小型水利工程利用鋼管導(dǎo)流的實(shí)例探析

左向利

（西安市漕運(yùn)明渠建設(shè)管理處 陜西 西安 710016）

在水利工程中,施工導(dǎo)流往往貫穿于工程施工的全程。而施工導(dǎo)流方案的選擇，往往是施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。受水利工程現(xiàn)場情況復(fù)雜，因素多變、工期長等因素制約，導(dǎo)流問題經(jīng)常困繞施工人員。下面就幾個工程中利用鋼管進(jìn)行小流量導(dǎo)流的實(shí)例作以闡述。

1 皂河雁環(huán)一路橋洞（底板）渠道襯砌利用鋼管導(dǎo)流實(shí)例

1.1 項目背景

1.1.1 皂河治理工程概況

皂河發(fā)源于長安區(qū)水寨村，全長27.338km。上游（治理樁號0+000至12+800）位于雁塔區(qū)，中游（治理樁號12+800至22+181）位于未央?yún)^(qū)，下游（治理樁號22+181至27+338）位于未央?yún)^(qū)和經(jīng)開區(qū)，分期施工。

1.1.2 導(dǎo)流工程基本情況

在第三期工程治理中，雁環(huán)一路橋上下游渠道原來為土渠，按照設(shè)計，需要采用漿砌石襯砌。該段皂河日常流量1.7m3/s～2.0m3/s。施工時，受現(xiàn)場條件制約，該橋上游導(dǎo)流渠在左岸，橋下游導(dǎo)流渠在右岸布置，完成了新設(shè)計段渠道襯砌。要完成橋洞下渠道（底板及邊坡）襯砌，就需要把橋下老皂河常流量流水導(dǎo)出，方可無水作業(yè)，滿足底板土方開挖及砌石施工。當(dāng)時施工單位提出的導(dǎo)流方案是在上游導(dǎo)流渠末端采用管徑1.2m預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管頂管穿過雁環(huán)路。設(shè)計過流量2.0m3/s。在實(shí)施時，因為市政道路管理部門不允許下穿施工，對順利完成本段工程施工造成一定影響，亟待解決橋下導(dǎo)流問題，以保證工程順利進(jìn)行，按期通水。

1.2 導(dǎo)流方案的提出

筆者現(xiàn)場踏勘以后，認(rèn)為即使允許頂管，頂管施工也不能完全解決導(dǎo)流問題。因為頂管穿越公路以后，導(dǎo)流渠渠水仍在左岸，需在已完成襯砌的渠道斷面內(nèi)回填并夯實(shí)土方，上部做導(dǎo)流明渠或架跨河管道導(dǎo)水至右岸，歸入下游導(dǎo)流渠，施工程序復(fù)雜。研究實(shí)際情況并經(jīng)過有關(guān)計算，確定以直徑1.0m鋼管，采用焊接方式接長，用37cm厚、1.0m寬磚墩支撐架空，斜穿橋洞連接上游導(dǎo)流渠出口和下游導(dǎo)流渠進(jìn)口進(jìn)行施工導(dǎo)流，有效解決頂管穿越公路后二次導(dǎo)流問題。示意如圖1。

1.2.1 有關(guān)水力學(xué)計算

鋼管管徑的確定：根據(jù)壓力管道允許流速的經(jīng)驗值，流速宜選用1.5m/s～2.5m/s。本工程上下游導(dǎo)流渠渠底高差約0.70m，這里可以選取流速較大值2.5m/s。根據(jù)平均過流量計算相應(yīng)的水管直徑，其計算公式為：

式中，d——管徑，m;

