穿河倒虹吸大型工程施工導流方案優化設計實例

【摘要】根據相應施工防洪標準，對河床水流和明渠水流進行正確的分析計算，確定導流渠（或束窄河床）最佳過水斷面尺寸，并結合現場實際情況，考慮經濟指標，多方案對比論證，修正明渠斷面，最終可確定經濟適用導流渠斷面及擋水圍堰高程，既能滿足防洪安全要求，又充分利用了現場條件，可降低工程成本，且效果明顯。

【關鍵詞】穿河，大型工程，施工導流，方案優化。

一、引言

施工導流的方案的優劣，對工程能否順利施工，達到預期的目的有很大的關系，因此，施工導流方案應反映出適應施工條件的能力和滿足工程設計、施工進度及施工方法、施工場地布置以及工程造價要求的程度。

二、工程簡介

本工程案例為南水北調中線干渠穿越瀑河倒虹吸大型工程，該工程導流設計標準采用招標文件規定，設計洪水采用枯水期（9月1日～次年6月30日）5年一遇標準，確定導流設計流量為14.0m3/s，設計水位為54.01m。

度汛設計標準采用招標文件規定：20年一遇洪水，設計洪峰流量為1034m3/s，設計水位57.57m。

A河主河床寬30～50m，河床底高程52.8～54.2m，左岸一級階地高出河床2～3m，地面高程58.5～60.0m，二級階地前緣高出河床約3～5m，地面高程58.5～60.0m，呈陡坎狀，右岸廣泛分布黃土狀壤土，沖溝較為發育，溝寬一般15～35m，深2～5m，局部出現巖質孤丘。

三、導流施工總體規劃

本工程跨越2個汛期，為保證工程質量和安全，根據工程布置、地形、地貌和水文條件，采用分期施工導流方式，I期Ⅱ期選定枯水期施工、汛期停工撤場的施工方案。

第一個枯水期（2006年汛期前）進行出口側施工，由于本期施工段坐落于二級階地上，地面高程58.5～60.0m，高于枯水期5年一遇標準防洪設計水位（54.01m）4.49～5.99m，不需導流。

第二個枯水期（2006年汛后～2007年汛前）進行進口側施工，選定枯水期全斷面圍堰擋水斷流并開挖導流明渠進行導流施工，明渠位置見瀑河渠道倒虹吸施工平面布置圖，進口渠底高程為53m。明渠總長870m，渠底縱坡坡降采用i=1.5‰。

3.1導流明渠方案優化設計

3.1.1二期施工導流明渠斷面設計

（1）梯形斷面明渠水力最佳斷面水深計算

水力最佳斷面指斷面面積一定而通過流量最大的斷面。

最佳斷面水深 m'=2

Q——流量，取14.0m3/s；n——糙率；取0.03；m——邊坡系數，取1.5；i——渠底比降，設為1.5‰。

求得最佳斷面水深h0=2.2m

（2）梯形明渠水力最佳斷面計算

梯形明渠水力最佳斷面寬深比為：

求得梯形明渠水力最佳斷面底寬為b0=β*h0=1.33m

（3）梯形明渠實用斷面計算

為充分利用現場條件，降低工程造價，可對明渠斷面面積進行適當調整，當實際設計過水斷面較水力最佳斷面面積減小2%至增加4%時，導流流速在增加2%至減少4%范圍內，在此范圍內仍可認為基本符合水力最佳條件。

當流量Q、明渠底坡縱坡坡降i、糙率n及邊坡系數m為定值時，某一斷面與水力最佳斷面之間的關系為：

式中a——表示實用經濟斷面對水力最佳斷面偏離程度的系數，一般采用1.00～1.04；

h0、A0、R0、v0、——分別為最佳水力斷面的水深、過水斷面面積、水力半徑、流速；

h、A、R、v、——分別為實用斷面的水深、過水斷面面積、水力半徑、流速；

擬定a=1.00、1.01、1.02、1.03、1.04，根據以上公式分別求出五組h、b、v值如下：

根據上表繪制渠道水力參數底寬（m）、水深（m）、流速（m/s）與偏離系數a的關系曲線如下：

由于明渠布置在左岸二級階地上，主渠段需開挖深度為5m左右，如渠底太寬，開挖量較大，如渠底太窄，將造成水深加大，則會相應加大上游圍堰填筑方量，綜合考慮挖填方工程造價，并分析施工現場右側二級階地（或主河床右岸）高程為56.5m，考慮圍堰安全超高等因素，確定采用渠底寬度為4.5m，渠內正常水深為1.5m，渠水流速為0.97m/s。開挖工程量和圍堰填筑工程量都較低，渠內水流流速符合防沖要求。

3.1.2 明渠沖刷防護措施

分期導流的河水，從明渠入口起水流流速急劇增加，可能淘刷渠底及渠坡。經以上計算確定明渠通過設計洪水流量時水流流速為1.36m/s，利用現場基坑施工挖出的卵石（粒徑20～70mm）對渠底和渠坡進行防護，可抵抗流速為1.5m/s以上的流水沖刷。

3.2上下游圍堰及縱向圍堰

1、上游橫向段圍堰

上游壅高水深計算

緩坡明渠近似計算按淹沒寬頂堰公式

式中Z——上游壅高水深（m）； ——明渠進口流速系數，和進口條件有關，梯形斷面一般為0.8～0.85，此處取0.80；v——明渠進口斷面水流速，此處為1.36m/s；v0——原河道河水行近流速，根據招標文件提供條件可計算為v0=Q/A=14÷[（54.01-53）×40]=0.35m/s；g=9.8。求得上游壅高水深Z=0.14m。

2、下游橫向段圍堰

下游橫向段圍堰堰頂高程

按原河水水位54.01m加0.8m安全超高確定下游橫向段圍堰頂高程為54.81m，考慮堰體沉降裕度，實際采用堰頂高程為55m（低于主河床右側岸堤30cm）。

四、 結語

以上實例的施工導流方案優化設計過程可供平原地區中小型穿河（渠）建筑物施工導流施工提供參考。

參考文獻及標準：

[1]全國水利水電施工技術信息網，《水利水電工程施工手冊》，北京，中國電力出版社，2005.3

[2]SDJ338——89《水利水電施工組織設計規范（試行）》

作者簡介：李榮義（1973—），男，河北行唐人，高級工程師、注冊造價師、注冊一級建造師，長期從事水利水電工程結構設計、施工組織設計研究與應用及施工管理工作。