65m。为了形成导流明渠进口，拦砂坎只浇闸墩，底板以上的溢流堰安排在后期浇筑；中段，由引水隧洞取水口和明管段组成，长124m，底宽50m，为了形成明渠，明管段仅浇筑左边墙和右岸护坡，明管段本身混凝土留至后期施工；后段为导流需要而设置的明渠，长174m，底宽40～50m。三段总长510m，其布置如图1-7所示。
图1-7 贵州天生桥二级水电站工程导流明渠布置图
1—导流明渠；2—拦沙坎；3—1号、2号、3号引水隧洞轴线；4—坝轴线；5—纵向围堰（导流明渠左边墙）；6—二期上游围堰；7—二期下游围堰
3.隧洞导流
隧洞导流（图1-8）是在河岸山体中开挖隧洞，在基坑上下游修筑围堰，水流经由隧洞下泄。
图1-8 雅砻江二滩水电站隧洞导流
1—混凝土拱坝；2—上游围堰；3—下游围堰；4—右导流隧洞；5—左导流隧洞
导流隧洞的布置，取决于地形、地质、枢纽布置以及水流条件等因素。具体要求与水工隧洞类似。但必须指出，为了提高隧洞单位面积的泄流能力，减小洞径，应注意改善隧洞的过流条件。隧洞进出口应与上下游水流平顺衔接，出口段洞轴线与河道主流方向的交角一般不小于30°为宜，进口段交角视具体情况可适当放宽，以防止出口水流冲刷及进出口水流对上、下游围堰的影响；有条件时，隧洞最好布置成直线，若有弯道，其弯曲半径应大于5倍洞径，转角宜小于60°，曲线两端以不小于5倍洞宽的直线相连，否则，因离心力作用会产生横波，或因流线折断而产生局部真空，影响隧洞泄流，严重时还会危及隧洞安全。隧洞进出口与上下游围堰之间要有适当距离，一般宜大于50m，以防隧洞进出口水流冲刷围堰的迎水面。如河北官厅水库洞口离截流戗堤太近，戗堤防渗层受进洞主流冲刷，致使两次截流闭气失败。一般导流临时隧洞，若地质条件良好，可不作专门衬砌。为降低糙率，应进行光面爆破，以提高泄量，降低隧洞造价。一般来说，糙率n值减少7%～15%，可使隧洞造价降低2%～6%。
一般山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实，采用隧洞导流较为普遍。如亚洲最大横断面的二滩导流隧洞工程（宽×高为17.5m×23m，两条洞长度分别为1.03km和1.1km，设计流量13500m3/s）；金沙江溪洛渡导流隧洞工程（6条隧洞总长度达9.39km，标准断面达18m×20m，设计流量27000m3/s）是我国目前最大规模的导流隧洞工程。对于高坝大库工程的多条导流隧洞，进口宜分层布置。隧洞是造价昂贵和施工复杂的地下建筑物，通常导流隧洞与泄洪洞、引水洞、尾水洞、放空洞等永久隧洞相结合。但是，由于永久隧洞的进口高程通常较高，而导流隧洞的进口高程通常较低，可开挖一段低高程的导流隧洞与永久隧洞低高程部分相连，导流任务完成后将导流隧洞进口堵塞，不影响永久隧洞运行。这种布置方式俗称“龙抬头”，例如云南毛家村水库的导流隧洞就与永久泄洪隧洞结合起来进行布置（图1-9）。只有当条件不允许时，才专为导流开挖隧洞，导流任务完成后还需将它堵塞。
图1-9 云南毛家村水库导流隧洞与永久隧洞结合布置
1—永久隧洞；2—导流隧洞；3—混凝土堵头
4.底孔导流
底孔导流时，应事先在混凝土坝体内修建临时或永久底孔（图1-1），导流时让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游，保证工程继续施工。如为临时底孔，则在工程接近完工或需要蓄水时加以封堵。这种导流方法在分段分期修建混凝土坝时用得比较普遍。