Q——流量，m3/s；

v——流速，m/s。

經(jīng)計算，求得管徑為1.0m。

1.2.2 過水流量驗算：

按照短管、淹沒出流計算，流量計算公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；

μc——流量系數(shù)；

ω——管道過水?dāng)嗝婷娣e，m2；

g——重力加速度；

z——上下游水頭差，m。

其中：

上式中，λ——沿程阻力系數(shù)；

Σζ——局部水頭損失系。

本計算加工鋼管長度為14m，經(jīng)過水力學(xué)計算，過流量2.18m3/s。

計算結(jié)果表明，采用直徑1.0m鋼管，在上下游水頭差0.70m情況下，鋼管過流量大于日常流量，所用鋼管滿足常規(guī)流量導(dǎo)流要求。

1.3 導(dǎo)流需要的輔助作業(yè)及注意事項

本鋼管導(dǎo)流方案在實(shí)施過程中，施工輔助作業(yè)及注意事有以下幾點(diǎn)：

（1）先在橋底西側(cè)埋一根10m長（管徑1.2m，避開磚支墩位置）玻璃鋼夾砂管，作為渠底過常流量時水的臨時通道，導(dǎo)走上游來水，滿足磚墩砌筑施工和磚墩底部砌石施工。

（2）導(dǎo)流鋼管必須保證焊接質(zhì)量。為滿足過流時的穩(wěn)定性要求，采用37cm厚、1.0m寬的磚墩支撐鋼管（鋼管壁厚18mm），墩頂部以細(xì)石混凝土坐滿，支穩(wěn)鋼管，不使鋼管水平滾動，磚墩間距約2m，焊縫處必須設(shè)置磚墩支撐。

（3）上游來水可能會因降雨而增大，應(yīng)適時加高鋼管上游入口處導(dǎo)流渠岸頂高程，以確保鋼管壓力過流。同時，安排專人打撈導(dǎo)流鋼管進(jìn)口處大的漂浮物，以免堵塞。

這一導(dǎo)流案例，在施工中遇到了一次較強(qiáng)降雨，上游來水量加大，最大流量約2.50m3/s,且持續(xù)了3個小時左右，上游導(dǎo)流渠水位上升淹沒鋼管，鋼管進(jìn)口上游回水長度約120m。采取了在上游導(dǎo)流渠末端架設(shè)4臺污水泵，直接抽排至下游導(dǎo)流渠道內(nèi)，減小了鋼管導(dǎo)流水的下泄壓力，保證了上游導(dǎo)流渠水位不上升、不外溢，沒有給上游導(dǎo)流渠外菜地、農(nóng)田造成水患。鋼管導(dǎo)流在皂河雁環(huán)一路橋渠底襯砌中應(yīng)用取得理想的效果。

2 皂河雁雀門段三橋車輛廠污水管道利用跨河鋼管導(dǎo)流

2.1 項目背景

在皂河雁雀門段工程治理中，結(jié)合施工區(qū)段實(shí)際條件，導(dǎo)流渠布置在擬建渠道右岸，而車輛廠污水管（D 500）在擬建渠道左岸注入老皂河，常流量在300L/s。一直采用在老皂河土渠中筑橫向圍堰，圍堰頂部做成“U”型明渠導(dǎo)入左岸導(dǎo)流渠，圍堰底部壓占施工區(qū)段開挖襯砌長約15.80m，成為制約全面完成渠道襯砌，影響通水的節(jié)點(diǎn)部位。

2.2 導(dǎo)流方案的提出及實(shí)施

為解決被壓占段施工土方開挖、渠道襯護(hù)問題，緊靠臨時污水導(dǎo)流“U”型明渠下游，以直徑500mm的鋼管代替明渠，在土方開挖過程中采用木架支撐加斜拉線，保證鋼管通水時不彎曲、不走偏，維持正常工作狀態(tài)。架空鋼管導(dǎo)流后，土方可以正常開挖，有效地解決了橫向圍堰配合明渠導(dǎo)流壓占施工工作面問題。

3 西安市團(tuán)結(jié)水庫（漢城湖）注清水工程頂管穿越大環(huán)河段渠底鋼管導(dǎo)流

3.1 項目背景

西安市團(tuán)結(jié)水庫注清水工程施工，按照設(shè)計，在穿越昆明路大環(huán)河段（管線樁號3+120至3+150）采用頂管施工。大環(huán)河日常流量在3.0m3/s，河底為漿砌石襯護(hù)，厚度約40cm。團(tuán)結(jié)水庫注清水工程穿越大環(huán)河下方頂管管頂（高程391.71），距離穿越處大環(huán)河渠底襯砌頂部（高程392.73）僅1.02m。

