第四章 小型水利工程施工技術(shù)

第一節(jié) 施工導(dǎo)流及基坑排水

一、施工導(dǎo)流

施工導(dǎo)流就是在河床中修筑圍堰圍護(hù)基坑，并將河道中各時(shí)期的上游來水量按預(yù)定的方式導(dǎo)向下游，以創(chuàng)造干地施工的條件，保證主體建筑物施工順利進(jìn)行。施工導(dǎo)流貫穿于整個(gè)工程施工的全過程，是水利水電工程總體設(shè)計(jì)的重要組成部分，是選定樞紐布置、永久建筑物形式、施工程序和施工總進(jìn)度的重要因素。

在導(dǎo)流過程中使用的臨時(shí)性的擋水建筑物和泄水建筑物，統(tǒng)稱為導(dǎo)流建筑物。擋水建筑物主要是圍堰。泄水建筑物包括導(dǎo)流明渠、導(dǎo)流隧洞、導(dǎo)流涵管、導(dǎo)流底孔等臨時(shí)建筑物和部分可利用的永久性泄水建筑物。

（一） 導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)就是選定導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量的標(biāo)準(zhǔn)。導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量是選擇導(dǎo)流方案、設(shè)計(jì)導(dǎo)流建筑物的主要依據(jù)。

根據(jù) 《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》 （SL303—2004），在確定導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，首先根據(jù)導(dǎo)流建筑物 （指樞紐工程施工期所使用的臨時(shí)性擋水和泄水建筑物）所保護(hù)對(duì)象、失事后果、使用年限和導(dǎo)流建筑物規(guī)模等因素劃分為3～5級(jí)，具體按表4 1確定，再根據(jù)導(dǎo)流建筑物的級(jí)別和類型，確定相應(yīng)的洪水標(biāo)準(zhǔn)，具體見表4 2。

在實(shí)際工程中，確定導(dǎo)流建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)的常見方法主要有以下幾種：

（1）實(shí)測(cè)資料分析法，該法實(shí)用簡(jiǎn)單，但一般應(yīng)有較長(zhǎng)的水文系列，與洪峰、洪量均較大的典型洪水過程作比較后，選用設(shè)計(jì)典型年。

（2）常規(guī)頻率法，按國家統(tǒng)一的規(guī)范執(zhí)行，一般應(yīng)有20～30年以上的水文系列，多用風(fēng)險(xiǎn)率概念進(jìn)行分析、計(jì)算。

（3）經(jīng)濟(jì)流量分析法，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)流量，計(jì)算各相應(yīng)的年施工費(fèi)用及年損失費(fèi)用（含現(xiàn)場(chǎng)施工、淹沒、潰堰等損失），對(duì)應(yīng)總費(fèi)用最小流量即為經(jīng)濟(jì)導(dǎo)流流量。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往兩者或三者結(jié)合考慮，綜合分析，以估計(jì)其安全性和經(jīng)濟(jì)性。

（二） 導(dǎo)流方式

施工導(dǎo)流的基本方式可分為分期導(dǎo)流和一次攔斷河床導(dǎo)流兩類。

1.分期圍堰導(dǎo)流

分期圍堰導(dǎo)流，也稱分段圍堰導(dǎo)流或河床內(nèi)導(dǎo)流，就是用圍堰將建筑物分段分期圍護(hù)起來進(jìn)行施工的方法。圖4 1是一種常見的分期圍堰法導(dǎo)流示意圖。

所謂分段就是從空間上將河床圍護(hù)成若干個(gè)干地施工的基坑段進(jìn)行施工。所謂分期就是從時(shí)間上將導(dǎo)流過程劃分成階段。必須指出，段數(shù)分得越多，圍堰工程量越大，施工也越復(fù)雜；同樣，期數(shù)分得越多，工期有可能拖得越長(zhǎng)。因此，在工程實(shí)踐中，二段二期導(dǎo)流法采用得最多。只有在比較寬闊的通航河道上施工，不允許斷航或其他特殊情況下，才采用多段多期導(dǎo)流法。分段圍堰法導(dǎo)流一般適用于河床寬闊、流量大、施工期較長(zhǎng)的工程，尤其在通航河流和冰凌嚴(yán)重的河流上。這種導(dǎo)流方法的費(fèi)用較低，國內(nèi)外一些大、中型水利水電工程采用較廣。分段圍堰法導(dǎo)流，前期由束窄的原河道導(dǎo)流，后期可利用事先修建好的泄水道導(dǎo)流，常見泄水道的類型有底孔、缺口、梳齒孔等。