采用临时底孔时，底孔的尺寸、数目和布置应通过相应的力学计算分析决定。其中底孔的尺寸在很大程度上取决于其承担的任务（导流、过木、过船、过鱼），以及水工建筑物的结构特点和封堵闸门设备的类型。底孔的布置应满足截流、围堰工程及其封堵等要求。如底坎高程布置较高，则截流落差较大，围堰较高，但封堵时的水头较低，封堵相对容易些。一般底孔的底坎高程应布置在枯水位之下，以保证枯水期泄流。当底孔数目较多时，可以布置在不同高程，封堵时从高程最低的底孔开始，这样可以减少封堵时闸门所承受的水压力。
临时底孔的断面多采用矩形，为了改善孔周的应力状况，也可采用有圆角的矩形。按水工结构要求，孔口尺寸应尽量小，但若导流流量较大或有其他要求时，则应采用尺寸较大的底孔，见表1-2。
表1-2 部分典型水利水电工程导流底孔尺寸
底孔导流的优点是：挡水建筑物上部的施工可以不受水流干扰，有利于均衡连续施工，这对修建高坝特别有利。若坝体内有永久底孔可以利用时，则更为理想。底孔导流的缺点是：由于坝体内设置了临时底孔，使钢材用量增加；如果封堵质量不好，会削弱坝的整体性，还可能漏水；泄流能力往往不大；在导流过程中，底孔有被漂浮物堵塞的危险；封堵时，由于水头较高，安放闸门及止水等工作均较困难。
5.坝体缺口导流
在混凝土坝施工过程中，当汛期河水暴涨暴落，其他导流建筑物又不足以宣泄全部流量时，为了不影响施工进度，使大坝在涨水时仍能继续施工，可以在未建成的坝体上预留缺口（图1-1），以配合其他导流建筑物宣泄洪峰流量；待洪峰过后，上游水位回落，再继续修筑缺口。预留缺口的宽度和高度取决于导流设计流量、其他泄水建筑物的泄水能力、建筑物的结构特点和施工条件等。采用底坎高程不同的缺口时，高低缺口单宽流量相差过大可能引起高缺口向低缺口的侧向泄流。为避免这种压力分布不均匀的斜向卷流，需要适当控制高低缺口间的高差。根据柘溪工程的经验，其高差以不超过4～6m为宜。
在修建混凝土坝（特别是大体积混凝土坝）时，由于这种导流方法比较简单，常被采用。
6.涵管导流
涵管导流主要适用于流量不大情况下的土石坝、堆石坝工程，目前已很少采用。
涵管通常布置在河岸岩滩上，其位置常在枯水位以上，这样可在枯水期不修围堰或只修小围堰而先将涵管筑好，然后再修上、下游全段围堰，将水流导入涵管下泄，如图1-10所示。
涵管一般为钢筋混凝土结构。当有永久涵管可以利用时，采用涵管导流是合理的。在某些情况下，可在建筑物岩基中开挖沟槽，必要时加以衬砌，然后封上混凝土或钢筋混凝土顶盖，形成涵管。利用这种方法，往往可以获得经济可靠的效果。由于涵管的泄水能力较低，所以一般仅用于导流流量较小的河流上，或只用来承担枯水期的导流任务。
图1-10 涵管导流
（a）平面图；（b）上游立视图
1—上游围堰；2—下游围堰；3—涵管；4—坝体
必须指出，为了防止涵管外壁与坝身防渗体之间的接触渗流，可在涵管外壁每隔一定距离设置截流环，以延长渗径，降低渗透坡降，减少渗流的破坏作用。此外，必须严格控制涵管外壁防渗体填料的压实质量。涵管管身的温度缝或沉陷缝中的止水也必须认真对待。
在实际工作中，由于枢纽布置、建筑物型式以及施工条件的不同，必须进行恰当的组合，灵活应用，才能合理解决一个工程在整个施工期间的导流问题。
底孔和坝体缺口泄流，并不只适用于分段围堰法导流，在全段围堰法后期导流时，也常有采用；同样，隧洞和明渠泄流，也并不只适用全段围堰法导流，在分段围堰法后期导流时，也常有应用。因此，选择一个工程的导流方式，必须因地制宜，绝不能机械套用。另外，实际工程中所采用的导流方式和泄水建筑物型式，除了上面提到的以外还有其他多种型式。例如在平原河道河床式水电站枢纽中，利用电站厂房导流；在有船闸的枢纽中，利用船闸导流；在小型工程中，如果导流设计流量较小，可以采用穿过基坑架设渡槽的导流方法等。