3.2 導(dǎo)流方案的提出

考慮到大環(huán)河襯砌形式即砌石結(jié)構(gòu)主要功能是防沖，為保證注清水工程頂管作業(yè)在穿越大環(huán)河底部時，不致因為渠底滲水而導(dǎo)致頂管過程中土壤含水量高，出現(xiàn)頂管端頭土方、大環(huán)河渠底砌石坍塌等現(xiàn)象。在頂管管軸線約9m范圍內(nèi)之上的大環(huán)河河底縱向排設(shè)2根直徑1400mm鋼管（采用頂管設(shè)計中的內(nèi)套過水管管徑，避免專門加工過水管道造成的材料浪費(fèi)），管長9m（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂管作業(yè)時開挖范圍2m），用來解決大環(huán)河常流量過水可能存在的污水下滲問題。

3.2.1 實(shí)施方案

在導(dǎo)流鋼管進(jìn)、出口分別壓黃土草袋筑橫向圍堰。圍堰頂寬1m，底寬2m，頂部高出鋼管管頂約20cm，上下游圍堰中間填黃土閉氣，使污水從鋼管中完全通過，最大限度防止污水下滲至頂管作業(yè)開挖范圍的土壤之內(nèi)，以保證頂管作業(yè)土方正常開挖。

在注清水工程頂管穿越施工時，施工單位組織有力，管理科學(xué)，頂進(jìn)速度快，且在5月中旬前完成了穿越作業(yè)，這段時間大環(huán)河流域內(nèi)并沒有較大的降雨發(fā)生，大環(huán)河日常流量波動不大，鋼管導(dǎo)流未出現(xiàn)大環(huán)河流量較大時壅水。

3.2.2 導(dǎo)流預(yù)案

如遇施工期較強(qiáng)降水，大環(huán)河上游來水水量較大，可從圍堰和管頂過水。如果降雨使得上游來水增加，可能造成圍堰上游產(chǎn)生較高較長的壅水，應(yīng)及時拆除草袋圍堰，機(jī)械在岸上挖除渠底土方，通過焊接在鋼管上面的起吊環(huán)，采用50t吊車(主要是利用臂長特點(diǎn))吊起鋼管，保障大環(huán)河正常過洪。同時，停止頂管作業(yè)，等大環(huán)河水位回落至常水位后方可頂進(jìn)施工。

圖1 皂河雁環(huán)一路橋下鋼管導(dǎo)流平面示意圖

圖2 漕運(yùn)明渠改造段斷面圖

圖3 漕運(yùn)明渠改造段剖面圖

4 西安市第四污水處理廠二期擴(kuò)改工程引水口—漕運(yùn)明渠渠底取水槽施工導(dǎo)流構(gòu)想

4.1 項目背景

四污二期工程設(shè)計引水流量2.25m3/s，也即漕運(yùn)明渠樁號5+000處常流量。擬對漕運(yùn)明渠局部進(jìn)行改造，改造段長度4m（取水槽凈寬度3m），將改造段原渠道漿砌石結(jié)構(gòu)改造為鋼筋砼整體結(jié)構(gòu)，改造段渠底高程下降1.3m形成凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)置復(fù)合斷面流槽，流槽頂加設(shè)復(fù)合鋼蓋板截留大的污物，在漕運(yùn)明渠左岸埋設(shè)D 1200mm，125m長的玻璃鋼加砂管將漕運(yùn)明渠污水引入進(jìn)廠控制井內(nèi)。取水槽施工范圍：順?biāo)鞣较蜷L4m，寬8m（漕運(yùn)明渠渠底寬度），結(jié)構(gòu)型式為C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，見圖 2、3。

