施工導(dǎo)流及圍堰技術(shù)在水利水電施工中的應(yīng)用研究

周 濤，胡 玉

(1.中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000;2.金安橋水電站有限公司，云南 麗江 674100)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展離不開國(guó)家水電建設(shè)，因此在一些流域內(nèi)，建設(shè)了大量的水利水電工程設(shè)施。通過(guò)這些水利水電設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了集中發(fā)電、水源調(diào)配，保證了城市平穩(wěn)發(fā)展。但這些項(xiàng)目臨近水域，當(dāng)梅雨季節(jié)來(lái)臨，或者氣候不穩(wěn)，產(chǎn)生大量降水時(shí)，對(duì)于水利水電施工的排水要求極為嚴(yán)格。傳統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用方法下，雖然可以有效排水泄洪，但當(dāng)降水量極大時(shí)，施工場(chǎng)地的透水率偏高，因此針對(duì)這一問題，本文著重分析影響參數(shù)的分布特征，研究新式的技術(shù)應(yīng)用方法[1]。

1 施工導(dǎo)流及圍堰技術(shù)在水利水電施工中的應(yīng)用

了解所建區(qū)域的基本資料，是水利水電站施工的前提。基本資料包括：流域概況、水電站基本概況。

圖1 流域?qū)崨r降水量

以某一流域?yàn)槔摿饔驒M跨西南、華中、華東三大區(qū)域，途經(jīng)多個(gè)省市，橫穿三級(jí)階梯。該流域支流數(shù)量多、橫跨地形多樣，每一階梯的降水量各不相同，圖1[2]是該流域某一天的實(shí)況降水量。水利水電的施工，需要考慮上述自然要素以及人為影響，了解當(dāng)?shù)氐乃臓顩r，保證施工順利展開[3]。

1.1 定量分析洪水基本規(guī)律

氣候是影響水文的主要因素，多雨水的氣候會(huì)加大流域的洪水量，因此以上一年的流域氣候?yàn)橐罁?jù)，預(yù)測(cè)當(dāng)年的洪水量。

表1 氣象要素表 單位：℃

表1中的數(shù)據(jù)為施工前一年的區(qū)域氣溫。根據(jù)月均降水量，統(tǒng)計(jì)該區(qū)域該年度的月均徑流量，分析洪水的基本規(guī)律[4]。假設(shè)洪峰期間用T(t)表示，則有

(1)

式中，T(t)1—第t次與第t+1次洪水峰現(xiàn)時(shí)間之差；t1—第t次的洪水峰現(xiàn)時(shí)間；t2—第t+1次的洪水峰現(xiàn)時(shí)間[5]；T(t)0—第t次洪水結(jié)束時(shí)間，與第t+1次洪水起漲時(shí)間之差；t3—洪水漲水時(shí)間；t4—洪水退水時(shí)間[6]。

量級(jí)劃分洪水各特征指標(biāo)值，根據(jù)影響因素，預(yù)測(cè)施工當(dāng)年的洪水規(guī)律：

(2)

式中，p—洪水徑流量；f(p)—洪水徑流量的漸進(jìn)行為函數(shù)；c—該區(qū)域的月平均溫度；wi—在i區(qū)域的月平均河流徑流量；vi—在i區(qū)域的月平均降水量。由此得出洪水變化規(guī)律[7]。

1.2 施工導(dǎo)流控制泄水量

將分析出的洪水規(guī)律作為依據(jù)，通過(guò)施工導(dǎo)流技術(shù)設(shè)計(jì)引水渠，控制水利水電施工現(xiàn)場(chǎng)的場(chǎng)地水流量。針對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的洪流，設(shè)計(jì)明渠和管道渠導(dǎo)流洪水[8]。明渠的最大深度為：

(3)

式中，p—明渠內(nèi)的水流均流量；m—土質(zhì)的糙率；x—凍土深度；u—濕周；j—施工現(xiàn)場(chǎng)土層的底坡坡度；s—渠道過(guò)水面積。求解上述計(jì)算公式，根據(jù)二分法得出明渠設(shè)計(jì)高度[9]。水流受地形影響，其流淌方向會(huì)發(fā)生漸變，此時(shí)就需要利用管道渠來(lái)泄洪，其基本計(jì)算公式為：

(4)

式中，d—管道渠斷面比能；h2—地形基本高度；θ—地形走勢(shì)角度；k—管道橫截面積；a—地形的最小接觸面積[10]。根據(jù)比能計(jì)算管道水利坡度：

(5)

式中，i—上游區(qū)域；j—下游區(qū)域；qi—上游管道的安放角度；qj—下游管道的安放角度；vi，vj—上游、下游斷面所對(duì)應(yīng)的洪水流速；Ci，Cj—上、下游區(qū)域的謝才系數(shù)；ri，rj—上、下游區(qū)域的水力半徑[11- 14]。綜合式(3)—(5)，得出非均勻漸變渠的計(jì)算公式：

(6)

1.3 根據(jù)圍堰技術(shù)建立安全施工區(qū)域

根據(jù)設(shè)計(jì)的施工導(dǎo)流渠建立圍堰，保證水利施工在一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境下作業(yè)。繪制一個(gè)二維圍堰平面示意圖，如圖2所示。

圖2 圍堰平面圖

圖2中的圍堰大小，是根據(jù)施工導(dǎo)流控制的泄水量結(jié)果計(jì)算得出的。根據(jù)水渠深度及寬度，利用分析模型求出圍堰的軸線長(zhǎng)度：

l(x，y)=exp{-[(-lnx)α+(-lny)α]ε}

(7)

