斗門水庫工程導截流控制關鍵技術研究

王清峰，靳 恒，鄭敏哲，張恒強，楊 帆

（中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

斗門水庫工程為Ⅲ等中型平原水庫工程,水庫總庫容5052 萬m3,庫區總面積10.4 km2,庫周總長14.9 km,樞紐工程大壩為攔河氣盾壩,為3 級建筑物設計等級。氣盾壩底板設計高程為397.50 m,壩頂設計高程401.30 m,壩高3.8 m。

2 水文地質

（1）徑流與洪水

由《西安市實用水文手冊》“西安市多年平均年徑流深等值線圖”查得區間徑流深為50 mm,計算得到區間多年平均年徑流量為0.0275 億m3。將與該水庫相鄰的兩個水文站之間的年徑流加區間徑流,計算得到工程斷面多年平均徑流量為4.122 億m3。

此外,這兩個水文站實測洪水過程采用合成流量法、再另外選取相鄰的兩個水文站為參證站采用水文比擬法計算設計洪水,綜合分析,確定計算斷面的洪水成果采用合成流量法計算成果,見表1。（2）地質條件

表1 工程斷面洪水計算成果表

工程區所處地貌單元為秦嶺北麓近山前沖積平原。工程區出露地層巖性主要為第四系（Q）上更新統風積黃土及第四系全新統沖洪積、沖積堆積的松散堆積物,其中渭河二級階地上部為上更新統風積黃土構成,全新統沖洪積、沖積堆積主要分布于河流階地及河漫灘。據勘探揭露,庫壩區地層自上而下分別見圖1。

圖1 地質斷面圖

3 施工導流設計總體思路

根據施工進度計劃總體目標,灃河攔河樞紐工程需在導流前完成的施工流程為：①修建灃河分洪閘,使其具備過流條件；②修建導流明渠,使其具備過流條件；③導流為在12 月中旬枯水期由上游戧堤擋水,使灃河上游水流通過分洪閘進入導流渠排入灃河下游；④修建灃河上游圍堰；⑤修建灃河下游圍堰,最終完成圍堰填筑施工,圍堰具備攔擋5 年一遇洪水標準；⑥截斷灃河后,右岸利用分洪閘交通橋連接施工道路進行右岸施工,左岸利用鄉道連接左岸河堤段施工道路進行施工。施工導流平面布置圖見圖2,施工導流平面效果圖見圖3。

圖2 施工導流平面布置圖

圖3 施工導流平面示意圖

4 截流設計

4.1 截流方式

選用單戧單向立堵的截流方案,即上游戧堤由右岸向左岸預進占至河道左岸束窄原河床,預留15 m 作為龍口停止進占,截流合龍時采用單戧堤單向從右至左岸截流合攏。

4.2 截流水力計算

4.2.1計算條件

斗門水庫截流水力計算條件見表2。

表2 截流水力計算條件

分洪閘的水位及流量的關系見表3。

表3 分洪閘流量與水位關系高程表

4.2.2流態的判定方法

寬頂堰自由出流與淹沒出流的判定方法見表4。

表4 龍口流態判定表

4.2.3龍口的水力計算

（1）三角堰流龍口寬度的判定

當戧堤截流進占到一定距離2L時,中間龍口成為三角形,形成三角堰。

式中：H為戧堤高度,m；I為為龍口軸線處兩側坡比,1.5；L為形成三角堰的龍口寬度的一半,m。

經計算龍口寬度2L=2×7.0×1.5=21 m,在21 m 時,龍口呈三角形,大于21 m 時,龍口呈梯形。

（2）龍口為梯形斷面時流態判定計算

在龍口為梯形斷面hs=0.8H0時,即H0=hk=1.8 m 時為淹沒流與非淹沒（自由流）流的分界,根據堰流流量公式計算龍口平均水面寬度：

式中：Q為龍口過流流量,38.5m3/s； 為淹沒系數,取1.0；m為考慮側收縮的流量系數,取0.32；b為龍口水面平均寬度,m；H0為包含行進流速的上游水深,取1.8 m。

經計算b=11.15 m,按照龍口平均水面寬度b=11.15 m 計算出龍口寬度為20.35 m,說明當龍口寬度不小于20.35 m 時hs≥0.8H0為淹沒流,當龍口寬度小于20.35 m 時為自由流。

（3）龍口為三角形斷面時流態判定計算

根據上面對三角堰龍口寬度的計算,龍口形成三角堰時為自由流流態。

（4）龍口流速計算

龍口平均流速按照下式試算：

式中：H0為龍口上游行進水頭,m；hc為龍口收縮斷面水深,m；a為取1.1；v 為龍口平均流速,m/s；Q為龍口流量,m3/s；b為龍口水流平均寬度,m。

最終水力計算成果見表5。

表5 龍口水力計算結果

4.2.4截流拋投料粒徑選擇計算

根據單戧立堵截流的特點及截流龍口水力計算結果,將截流分為預進占時段、龍口形成三角堰前時段及龍口形成三角堰后直至全部合龍三個時段,其龍口進占至三角堰后龍口流速最大,是截流最困難時段。

