水利水电工程导流设计规划

项目三　导流设计流量的确定

在初拟导流方式以及具体拟定导流方案时，所面临的第一问题就是导流设计流量的确定。因为导流泄水建筑物和挡水建筑物的设计规模是由导流设计流量决定的。

一、导流时段的划分

在水利工程施工过程中的不同阶段，可以采用不同类型和规模的挡水建筑物与泄水建筑物。这些不同导流方法组合的顺序，通常称为导流程序。按照导流程序划分的各施工阶段的延续时间，一般称为导流时段。在导流设计中具有重要意义的导流时段，通常是指由围堰挡水而保证基坑干地施工的时段，所以也有人称导流时段为挡水时段。导流时段的划分与选择，主要也是指枯水施工时段的选择。

导流时段的划分主要与河道水文特性、枢纽类型、导流方式、施工总进度及工期等有关。从施工角度对全年流量变化过程线所划分出的水文时段，是划分导流时段的基本依据，其目的是研究降低设计流量的可能性与合理性。对导流设计流量的确定而言，导流时段划分主要是指枯水期施工时段的选择，或围堰挡水时段的选择。为了尽量减小导流建筑物的规模，又尽可能争取较长的基坑干地施工时间，必须对若干时段划分方案进行技术经济比较。在拟订方案时，除了认真研究河道水文特性外，还应着重分析围堰挡水期内的基坑工作量与施工控制性进度。一般来说，枯水期应确保正常施工，中水期也是应当争取的。从施工角度划分的水文时段，往往只有洪、枯之分。所谓枯水施工时段，常包括部分或全部中水期在内，并不是严格对应于水文学中的枯水时段。

围堰挡水时段的选择，常遇到下列情况。其一，混凝土坝基坑允许过水，过水围堰的挡水时段和挡水标准均应通过技术经济比较确定。此时，围堰高度和泄水建筑物的尺寸均有可能显著减小。但因基坑过水，必须采用过水围堰或其他附加措施，且会延长一定工期。其二，基坑不允许过水，但基坑内的主体建筑物均有可能在一个枯水期内抢修至拦洪高程以上。由于围堰仅在枯水期运用，故高度可降低，经济效益显著。然而，能否采用这种低水围堰的关键在于基坑施工工作量的大小，以及工程的难易程度，当然也取决于一个工程可能拥有的施工手段和能力。如果对控制性工程的进度研究不充分，切不可贸然行事。以往虽然有不少成功的经验，但这方面的教训也是不少的。其主要问题是对于控制性工程进度的估计过于乐观，以致造成很大被动。另外还需指出，采用低水围堰时，通常并不能减小导流泄水建筑物的总规模，仅可使其根据不同时期的需要分期投入运用。如果枢纽类型不允许基坑淹没过水，而坝体也不可能在汛前抢修至拦洪高程时，就必须以全年作为导流挡水时段。

在划分导流时段时，应仔细研究河道水文特性。由于洪水的出现是一个随机事件，一般不宜把时段人为地划分过细，分月频率资料不能作为设计依据，只可作为安排施工进度计划时参考。

二、导流方案的选择

一个水利水电枢纽工程的施工，从开工到完建往往不是采用单一的导流方法，而是几种导流方法组合起来配合运用，以取得最佳技术经济效果。这种不同导流时段不同导流方法的组合，通常就称为导流方案。导流方案的选择受各种因素的影响。一个合理的导流方案，必须在周密研究各种影响因素的基础上，拟定几个可能的方案，进行技术经济比较，从中选择技术经济指标优越的方案。