（1）底孔導(dǎo)流。利用設(shè)置在混凝土壩體中的永久底孔或臨時(shí)底孔作為泄水道是二期導(dǎo)流經(jīng)常采用的方法。導(dǎo)流時(shí)讓全部或部分導(dǎo)流流量通過底孔宣泄到下游，保證后期工程的施工。如系臨時(shí)底孔，則在工程接近完工或需要蓄水時(shí)要加以封堵。底孔導(dǎo)流的布置形式如圖4 2所示。

采用臨時(shí)底孔時(shí)，底孔的尺寸、數(shù)目和布置要通過相應(yīng)的水力學(xué)計(jì)算確定，其中底孔的尺寸在很大程度上取決于導(dǎo)流的任務(wù) （過水、過船、過木和過魚）以及水工建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和封堵用閘門設(shè)備的類型。底孔的布置要滿足截流、圍堰工程以及本身封堵的要求。臨時(shí)底孔的斷面形狀多采用矩形，為了改善孔周的應(yīng)力狀況，也可采用有圓角的矩形。

底孔導(dǎo)流的優(yōu)點(diǎn)是擋水建筑物上部的施工可以不受水流的干擾，有利于均衡連續(xù)施工，這對(duì)修建高壩特別有利。若壩體內(nèi)設(shè)有永久底孔可以用來導(dǎo)流時(shí)，更為理想。底孔導(dǎo)流的缺點(diǎn)是由于壩體內(nèi)設(shè)置了臨時(shí)底孔，使鋼材用量增加；如果封堵質(zhì)量不好，會(huì)削弱壩體的整體性，還有可能漏水；在導(dǎo)流過程中底孔有被漂浮物堵塞的危險(xiǎn)；封堵時(shí)由于水頭較高，安放閘門及止水等均較困難。

（2）壩體缺口導(dǎo)流。混凝土壩施工過程中，當(dāng)汛期河水暴漲暴落，其他導(dǎo)流泄水建筑物不足以宣泄全部流量時(shí)，為了不影響壩體施工進(jìn)度，使壩體在漲水時(shí)仍能繼續(xù)施工，可以在未建成的壩體上預(yù)留缺口，如圖4 3所示，以便配合其他建筑物宣泄洪峰流量，待洪峰過后，上游水位回落，再繼續(xù)修筑缺口。所留缺口的寬度和高度取決于導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量、其他建筑物的泄水能力、建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工條件。采用底坎高程不同的缺口時(shí)，為避免高低缺口，單寬流量相差過大產(chǎn)生高缺口向低缺口的側(cè)向泄流，引起壓力分布不均勻，需要適當(dāng)控制高低缺口間的高差。根據(jù)湖南省柘溪工程的經(jīng)驗(yàn)，其高差以不超過4～6m為宜。在修建混凝土壩，特別是大體積混凝土壩時(shí)，由于這種導(dǎo)流方法比較簡(jiǎn)單，常被采用。

上述兩種導(dǎo)流方式，一般只適用于混凝土壩，特別是重力式混凝土壩樞紐。至于土石壩或非重力式混凝土壩樞紐，采用分段圍堰法導(dǎo)流，常與隧洞導(dǎo)流、明渠導(dǎo)流等河床外導(dǎo)流方式相結(jié)合。

2.一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流

一次攔斷河床圍堰導(dǎo)流是在河床主體工程軸線上下游一定距離，修筑攔河堰體，一次性截?cái)嗪拥溃购拥乐械乃鹘?jīng)河床外修建的臨時(shí)泄水道或永久泄水建筑物下泄。一次性攔斷河床圍堰導(dǎo)流適用于枯水期流量不大，河道狹窄的河流，按泄水建筑物的類型可分為明渠導(dǎo)流、隧洞導(dǎo)流、涵管導(dǎo)流等。

（1）明渠導(dǎo)流。明渠導(dǎo)流適用于以下情況：壩址河床較窄或河床覆蓋層很深，分期導(dǎo)流困難，河床一岸有較寬的臺(tái)地、埡口或古河道；導(dǎo)流流量大，地質(zhì)條件不適于開挖導(dǎo)流隧洞；施工期有通航、排冰、過木要求。