式中，x—圍堰軸線的橫坐標(biāo)向量；y—圍堰軸線的縱坐標(biāo)向量；α—分析模型的定量參數(shù)；ε—描述隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)[17]。結(jié)合定義域?yàn)閇0，1]的隨機(jī)聯(lián)合函數(shù)，結(jié)合式(6)—(7)，連接水域中多個(gè)隨機(jī)變量的邊緣分布，描述這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)合分布狀態(tài)：

(8)

式中，u1，u2，…，un—水流各項(xiàng)隨機(jī)變量的數(shù)值；U1，U2，…，Un—隨機(jī)變量；n—合計(jì)的參數(shù)總數(shù)量；f1，f2，…，fn—變量值u1，u2，…，un的聯(lián)合分布函數(shù)；Us—邊緣隨機(jī)變量；us—邊緣隨機(jī)變量數(shù)值；fs—隨機(jī)變量us的邊緣分布函數(shù)；φ—隨機(jī)聯(lián)合函數(shù)的固定參數(shù)；G—平穩(wěn)期水流強(qiáng)度[18- 19]。

上述結(jié)果得出洪水的兩個(gè)沖擊階段，以此設(shè)計(jì)圍堰的總體大小，并根據(jù)不同的水流流動(dòng)位置，設(shè)置抗沖擊力不同的圍堰，形成一個(gè)抵抗洪水沖擊的封閉式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)施工導(dǎo)流和圍堰技術(shù)在水利水電施工中的應(yīng)用[20]。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用MATLAB軟件模擬水利水電施工環(huán)境，下載Dev Test工具記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證所提出的技術(shù)的應(yīng)用效果。同時(shí)將傳統(tǒng)的施工導(dǎo)流圍堰技術(shù)應(yīng)用到該實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，分析兩種應(yīng)用方式下，施工場(chǎng)地的透水率。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

隨機(jī)選取一片水域，模擬水利水電工程施工，設(shè)置施工導(dǎo)流與圍堰特征數(shù)據(jù)，見表2。

表2 施工參數(shù)特性表

依照表2中的數(shù)據(jù)，預(yù)先模擬圍堰框架。仿真圍堰的填筑過(guò)程，分為一期土石圍堰、二期土石圍堰模擬。將兩個(gè)期間的土石圍堰分為上、下游2段，上游段填筑共劃分成I、II、III共3個(gè)區(qū)間；下游段分為I、II、III、IV、V共5個(gè)區(qū)間。按照材料裝車—材料運(yùn)輸—材料填鋪—材料壓實(shí)的程序，分別采用兩種技術(shù)，執(zhí)行施工導(dǎo)流和圍堰技術(shù)處理。需要被模擬的施工地區(qū)區(qū)域概況，見表3。

根據(jù)表2—3中的基本數(shù)據(jù)，開始實(shí)驗(yàn)。打開仿真軟件，將系統(tǒng)模擬調(diào)試20min，試運(yùn)行一組數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果無(wú)誤后實(shí)驗(yàn)正式開始。

2.2 結(jié)果分析

將所提出的技術(shù)應(yīng)用方法下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作為實(shí)驗(yàn)組A，將傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用方法下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作為參照組B。為保證實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性，隨機(jī)抽取5個(gè)月的模擬實(shí)驗(yàn)，圖3—4為隨機(jī)抽取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 施工區(qū)域概況

圖3 7月份測(cè)試結(jié)果

圖4 8月份測(cè)試結(jié)果

從圖3中可以看到，在所研究的施工導(dǎo)流圍堰技術(shù)應(yīng)用下，水利水電施工項(xiàng)目的場(chǎng)地透水率，大多數(shù)在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍曲線之下，只有兩個(gè)日期的透水率貼近安全標(biāo)準(zhǔn)值，其平均透水率為0.21Lu；而在傳統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用下，雖然有些日期的透水率在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但大多數(shù)透水率遠(yuǎn)高于安全標(biāo)準(zhǔn)值，平均透水率為0.68Lu。圖4中實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試結(jié)果，其透水率同樣貼近標(biāo)準(zhǔn)值，但其平均值為0.27Lu，低于0.5Lu的標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)照組的透水率平均值為0.63Lu，超出標(biāo)準(zhǔn)值0.13Lu。所研究的技術(shù)應(yīng)用下的月均透水率為0.24Lu，傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用下的月均透水率為0.67Lu。

3 結(jié)束語(yǔ)

施工導(dǎo)流技術(shù)和圍堰技術(shù)是水利水電工程建設(shè)中的重要組成部分，對(duì)施工項(xiàng)目建設(shè)具有重要意義。此次提出的技術(shù)應(yīng)用，著重分析了傳統(tǒng)應(yīng)用方法中透水率過(guò)高的問題。利用關(guān)聯(lián)函數(shù)等數(shù)學(xué)理論，結(jié)合分析模型，量級(jí)劃分洪水各特征指標(biāo)值，細(xì)致化研究影響水流的因素，制定合理的圍堰結(jié)構(gòu)框架，實(shí)現(xiàn)明渠和管道渠的雙向泄洪。此次研究解決了傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中圍堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，提升了與土地接觸面的契合完整度。但此次研究是在二維模式下展開的，在調(diào)整導(dǎo)流渠寬度、深度，調(diào)整圍堰結(jié)構(gòu)方面，可能會(huì)產(chǎn)生重復(fù)操作，今后要向三維虛擬模式下改進(jìn)。