4.2 導(dǎo)流方案的提出

修建渠底取水槽，需先導(dǎo)流，再進(jìn)行渠底拆除、土方開挖，再進(jìn)行改造結(jié)構(gòu)施工。如破河堤和堤頂路面進(jìn)行渠外導(dǎo)流，則影響渠道正常管護(hù)工作開展，且拆除河渠工程，恢復(fù)工程量大。

若在渠底采用閉合圍堰分期導(dǎo)流，受渠底寬度小（8m），修筑黃土草袋圍堰使有效開挖斷面減小過甚（根據(jù)水利水電工程施工導(dǎo)流導(dǎo)則D L T－5114-2000,第6.2.2條規(guī)定：分期導(dǎo)流時，一期圍堰對河床的束窄宜小于60%,縱橫向圍堰宜布置成梯形。如果預(yù)留渠底60%寬度即4.8m過水，剩余3.2m渠底，減去縱向圍堰底約壓占渠底橫向開挖寬度2.4m，則可開挖寬度僅余0.8m）。同時，分期導(dǎo)流施工工序復(fù)雜，圍堰時工作難度大，堰體閉水效果難以保證，且堰體工程量大，清理困難。

按照西安科創(chuàng)城建設(shè)計技術(shù)咨詢有限公司的設(shè)計，施工時采用半幅施工，中間設(shè)置2m高鋼板圍堰，設(shè)計水位1m。

由于鋼板圍堰需要吊車、導(dǎo)梁、震動樁錘、挖機(jī)、電焊機(jī)等設(shè)備及特制鋼板樁。本工程導(dǎo)流范圍小，鋼板圍堰導(dǎo)流對于本工程顯得“大材小用”。鑒于漕運(yùn)明渠日常流量小，非汛期時流量穩(wěn)定，建議采用在渠底順?biāo)鞣较蚵裨O(shè)鋼管，鋼管進(jìn)出口設(shè)置橫向擋水圍堰，渠底導(dǎo)流，汛期結(jié)束后施工。

4.2.1 有關(guān)計算

已知條件：Q常=2.25m3/s，管長L=9m，粗糙系數(shù)n=0.0125（新管，使用過程中將逐漸沉積一些污垢 ，按正常管考慮）。首先選定管中允許流速：根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗，為避免泥沙淤積，及不使水頭損失過大，流速宜選用 1.5m/s～2.5m/s，這里取 v=2m/s，管徑計算式為：

經(jīng)計算為1.197m，為了便于施工，采用直徑d＝1.2m,管中實(shí)際流速為1.99m/s。

根據(jù)短管淹沒出流公式計算上下游水頭差：

式中，λ——沿程阻力系數(shù)；

Σζ——局部水頭損失系;

v——管中流速，m/s。

計算得水頭差為0.33m。為保證圍堰安全、穩(wěn)定及上、下游河水不進(jìn)入開挖基坑，確定上游圍堰高度為1.8 0m，下游圍堰高1.50m。

4.2.2 流量驗算

因管路不長，忽略局部水頭損失及流速水頭，利用流量計算公式驗算（式中符號含義同前）。

計算得流量為2.25m3/s。驗算結(jié)果說明鋼管滿足過流，管徑選取合理。

5 結(jié)語

從以上幾處導(dǎo)流鋼管實(shí)施的效果來看，鋼管導(dǎo)流布置靈活，在穿越公路、鐵路，場地狹窄的情況下，在上下游、左右岸導(dǎo)流渠道錯位布置，小流量污水與導(dǎo)流渠不在一側(cè)匯流的情況下使用，可有效解決外部協(xié)調(diào)困難，解決明渠導(dǎo)流壓占作業(yè)面而帶來的開挖困難，解決長期依靠水泵抽排導(dǎo)流帶來的管理困難，降低導(dǎo)流費(fèi)用，在小型水利工程施工導(dǎo)流中非常實(shí)用。鋼管導(dǎo)流適用于河渠流量較小（＜3m3/s）情況下使用，具有使用方便、投資小、施工簡單、安裝拆除方便等優(yōu)點(diǎn)。以上案例為類似工程施工導(dǎo)流積累了經(jīng)驗。

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