选择导流方案时应考虑的主要因素分述如下：

1.水文条件

河流的流量大小、水位变化的幅度、全年流量的变化情况、枯水期的长短、汛期洪水的延续时间、冬季的流水及冰冻情况等，均直接影响导流方案的选择。

2.地形条件

坝区附近的地形条件，对导流方案的选择影响很大。对于河床宽阔的河流，尤其在施工期间有通航、过筏要求的河流，宜采用分段围堰法导流。当河床中有天然石岛或沙洲时，采用分段围堰法导流，更便于导流围堰的布置，特别是纵向围堰的布置。在河段狭窄、两岸陡峻、山岩坚实的地区，宜采用隧洞导流，至于平原河道，河流的两岸或一岸比较平坦，或有河湾、老河道可以利用时，则宜采用明渠导流。

3.地质及水文地质条件

河道两岸及河床的地质条件对导流方案的选择与导流建筑物的布置有直接影响。若河流两岸或一岸岩石坚硬、风化层薄、且抗压强度足够时，则选用隧洞导流较有利。如果岩石的风化层厚且破碎，或有较厚的沉积滩地，则适合于采用明渠导流。因此，为了更好地进行导流方案的选择，要对地质和水文地质勘测工作提出专门要求。

4.水工建筑物的形式及其布置

水工建筑物的形式和布置与导流方案选择相互影响，因此在决定水工建筑物形式和布置时，应该同时考虑并拟定导流方案，而在选定导流方案时，则应该充分利用建筑物形式和枢纽布置方面的特点。采用分段围堰法修建混凝土坝枢纽时，应当充分利用水电站与混凝土坝间或混凝土坝溢流段和非溢流段之间隔墙，作为纵向围堰的一部分，以降低导流建筑物的造价。就挡水建筑物的形式来说，土坝、土石混合坝和堆石坝的抗冲能力小，除采用特殊措施外，一般不允许从坝身过水，所以多利用坝身以外的泄水建筑物如隧洞、明渠或坝身范围内的涵管等来泄流。这时，通常要求在一个枯水期内将坝身抢筑到拦洪高程以上，以免水流漫顶，发生事故。至于混凝土坝，特别是混凝土重力坝，由于抗冲能力较强，允许流速可达25m/s，故不但可以通过底孔泄流，而且还可以通过未完那部分的坝身过水，使导流方案选择的灵活性大大增加。

5.施工期间河流的综合利用

施工期间，为了满足通航、筏运、供水、灌溉、渔业或水电站运行等的要求。在施工中后期，水库拦洪蓄水时，要注意满足下游供水、灌溉用水和水电站运行的要求。有时为了保证渔业的要求，还要修建临时的过鱼设施，以便鱼群能正常地回游。

6.施工进度、施工方法及施工场地布置

水利水电工程的施工进度与导流方案密切相关。通常是根据导流方案安排控制性进度计划。例如，在混凝土坝枢纽中，采用分段围堰施工时，若导流底孔没有建成，就不能截断河床水流和全面修建第二期围堰；若坝体没有达到一定高程和没有完成基础及坝身纵缝接缝灌浆，就不能封堵底孔和水库蓄水等。因此，施工方法、施工进度与导流方案是密切相关的。

7.导流方案的选择与施工场地的布置亦相互影响

例如，在混凝土坝施工中，当混凝土生产系统所在的一岸作为第一期工程，因为这样两岸施工交通运输问题比较容易解决。

在选择导流方案时，除了综合考虑以上各方面因素以外，还应使主体工程尽可能及早发挥效益，简化导流程序，降低导流费用，使导流建筑物既简单易行，又适用可靠。导流方案的比较选择，应在同精度、同深度的几种可行性方案中进行。首先研究分析采用何种导流方法，然后再研究什么类型，在此全面分析的基则上，排除明显不合理的方案，保留可行的方案或可能的组合方案。

