第四章 小型水利工程施工技術

第一節 施工導流及基坑排水

一、施工導流

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

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

（一） 導流標準

導流標準就是選定導流設計流量的標準。導流設計流量是選擇導流方案、設計導流建筑物的主要依據。

根據 《水利水電工程施工組織設計規范》 （SL303—2004），在確定導流設計標準時，首先根據導流建筑物 （指樞紐工程施工期所使用的臨時性擋水和泄水建筑物）所保護對象、失事后果、使用年限和導流建筑物規模等因素劃分為3～5級，具體按表4 1確定，再根據導流建筑物的級別和類型，確定相應的洪水標準，具體見表4 2。

在實際工程中，確定導流建筑物洪水標準的常見方法主要有以下幾種：

（1）實測資料分析法，該法實用簡單，但一般應有較長的水文系列，與洪峰、洪量均較大的典型洪水過程作比較后，選用設計典型年。

（2）常規頻率法，按國家統一的規范執行，一般應有20～30年以上的水文系列，多用風險率概念進行分析、計算。

（3）經濟流量分析法，根據不同的設計流量，計算各相應的年施工費用及年損失費用（含現場施工、淹沒、潰堰等損失），對應總費用最小流量即為經濟導流流量。

在實際應用中，往往兩者或三者結合考慮，綜合分析，以估計其安全性和經濟性。

（二） 導流方式

施工導流的基本方式可分為分期導流和一次攔斷河床導流兩類。

1.分期圍堰導流

分期圍堰導流，也稱分段圍堰導流或河床內導流，就是用圍堰將建筑物分段分期圍護起來進行施工的方法。圖4 1是一種常見的分期圍堰法導流示意圖。

所謂分段就是從空間上將河床圍護成若干個干地施工的基坑段進行施工。所謂分期就是從時間上將導流過程劃分成階段。必須指出，段數分得越多，圍堰工程量越大，施工也越復雜；同樣，期數分得越多，工期有可能拖得越長。因此，在工程實踐中，二段二期導流法采用得最多。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，才采用多段多期導流法。分段圍堰法導流一般適用于河床寬闊、流量大、施工期較長的工程，尤其在通航河流和冰凌嚴重的河流上。這種導流方法的費用較低，國內外一些大、中型水利水電工程采用較廣。分段圍堰法導流，前期由束窄的原河道導流，后期可利用事先修建好的泄水道導流，常見泄水道的類型有底孔、缺口、梳齒孔等。

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

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

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

（2）壩體缺口導流。混凝土壩施工過程中，當汛期河水暴漲暴落，其他導流泄水建筑物不足以宣泄全部流量時，為了不影響壩體施工進度，使壩體在漲水時仍能繼續施工，可以在未建成的壩體上預留缺口，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，再繼續修筑缺口。所留缺口的寬度和高度取決于導流設計流量、其他建筑物的泄水能力、建筑物的結構特點和施工條件。采用底坎高程不同的缺口時，為避免高低缺口，單寬流量相差過大產生高缺口向低缺口的側向泄流，引起壓力分布不均勻，需要適當控制高低缺口間的高差。根據湖南省柘溪工程的經驗，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，由于這種導流方法比較簡單，常被采用。

上述兩種導流方式，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，采用分段圍堰法導流，常與隧洞導流、明渠導流等河床外導流方式相結合。

2.一次攔斷河床圍堰導流

一次攔斷河床圍堰導流是在河床主體工程軸線上下游一定距離，修筑攔河堰體，一次性截斷河道，使河道中的水流經河床外修建的臨時泄水道或永久泄水建筑物下泄。一次性攔斷河床圍堰導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流、隧洞導流、涵管導流等。

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

導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）導流明渠軸線的布置。導流明渠應布置在較寬臺地、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；明渠進出口應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，明渠轉彎半徑應大于5倍渠底寬；明渠軸線布置應盡可能縮短明渠長度和避免深挖方。

2）明渠進出口位置和高程的確定。明渠進出口力求不沖、不淤和不產生回流，可通過水力學模型試驗調整進出口形狀和位置，以達到這一目的；進口高程按截流設計選擇，出口高程一般由下游消能控制；進出口高程和渠道水流流態應滿足施工期通航、過木和排冰要求；在滿足上述條件下，盡可能抬高進出口高程，以減少水下開挖量。

3）導流明渠斷面設計。

（a）明渠斷面尺寸的確定。明渠斷面尺寸由設計導流流量控制，并受地形地質和允許抗沖流速影響，應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。明渠斷面一般設計成梯形，渠底為堅硬基巖時，可設計成矩形。有時為滿足截流和通航不同目的，也有設計成復式梯形斷面。

（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，可根據具體情況查閱有關手冊確定。對大型明渠工程，應通過模型試驗選取糙率。

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

1）導流隧洞的布置如圖4 5所示。

（a）隧洞軸線沿線地質條件良好，足以保證隧洞施工和運行的安全。

（b）隧洞軸線宜按直線布置，如有轉彎時，轉彎半徑不小于5倍洞徑 （或洞寬），轉角不宜大于60°，彎道首尾應設直線段，長度不應小于3～5倍的洞徑 （或洞寬）；進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滿足結構和應力要求。