拋投料粒徑大小根據下式進行計算：

式中：V為流速；k為穩定系數,立堵截流塊石取0.9；r1為塊石容重,取2.60 t/m3；r為水容重,取1 t/m3；d為塊石化引直徑,m。

將截流各時段最大流速代入上式計算出截流合龍形成三角堰前和形成三角堰后兩個時段拋投塊石最大粒徑分別為0.49 m 和0.57 m。

4.2.5圍堰設計

明槽梯形斷面水力要素的計算公式如下：

式中：b為梯形斷面底寬（本次計算取分洪閘過水寬度15m）；m為梯形斷面邊坡系數（分洪閘邊坡系數為0）；h為過閘水深。

工程斷面附近無水位流量觀測資料,本次分洪閘過流水位采用曼寧公式進行計算。式中：Q為流量,m3/s；n為河道糙率（人工渠道糙率0.014）；R為水力半徑,m；i為水力坡降（0.25‰）；A為過水斷面面積,m2。

安全超高取1.7 m,波浪爬高不考慮。

由以上參數代入曼寧公式,采用試算法可對圍堰參數進行堰頂高程計算。

最終計算分洪閘過流水深為3.32 m,分洪閘底板高程398.00 m,故堰頂高程為402.76 m。

4.3 關鍵施工工藝

4.3.1導流明渠施工

導流渠全長160 m,過流斷面面積為：114 m2,左右岸邊坡坡比1∶1.5,坡面及底板采用0.2 m 厚C20 素混凝土防護,斜坡面與底板交叉坡腳設0.4 m×0.5 m 混凝土擋墻,穩固坡面混凝土,渠道坡降3‰,渠頂左右岸設6 m 寬0.5 m 厚泥結碎石防汛路,導流明渠橫剖面圖見圖4。

圖4 導流明渠橫剖面

（1）導流明渠開挖

分洪工程導流明渠底寬10 m,坡比1∶1.5,明渠施工與分洪閘施工同步進行,采用1.6 m3液壓挖掘挖、裝,20 t 自卸汽車運輸,就近臨時堆存。

（2）渠底及邊坡防護

導流明渠渠底及坡面采用0.2 m 厚C20 素混凝土防護,8 m3混凝土罐車運輸商品混凝土至施工現場,人工配合混凝土汽車泵進行分倉、錯縫澆筑施工,縫內填充2 cm 厚閉孔泡沫板,板頂灌注3 cm 厚乳化瀝青灌封防滲處理。

（3）渠道填筑

氣盾壩施工完成,依次拆除上下游圍堰,拆除導流明渠襯砌混凝土,拆除渣土、混凝土等建筑垃圾清運至下游渣場,然后采用土質較好土料分層回填導流明渠至原設計高程,導流明渠回填壓實度按照設計圖紙要求執行。

4.3.2圍堰施工

（1）戧堤進占施工

戧堤原河床預進占先回填粘土斜墻下游回填料,再依次回填粘土斜墻及上游護坡石施工,每層回填厚度不超過50 cm,采用20 t 自行式振動碾碾壓6～8 遍。采用此方法回填直到堤頂400.4 m 高程。回填上游坡比1∶2,下游坡比1∶1.5。之后利用戧堤形成的工作面向堰體迎水面傾倒粘土,粘土選擇料場上較好的黃土。粘土傾倒完成后,挖掘機在圍堰迎水面對粘土斜坡面進行壓實作業,并隨后挖裝塊石向迎水面鋪設1 m厚塊石進行護腳和護坡的施工。

（2）截流施工

截流施工時直接由自卸汽車運輸至工作面向水下端拋,卸料后用裝載機配合向水中推料,同時平整施工工作面,利用振動碾進行壓實,以便于設備運行,靠近岸坡部位均以較細的石碴料鋪筑,邊坡坡比采用1.2 m3液壓挖機修整至設計邊坡。

（3）圍堰填筑施工

堰體填筑采用進占法施工,遵循先粗后細、全斷面均衡上升的原則。堰體填筑過程中,各道工序攤鋪、碾壓、檢驗等工藝及標準均按土石壩的標準來實施,確保圍堰填筑質量與安全度汛。

5 結語

作為重要的水利工程,分洪樞紐工程在國家的經濟發展和生產安全中有舉足輕重的地方。斗門水庫工程為引漢濟渭輸配水工程的調蓄水庫,是以城市供水、改善生態環境為主,兼顧防洪等綜合利用的平原水庫。通過現場試驗、理論分析以及現場監測等多種手段結合,制定切實可行的工程導截流施工方案,總結導截流關鍵施工技術,該技術可應用至類似項目工程中,可以節約資金,具有顯著的經濟性和社會效益。