【示例2－1】导流方案选择实例

长江三峡水利枢纽工程（简称三峡工程），位于长江干流三峡河段，三峡工程由大坝、水电站厂房、通航建筑物等主要建筑物组成。大坝坝顶高程185 m，正常蓄水位175 m，汛期防洪限制水位145 m，枯季消落最低水位155 m，相应的总库容、防洪库容和兴利库容分别为393亿m₃、221.5亿m₃和165亿m₃。安装单机容量70万kW的水轮发电机组26台，总装机容量1820万kW，年发电量847亿kW·h。选定的坝址位于西陵峡中的三斗坪镇。坝址地质条件优越，基岩为完整坚硬的花岗岩（闪云斜长花岗岩），地形条件也有利于布置枢纽建筑物和施工场地，是一个理想的高坝坝址。选定的坝线在左岸的坛子岭及右岸的白岩尖之间，并穿过河床中的一个小岛——中堡岛。该岛左侧为主河槽，右侧为支沟（称后河）。

施工导流方案：三斗坪坝址河谷宽阔，江中有中堡岛将长江分为主河床及后河，适于采用分期导流方案。长江为我国的水运交通动脉，施工期通航问题至关重要。分期导流方案设计必须结合施工期通航方案和枢纽布置方案一并研究。在可行性论证和初步设计阶段，对右岸导流明渠施工期通航和不通航两大类型的多种方案进行了大量的技术经济比较工作。1993年7月，经国务院三峡建设委员会批准，确定为“三期导流，明渠通航”方案。如图2－18至图2－20所示。

第一期围右岸（如图2－18）。一期导流的时间为1993年10月至1997年11月，计3.5年。在中堡岛左侧及后河上下游修筑一期土石围堰，形成一期基坑，并修建茅坪溪小改道工程，将茅坪溪水导引出一期基坑。在一期土石围堰保护下挖除中堡岛，扩宽后河修建导流明渠、混凝土纵向围堰，并预建三期碾压混凝土围堰基础部分的混凝土。水仍从主河床通过。

图2－18　一期导流平面图

一期土石围堰形成后束窄河床约30%。汛期长江水面宽约1000 m，当流量不大于长江通航流量45 000 m₃/s时，河床流速为3 m/s左右，因此船舶仍可在主航道航行。一期土石围堰全长2502.36 m，最大堰高37 m。堰体及堰基采用塑性混凝土防渗墙上接土工膜防渗形式，局部地质条件不良地段的地基采用防渗墙下接帷幕灌浆或高压旋喷桩柱墙等措施。混凝土纵向围堰全长1191.47 m，分为上纵段、坝身段与下纵段。坝身段为三峡大坝的一部分，下纵段兼作右岸电站厂房和泄洪坝段间的导墙。导流明渠为高低渠复式断面，全长3726 m，最小底宽350 m；右侧高渠底宽100 m，渠底高程58 m（进口部位59 m）；左侧渠底宽250 m，渠底高程自上至下分别为59 m、58 m、50 m、45 m、53 m。

第二期围左岸（如图2－19）。二期导流时间为1997年11月至2002年11月，共计5年。

1997年11月实现大江截流后，立即修建二期上下游横向围堰，将长江主河床截断，并与混凝土纵向围堰共同形成二期基坑。在基坑内修建泄洪坝段、左岸厂房坝段及电站厂房等主体建筑物。二期导流时江水由导流明渠宣泄，船舶从导流明渠和左岸已建成的临时船闸通航。

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图2－19　二期导流平面图

二期上、下游土石围堰轴线长度分别为1440 m、999 m，最大高度分别为75.5 m，57.0 m，基本断面为石渣堤夹风化砂复式断面，防渗体为1～2排塑性混凝土防渗墙上接土工合成材料，基岩防渗采用帷幕灌浆。二期围堰是在60 m水深中抛填建成，工程量大、基础条件复杂、工期紧迫、施工技术难度极高，是三峡工程最重要的临时建筑物之一。