導(dǎo)流明渠布置分在岸坡上和在灘地上兩種布置形式，如圖4 4所示。

1）導(dǎo)流明渠軸線的布置。導(dǎo)流明渠應(yīng)布置在較寬臺(tái)地、埡口或古河道一岸；渠身軸線要伸出上下游圍堰外坡腳，水平距離要滿足防沖要求，一般50～100m；明渠進(jìn)出口應(yīng)與上下游水流相銜接，與河道主流的交角以30°為宜；為保證水流暢通，明渠轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于5倍渠底寬；明渠軸線布置應(yīng)盡可能縮短明渠長(zhǎng)度和避免深挖方。

2）明渠進(jìn)出口位置和高程的確定。明渠進(jìn)出口力求不沖、不淤和不產(chǎn)生回流，可通過水力學(xué)模型試驗(yàn)調(diào)整進(jìn)出口形狀和位置，以達(dá)到這一目的；進(jìn)口高程按截流設(shè)計(jì)選擇，出口高程一般由下游消能控制；進(jìn)出口高程和渠道水流流態(tài)應(yīng)滿足施工期通航、過木和排冰要求；在滿足上述條件下，盡可能抬高進(jìn)出口高程，以減少水下開挖量。

3）導(dǎo)流明渠斷面設(shè)計(jì)。

（a）明渠斷面尺寸的確定。明渠斷面尺寸由設(shè)計(jì)導(dǎo)流流量控制，并受地形地質(zhì)和允許抗沖流速影響，應(yīng)按不同的明渠斷面尺寸與圍堰的組合，通過綜合分析確定。

（b）明渠斷面形式的選擇。明渠斷面一般設(shè)計(jì)成梯形，渠底為堅(jiān)硬基巖時(shí)，可設(shè)計(jì)成矩形。有時(shí)為滿足截流和通航不同目的，也有設(shè)計(jì)成復(fù)式梯形斷面。

（c）明渠糙率的確定。明渠糙率大小直接影響到明渠的泄水能力，而影響糙率大小的因素有襯砌的材料、開挖的方法、渠底的平整度等，可根據(jù)具體情況查閱有關(guān)手冊(cè)確定。對(duì)大型明渠工程，應(yīng)通過模型試驗(yàn)選取糙率。

（2）隧洞導(dǎo)流。隧洞導(dǎo)流適用于導(dǎo)流流量不大、壩址河床狹窄、兩岸地形陡峻的情況，如一岸或兩岸地形、地質(zhì)條件良好時(shí)，可考慮采用隧洞導(dǎo)流。

1）導(dǎo)流隧洞的布置如圖4 5所示。

（a）隧洞軸線沿線地質(zhì)條件良好，足以保證隧洞施工和運(yùn)行的安全。

（b）隧洞軸線宜按直線布置，如有轉(zhuǎn)彎時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑不小于5倍洞徑 （或洞寬），轉(zhuǎn)角不宜大于60°，彎道首尾應(yīng)設(shè)直線段，長(zhǎng)度不應(yīng)小于3～5倍的洞徑 （或洞寬）；進(jìn)出口引渠軸線與河流主流方向夾角宜小于30°。

（c）隧洞間凈距、隧洞與永久建筑物間距、洞臉與洞頂圍巖厚度均應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)和應(yīng)力要求。

（d）隧洞進(jìn)出口位置應(yīng)保證水力學(xué)條件良好，并伸出堰外坡腳一定距離，一般距離應(yīng)大于50m，以滿足圍堰防沖要求。進(jìn)口高程多由截流控制，出口高程由下游消能控制，洞底按需要設(shè)計(jì)成緩坡或急坡，避免成反坡。

2）導(dǎo)流隧洞斷面設(shè)計(jì)。隧洞斷面尺寸的大小，取決于設(shè)計(jì)流量、地質(zhì)和施工條件，洞徑應(yīng)控制在施工技術(shù)和結(jié)構(gòu)安全允許范圍內(nèi)，目前國內(nèi)單洞斷面尺寸多在200m²以下，單洞泄量不超過2000～2500m³/s。

隧洞斷面形式取決于地質(zhì)條件、隧洞工作狀況 （有壓或無壓）及施工條件，常用斷面形式有圓形、馬蹄形、方圓形，如圖4 6所示。圓形多用于高水頭處，馬蹄形多用于地質(zhì)條件不良處，方圓形有利于截流和施工，國內(nèi)外導(dǎo)流隧洞采用方圓形為多。

