水利水电施工中的导流问题与技术分析

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  摘要:要想保证水利水电工程安全、便捷施工,并且还要有效解决工程成本,那么就必须选择合理的导流方案,并对导流过程中出现的各种各样的问题加以有效的解决。所以,认真分析水利水电施工导流的影响因素以及选择合理的导流方式方法就成了水利工程建设施工的关键。本文作者根据实际经验,分析了影响水利水电施工中导流问题的影响因素,并列出了几种常见的解决方法。
  关键词:水利水电施工;导流;影响因素;解决方法
  中图分类号:[TM622]
  一、我国水利水电施工的特点
  从我国地理环境来看,我国的水利水电主要集中在大的江流及其支流和内陆河流上。自新中国成立以来,我国进行了大规模的水利水电工程建设,在充分利用水力资源的同时也解决河流自身带来的一些问题。水利水电工程施工与河流所处的地理环境有着密切的关系,地质条件的差异会对工程的难度和工期、质量等产生重要的影响。以长江、黄河的源头为例,发源于高原的河流由于地势阶梯的落差蕴藏着丰富的水能,但是对于该种水力资源的开发利用有着地理环境和生态环境的困难和压力。复杂的地质环境和气候条件给工程本身和施工人员是一种挑战,同时,施工地生态环境的保护与能源开发构成一种矛盾,对工程的开展形成一种现实的压力。而对于江河的支流和内陆河流水利水电资源的开发利用则要充分考虑当地的气候条件,该河流历史时期的水文条件等等,保证工程完成后不会破坏当地的气候和自然环境,同时保证工程建设目的的实现。
  另外,水利水电工程的上述特点必然带来投资规模较大的问题,同时,工程的开展也必然会带来江河沿线居民的移民安置问题,所有这些都会对水利水电工程的施工、工期和工程的综合效益产生重要影响。
  二、影响水利水电导流的因素
  (1)、水文因素
  对于导流方案来说,水文因素是对其产生直接影响的最主要因素之一,包括冬季冰冻及流冰情况、洪汛时期、枯水期长短、水位变化幅度以及河流流量等。通常情况下,如果河流的河床单宽流量较大,较为合适的导流方案为分段围堰法,水位变化幅度大的河流则宜采取基坑淹没法,这两种方法都能够使洪峰流量得到有效宣泄。另外,如果河流的枯水期较长,则应将尽量利用枯水期进行施工,以保证施工质量与进度。如果河流存在流冰现象,则应着重对流冰宣泄问题进行处理,避免因流冰导致堵塞,进而对泄流产生影响。
  (2)、地形地貌因素
  在选择导流方案时,坝区周围的地形条件也是重要考虑因素之一。如果河流的河床宽阔,且施工期间有过木、通航需求的,应采取分段围堰法进行导流,若有沙洲或是天然石岛在河床上的,则采取分段围堰法布置,尤其是纵向围堰更为便捷。而遇山岩坚实、河段狭窄且两岸陡峻的地形时,则适宜采取隧洞导流法,当河流一岸或两岸较为平坦或有河道能够加以利用时,明渠导流则是较为适宜的方法。
  (3)、地质与水文地质因素
  水利工程所面临的地质与水文地质因素是多样的,一般来说,河流一岸或两岸的抗压强度足够,如风化层薄、岩石坚硬等,则可采取隧洞导流法,如岩石风化层破碎且較厚或沉积滩地较厚时,明渠导流法较为合适。河床的束窄程度决定了过水断面的面积与水流流速,为避免河床不被过分冲刷,进而掏空围堰基础,应以河床的地质条件为依据来确定河床束窄程度。岩石河床具有较强的抗冲刷能力,其河床的允许束窄也就相应较大,而当河床覆盖层较厚时,其抗冲刷能力就较弱。
  (4)、水工建筑物因素
  水利工程中的水工建筑物的布置与样式与导流方案互为影响,即决定建筑物的布置与样式时,应将导流方案同时考虑在内,而选择比较导流方案时,又要对建筑物布置与样式的特点进行充分利用,包括水工建筑物中的永久泄水设施,包括渠道、涵管、隧洞、泄水孔等。如混凝土坝枢纽是采取分段围堰法进行修建时,则应将溢流段与非溢流段、土坝与水电站之间的隔墙充分利用作纵向围堰中的组成部分,进而使导流建筑物的资源与成本得以降低。