第三期再围右岸（图2－20）。三期导流时间为2002年至2009年，共计7年。总进度安排于2002年汛末拆除二期土石横向围堰，在导流明渠内进行三期截流，建造上、下游土石围堰。在其保护下修建三期上游碾压混凝土围堰并形成右岸三期基坑，在三期基坑内修建右岸厂房坝段和右岸电站厂房。三期截流和三期碾压混凝土围堰施工是三峡工程施工中的又一关键技术问题。在导流明渠中截流时，江水从泄洪坝段内高程56.5 m的22个6.5 m×8.5 m的导流底孔中宣泄，截流最大落差达3.5m，龙口最大流速6.13 m/s，技术难度与葛洲坝大江截流相当。碾压混凝土围堰要求在截流以后的120 d内，从高程50 m浇筑到140 m，最大月浇筑强度达39.8万m₃/月，最大日上升高度达1.18 m，且很快挡水并确保在近90m水头下安全运行，设计和施工难度为世所罕见。三期截流后到水库蓄水前，船只从临时船闸航行，当流量超过12 000 m₃/s上下游水位差超过6 m时临时船闸不能运行，长江断航。经测算断航时间发生在5月下半月至6月上半月内，共计33 d。断航期间设转运码头用水陆联运解决客货运输问题。三期碾压混凝土围堰建成后，即关闭导流底孔和泄洪深孔，水库蓄水至135 m，第一批机组开始发电，永久船闸开始通航。水库蓄水以后，由三期碾压混凝土围堰与左岸大坝共同挡水（下游仍由三期土石围堰挡水），长江洪水由导流底孔及泄洪深孔宣泄。继续在右岸基坑内建造大坝和电站厂房。左岸各主体建筑物上部结构同时施工，直至工程全部完建。

图2－20　三期导流平面图

三、导流标准

导流标准是选择导流设计流量进行施工导流设计的标准，以洪水重现期为指标。我国所采用的导流标准，按现行规范《水利水电工程施工组织设计规范》SDJ388—89（试行），需根据导流建筑物的保护对象、失事后果，使用年限和工程规模等指标，将导流建筑物划分为Ⅲ～V级。见表2－2，再根据导流建筑物的级别和类型，在表2－3规定幅度内选定相应洪水标准。

表2－2　　　　　导流建筑物级别划分

1.当导流建筑物根据表中指标分属不同级别时，应以其中最高级别为准。但列为Ⅲ级导流建筑物时，至少应有两项指标符合要求；

2.导流建筑物包括挡水和泄水建筑物，两者级别相同；

3.表列四项指标均按施工阶段划分；

4.有、无特殊要求的永久建筑物均系针对施工期而言，有特殊要求的Ⅰ级永久建筑物系指施工期不允许过水的土坝及其他有特殊要求的永久建筑物；

5.使用年限系指导流建筑物每一施工阶段的工作年限，两个或两个以上施工阶段共用的导流建筑物，如分期导流一、二期共用的纵向围堰，其使用年限不能叠加计算。

表2－3　　　　　导流建筑物洪水标准划分

四、导流建筑物的水力计算

导流水力计算的主要任务是计算各种导流泄水建筑物的泄水能力，以便确定泄水建筑物的尺寸和围堰高程。隧洞导流水力计算见《水力学》教材。下面只简要介绍束窄河床水位壅高计算。

分期导流围堰束窄河床后，使天然水流发生改变，在围堰上游产生水位壅高如图2－21所示，其值可采用如下近似公式试算。即先假设上游水位H₀算出Z值，以Z＋t_cp与所设H₀比较，逐步修改H₀值，直至接近Z＋t_cp值，一般2～3次即可。

图2－21　束窄河床水力计算简图

式中：Z——水位壅高，m；

　　　v₀——行近流速，m/s；

　　　g——重力加速度（取9.80 m/s₂）；

　　　φ——流速系数（与围堰布置形式有关，见表2－4）；

　　　v_c——束窄河床平均流速，m/s；

　　　Q——计算流量，m₃/s；

　　　W_c——收缩断面有效过水断面面积，m₂；

　　　bc——束窄河段过水宽度，m；

　　　t_cp——河道下游平均水深，m；

　　　ε——过水断面侧收缩系数（单侧收缩时采用0.95，两侧收缩采用0.90）。

表2－4　　　不同围堰布置的_φ值