洞身設(shè)計(jì)中，糙率n值的選擇是十分重要的問題，糙率的大小直接影響到斷面的大小，而襯砌與否、襯砌的材料和施工質(zhì)量、開挖的方法和質(zhì)量則是影響糙率大小的因素。一般混凝土襯砌糙率值為0.014～0.017；不襯砌隧洞的糙率變化較大，光面爆破時(shí)為0.025～0.032，一般炮眼爆破時(shí)為0.035～0.044。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體條件，查閱有關(guān)手冊(cè)，選取設(shè)計(jì)的糙率值。

對(duì)重要的導(dǎo)流隧洞工程，應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證其糙率的合理性。

導(dǎo)流隧洞設(shè)計(jì)應(yīng)考慮后期封堵要求，布置封堵閘門門槽及啟閉平臺(tái)設(shè)施。有條件者，導(dǎo)流隧洞應(yīng)與永久隧洞結(jié)合，以利節(jié)省投資。一般高水頭樞紐，導(dǎo)流隧洞只可能與永久隧洞部分相結(jié)合，中低水頭則有可能全部結(jié)合。

（3）涵管導(dǎo)流。涵管導(dǎo)流一般在修筑土壩、堆石壩工程中采用。

涵管通常布置在河岸巖灘上，其位置在枯水位以上，這樣可在枯水期不修圍堰或只修一小圍堰而先將涵管筑好，然后再修上下游全斷圍堰，將河水引經(jīng)涵管下泄，如圖4 7所示。

涵管一般是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。當(dāng)有永久涵管可以利用或修建隧洞有困難時(shí)，采用涵管導(dǎo)流是合理的。在某些情況下，可在建筑物基巖中開挖溝槽，必要時(shí)予以襯砌，然后封上混凝土或鋼筋混凝土頂蓋，形成涵管。利用這種涵管導(dǎo)流往往可以獲得經(jīng)濟(jì)可靠的效果。由于涵管的泄水能力較低，所以一般用于導(dǎo)流流量較小的河流上或只用來擔(dān)負(fù)枯水期的導(dǎo)流任務(wù)。

為了防止涵管外壁與壩身防滲體之間的滲流，通常在涵管外壁每隔一定距離設(shè)置截流環(huán)，以延長(zhǎng)滲徑，降低滲透坡降，減少滲流的破壞作用。此外，必須嚴(yán)格控制涵管外壁防滲體的壓實(shí)質(zhì)量。涵管管身的溫度縫或沉陷縫中的止水必須認(rèn)真施工。

（三） 導(dǎo)流方案

水利水電樞紐工程的施工，從開工到完工往往不是采用單一的導(dǎo)流方法，而是幾種導(dǎo)流方法組合起來運(yùn)用，以取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。例如，三峽工程采用分期導(dǎo)流方式，分三期進(jìn)行施工：第一期土石圍堰圍護(hù)右岸叉河，江水和船舶從主河槽通過；第二期圍護(hù)主河槽，江水經(jīng)導(dǎo)流明渠泄向下游；第三期修建碾壓混凝土圍堰攔斷明渠，江水經(jīng)由泄洪壩段的永久深孔和22個(gè)臨時(shí)導(dǎo)流底孔下泄。這種不同導(dǎo)流時(shí)段不同導(dǎo)流方法的組合，通常稱為導(dǎo)流方案。

選擇導(dǎo)流方案時(shí)應(yīng)綜合考慮的因素主要有水文條件、地形條件、地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、水工建筑物的形式及其布置、施工期間河流的綜合利用、施工進(jìn)度、施工方法及施工場(chǎng)地布置等。

合理的導(dǎo)流方案，必須在周密地研究各種影響因素的基礎(chǔ)上，擬定幾個(gè)可能的方案，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從中選擇技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越的方案。

二、施工截流

施工導(dǎo)流過程中，當(dāng)導(dǎo)流泄水建筑物建成后，應(yīng)抓住有利時(shí)機(jī)，迅速截?cái)嘣哟菜鳎仁购铀?jīng)完建的導(dǎo)流泄水建筑物下泄，然后在河床中全面展開主體建筑物的施工，這就是截流工程。