  (5)、综合利用河流
  在水利工程施工期间,为使水电站运转、渔业、通航、供水、灌溉等要求得到满足,就必须从导流问题上入手。由于大多数通航河流采用的是分段围堰导流法,这就要求在对河流进行束窄后,仍然能够满足一般船只通航的宽度要求,船只吃水深度要适应于水深,束窄断面的流速最大应不超过每秒2米。当河流有散材或木筏浮运要求时,则应防止木材堵塞束窄河床或是堑塞泄水建筑。另外,还应兼顾到下游灌溉、供水、水电站运行需求,有渔业的,还应建设临时性的过鱼设施,利于鱼群通过。
  (6)、施工方法与进度因素
  水利工程导流方案与施工进度、施工方法有着密切的关系,一般情况下,水利水电工程的进度计划都是以导流方案为依据的,其中较为关键的时段控制包括水为蓄水发电所需时间、临时泄水建筑物封堵时间、坝体拦洪期限、河床水流截断时间、导流建筑物完工时间等。而施工方法则直接影响各个时段中的导流任务的可能性与合理性。如,分段围堰施工过程中,若未建成导流底孔,也就无法将河床水流截断并进行二期围堰修建。因此,施工进度、方法与导流方法之间的关系是相当密切的。
  三、水利水电工程施工中常用的解决导流问题的方法
  根据水电施工的具体情况,本文简要的引入导流的部分技术及发展状况供相关学者参考。在河流上修建水利水电工程时,为了使水工建筑物能在干地上施工,就必须要用围堰护基坑,将河水引向工程事先预定的泄水建筑物往下游倾泻,这即是传统的施工导流。但是施工导流情况复杂,影响因素较多,甚至有时直接会关系到整个工程的施工难度和进度,故需要慎重对待。
  (1)、明渠导流
  此法则是在水利工程施工基坑的上下游修建围堰挡水,使原来河水通过明渠导向下游的施工导流方式。详细如图1所示:
  传统来讲,此法多用于两岸较缓,有较宽的滩地或是两岸有溪沟、老河道等,施工时导流流量较大,地形和地质条件利用于布置明渠的工程等。另外,此法比一般的涵洞导流少,过流能力还大,施工也是较为方便,如果具备了导流的基本条件,宜采用明渠导流。当前,世界上最大的河床明渠导流是印度大比河乌凯土石坝导流明渠,全长有1372m,梯形断面,渠底最大宽度235m等。   (2)、全段围堰法
  主河道为围堰一次性拦断,同时水流被导向旁侧的泄水建筑物而下泄的导流方式。通常要根据泄水建筑物的不同,一次拦断导流再进一步划分为隧洞导流、明渠导流、涵洞导流的方式。通常对于流量很大,河槽较深窄的情况,而且河槽的一侧还有较宽台地,垭口甚至是古河道的坝址,可以采用一次拦断,明渠导流的方式。导流流量小的,通常指不超过20-30立方米/秒的小型工程的枯水启动导流通常是用渡槽。当前,通常要综合考虑河流的水文特征、地形、地质和水文条件等各种因素的影响,进行技术和经济等方面的比较论证,并结合风险分析进行决策以确定水利工程的施工的导流方式。
  (3)、分段围堰法
  此法需要用围堰将全部河床的水工建筑物的分为若干段,分期分段完成整个工程的施工。可以先围住河床的左岸或两岸,使河水从束窄的河床通过;然后可以再完全截断河流,使全部河水从已经建成的建筑物通过。这种方法通常适用于河床较宽,流量又很大,施工期较长的工程。当前,我国的丹江口,葛洲坝等水电站都是采用的这种方法进行导流。
  (4)隧洞导流
  隧洞是在水利工程施工基坑的上下游修筑围堰挡水,使原河水通过隧洞导向下游的施工导流方式。图2-某水电站的隧洞导流。
  它通常用于河床外导流,山区河流,山高谷窄而且两岸险峻,地形不利于开挖明渠则采用涵洞导流。此种方法的导流方式造价较高,另外通常将导流涵洞与永久性建筑物相结合,达到高利用的特点。
  (5)涵洞导流
  此法则是在水利工程施工基坑上下游修筑围堰挡水,使原来的河水通过涵洞后导向下游的一种施工导流方式。此法一般用于中小型土石坝,水闸等的工程,分期导流的后期导流也有部分采用涵洞导流方式的。通常来讲,涵洞导流比隧洞导流具有施工工作面大,施工灵活方便,速度快,造价也低的特点。涵洞导流可以依山布置也可以布置在摊岩的表层等。另外,需要注意的是,涵洞宜采用布置成直线,这样进出口都有良好的形式,也可以使水顺畅,不会产生冲淤泥,防止渗漏等。通常将导流涵洞与永久性建筑物相结合,达到高利用的特点。