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

2）導流隧洞斷面設計。隧洞斷面尺寸的大小，取決于設計流量、地質和施工條件，洞徑應控制在施工技術和結構安全允許范圍內，目前國內單洞斷面尺寸多在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，馬蹄形多用于地質條件不良處，方圓形有利于截流和施工，國內外導流隧洞采用方圓形為多。

洞身設計中，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量、開挖的方法和質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，光面爆破時為0.025～0.032，一般炮眼爆破時為0.035～0.044。設計時根據具體條件，查閱有關手冊，選取設計的糙率值。

對重要的導流隧洞工程，應通過水工模型試驗驗證其糙率的合理性。

導流隧洞設計應考慮后期封堵要求，布置封堵閘門門槽及啟閉平臺設施。有條件者，導流隧洞應與永久隧洞結合，以利節省投資。一般高水頭樞紐，導流隧洞只可能與永久隧洞部分相結合，中低水頭則有可能全部結合。

（3）涵管導流。涵管導流一般在修筑土壩、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，將河水引經涵管下泄，如圖4 7所示。

涵管一般是鋼筋混凝土結構。當有永久涵管可以利用或修建隧洞有困難時，采用涵管導流是合理的。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。利用這種涵管導流往往可以獲得經濟可靠的效果。由于涵管的泄水能力較低，所以一般用于導流流量較小的河流上或只用來擔負枯水期的導流任務。

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置截流環，以延長滲徑，降低滲透坡降，減少滲流的破壞作用。此外，必須嚴格控制涵管外壁防滲體的壓實質量。涵管管身的溫度縫或沉陷縫中的止水必須認真施工。

（三） 導流方案

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流方法，而是幾種導流方法組合起來運用，以取得最佳的技術經濟效果。例如，三峽工程采用分期導流方式，分三期進行施工：第一期土石圍堰圍護右岸叉河，江水和船舶從主河槽通過；第二期圍護主河槽，江水經導流明渠泄向下游；第三期修建碾壓混凝土圍堰攔斷明渠，江水經由泄洪壩段的永久深孔和22個臨時導流底孔下泄。這種不同導流時段不同導流方法的組合，通常稱為導流方案。

選擇導流方案時應綜合考慮的因素主要有水文條件、地形條件、地質及水文地質條件、水工建筑物的形式及其布置、施工期間河流的綜合利用、施工進度、施工方法及施工場地布置等。

合理的導流方案，必須在周密地研究各種影響因素的基礎上，擬定幾個可能的方案，進行技術經濟比較，從中選擇技術經濟指標優越的方案。

二、施工截流

施工導流過程中，當導流泄水建筑物建成后，應抓住有利時機，迅速截斷原河床水流，迫使河水經完建的導流泄水建筑物下泄，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或兩側向河床中填筑截流戧堤，逐步縮窄河床，稱為進占。戧堤進占到一定程度，河床束窄，形成流速較大的泄水缺口叫龍口。為了保證龍口兩側堤端和底部的抗沖穩定，通常采用工程防護措施，如拋投大塊石、鉛絲籠等，這種防護堤端叫裹頭。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，必須在戧堤全線設置防滲措施，這一工作叫閉氣。所以整個截流過程包括戧堤進占、龍口裹頭及護底、合龍、閉氣四項工作。截流后，對戧堤進一步加高培厚，修筑成設計圍堰。

由此可見，截流在施工中占有重要地位，如不能按時完成，就會延誤整個建筑物施工，河槽內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、地質等條件，掌握截流過程中水流的變化規律及其影響，做好周密的施工組織，在狹小的工作面上用較大的施工強度在較短的時間內完成截流。

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浮橋，準備工作比較簡單，造價較低。但截流時水力條件較為不利，龍口單寬流量較大，出現的流速也較大，同時水流繞截流戧堤端部使水流產生強烈的立軸漩渦，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，需拋投單個重量較大的截流材料。截流時由于工作前線狹窄，拋投強度受到限制。立堵法截流適用于大流量、巖基或覆蓋層較薄的巖基河床，對于軟基河床應采用護底措施后才能使用。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，出現的流速也較小，需要的單個材料的重量也較輕，拋投強度較大，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合的方法，有立平堵和平立堵兩種。

（1）立平堵。為了充分發揮平堵水力學條件較好的優點，同時又降低架橋的費用，工程中可采用先立堵，后在棧橋上平堵的方式。

（2）平立堵。對于軟基河床，單純立堵易造成河床沖刷，采用先平拋護底，再立堵合龍，平拋多利用駁船進行。

三、基坑排水

修建水利水電工程時，在圍堰合龍閉氣以后，就要排除基坑內的積水和滲水，以保持基坑基本干燥狀態，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間及性質，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滲水和堰體及基坑覆蓋層中的含水以及可能出現的降水的排除；②基坑開挖及建筑物施工過程中的經常性排水，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。