截流一般先在河床的一側(cè)或兩側(cè)向河床中填筑截流戧堤，逐步縮窄河床，稱為進(jìn)占。戧堤進(jìn)占到一定程度，河床束窄，形成流速較大的泄水缺口叫龍口。為了保證龍口兩側(cè)堤端和底部的抗沖穩(wěn)定，通常采用工程防護(hù)措施，如拋投大塊石、鉛絲籠等，這種防護(hù)堤端叫裹頭。封堵龍口的工作叫合龍。合龍以后，龍口段及戧堤本身仍然漏水，必須在戧堤全線設(shè)置防滲措施，這一工作叫閉氣。所以整個(gè)截流過程包括戧堤進(jìn)占、龍口裹頭及護(hù)底、合龍、閉氣四項(xiàng)工作。截流后，對(duì)戧堤進(jìn)一步加高培厚，修筑成設(shè)計(jì)圍堰。

由此可見，截流在施工中占有重要地位，如不能按時(shí)完成，就會(huì)延誤整個(gè)建筑物施工，河槽內(nèi)的主體建筑物就無法施工，甚至可能拖延工期一年，所以在施工中常將截流作為關(guān)鍵性工程。為了截流成功，必須充分掌握河流的水文、地形、地質(zhì)等條件，掌握截流過程中水流的變化規(guī)律及其影響，做好周密的施工組織，在狹小的工作面上用較大的施工強(qiáng)度在較短的時(shí)間內(nèi)完成截流。

截流的方式可歸納為平堵法、立堵法及混堵等。

1.立堵法

立堵法截流是將截流材料從龍口一端或兩端向中間拋投進(jìn)占，逐漸束窄河床，直至全部攔斷，如圖4 8所示。

立堵法截流不需架設(shè)浮橋，準(zhǔn)備工作比較簡(jiǎn)單，造價(jià)較低。但截流時(shí)水力條件較為不利，龍口單寬流量較大，出現(xiàn)的流速也較大，同時(shí)水流繞截流戧堤端部使水流產(chǎn)生強(qiáng)烈的立軸漩渦，在水流分離線附近造成紊流，易造成河床沖刷，且流速分布很不均勻，需拋投單個(gè)重量較大的截流材料。截流時(shí)由于工作前線狹窄，拋投強(qiáng)度受到限制。立堵法截流適用于大流量、巖基或覆蓋層較薄的巖基河床，對(duì)于軟基河床應(yīng)采用護(hù)底措施后才能使用。立堵法截流又分為單戧、雙戧和多戧立堵截流，單戧適用于截流落差不超過3m的情況。

2.平堵法

平堵法截流是沿整個(gè)龍口寬度全線拋投，拋投料堆筑體全面上升，直至露出水面，如圖4 9所示。這種方法的龍口一般是部分河寬，也可以是全河寬。因此，合龍前必須在龍口架設(shè)浮橋，由于它是沿龍口全寬均勻地拋投，所以其單寬流量小，出現(xiàn)的流速也較小，需要的單個(gè)材料的重量也較輕，拋投強(qiáng)度較大，施工速度快，但有礙于通航，適用于軟基河床，河流架橋方便且對(duì)通航影響不大的河流。

3.混合堵

混合堵是采用立堵與平堵相結(jié)合的方法，有立平堵和平立堵兩種。

（1）立平堵。為了充分發(fā)揮平堵水力學(xué)條件較好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又降低架橋的費(fèi)用，工程中可采用先立堵，后在棧橋上平堵的方式。

（2）平立堵。對(duì)于軟基河床，單純立堵易造成河床沖刷，采用先平拋?zhàn)o(hù)底，再立堵合龍，平拋多利用駁船進(jìn)行。

三、基坑排水

修建水利水電工程時(shí)，在圍堰合龍閉氣以后，就要排除基坑內(nèi)的積水和滲水，以保持基坑基本干燥狀態(tài)，以利于基坑開挖、地基處理及建筑物的正常施工。

基坑排水工作按排水時(shí)間及性質(zhì)，一般可分為：①基坑開挖前的初期排水，包括基坑積水、基坑積水排除過程中的圍堰堰體與基礎(chǔ)滲水和堰體及基坑覆蓋層中的含水以及可能出現(xiàn)的降水的排除；②基坑開挖及建筑物施工過程中的經(jīng)常性排水，包括圍堰和基坑滲水、覆蓋層含水、降水以及施工棄水的排除。按排水方法分明溝排水和人工降低地下水位兩種。