  (6)、涵洞导流
  此法则是在水利工程施工基坑上下游修筑围堰挡水,使原来的河水通过涵洞后导向下游的一种施工导流方式。此法一般用于中小型土石坝,水闸等的工程,分期导流的后期导流也有部分采用涵洞导流方式的。通常来讲,涵洞导流比隧洞导流具有施工工作面大,施工灵活方便,速度快,造价也低的特点。涵洞导流可以依山布置也可以布置在摊岩的表层等。另外,需要注意的是,涵洞宜采用布置成直线,这样进出口都有良好的形式,也可以使水顺畅,不会产生冲淤泥,防止渗漏等。
  此法通常是在混凝土坝施工过程中,在导流设计规定的部位和高程上,预留规定的大小的缺口,宣泄洪水期的一定流量的临时性辅助导流度汛措施。这种缺口完成辅助导流任务后,通常按照工程设计为建成永久性建筑物。具体用处在于当在全段围堰法和分段围堰法的后期,如果使洪水完全从导流隧洞或导流底孔等导流建筑物通过,通常会造成导流建筑物的工程了和工程投资加大,故将导流隧洞等导流建筑物按照枯水期的标准设计相应流量。而在洪水期,则部分坝体停止施工,预留出缺口,使其尽量配合其他导流建筑物宣泄洪峰流量,而其余坝体继续上升,枯水期再将缺口上升与其它坝体相近的高程。一般来讲,坝体缺口导流可以大大降低导流隧洞或导流底孔等建筑物的尺寸,降低造价。施工简单易行。
  (7)、厂房导流
  这种导流方式则是利用施工的厂房建筑物的某些过水部位,将河水导向下游的施工导流方式。一般水电站的厂房时水电站的主要建筑物,而如果厂房本来是与泄水建筑物相结合的,则可以考虑施工过程中利用,当然也可以部分利用其泄水建筑物进行施工导流,但是如果不能的话,则需要根据厂房特点和发电的工期安排,考虑是否需要和可能利用厂房进行施工导流。这种厂房施工导流通常有三种方式:一是来水通过还未建成的蜗壳及尾水管。二是来水通过泄水底孔,底孔布置在尾水管上部。三是来水通过泄水底孔进口,经设在尾水管锥形体内的临时孔进入尾水管。当厂房导流的能力不能满足要求时,再进一步考虑与其它导流设施进行组合导流。
  四、施工导流系统及控制问题
  由于大规模水利水电工程所处地理环境相对恶劣,其面临的施工条件复杂且艰苦,而在该种工程中施工导流的控制对工程有着关键性的影响。施工导流控制液压是一个复杂的工程,而根据工程项目内部所有动态特性和所有的内部元素的相关属性对其予以分类可以将其分为支流子系统、导流子系统和主要建筑物管理子系统。三个子系统相互抑制又相互关联,对于分流子系统而言,其分流标准的条件是主要建筑物子系统和施工工艺转移确定的主要标准,而施工工艺也会对导流建筑物的设计和分流危机的各时期产生影响。为保证施工导流的效果,避免施工过程中的风险,上述两方面的关系便应得到良好的维护。这便是水利水电工程施工过程中所必然会面对的导流问题。在复杂的施工条件下,对于施工导流和整体工程的影响因素众多,这些复杂的地质地理条件和自然条件都会对工程质量、施工难度和工程进度等带来不利的影响。而在这种复杂的条件下,能够及时有效的完成施工中的导流问题能够解决工程进度等问题,同时也会减少对于工程施工地环境和居民生活的不利影响。
  总结:
  总而言之,水利水电工程是国民基础设施建设的重要部分,其建设成果除了关乎我们水力资源利用的效率和水平,同时也对国民经济和人民的生活水平有着重要的影响。在工程开展过程中,技术问题引起关乎工程的质量和安全而成为我们关注的焦点,而导流施工问题在整体工程中起着重要的作用,也便成为我们必然的关注焦点。当我们解决导流施工的技术问题并不断提升技术质量,更为关注工程整體的质量安全时,我们也便获得了工程本身和社会效益的最大化。
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