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实验目的 （1）了解施工导流的方式，选择合理的全段围堰法配合导流隧洞进行施工导流； （2）掌握围堰的基本型式、平面布置及堰顶高程的计算方法； （3）观测水流流态及量测计算有关水力要素，验证所学相关施工导截流方面的理论知识，模型可实现的截流形式和导流形式，可对龙口合龙时水流变化进行流量和流速的测量，同时对龙口合龙时导流进行的流速和流量的测量，可对上游和下游在截流时水位发生变化的测量，绘制龙口水力参数变化特征； （4）掌握截流材料尺寸的确定方法，在给定料场开采方案的前提下，判断龙口合龙的不利龙口尺寸。 实验设备 此实验台通过特殊设计，巧妙的将二种截流和三种导流溶合在一个模型上，能模拟操作和演示施工时的真实状况，（1）截流：a、采用平截，在模型河床上建一座桥，可模拟从桥上往河床里倒填充物料，筑成一座游围堰，能看到平截过程和水态变化。b、竖截：在河床两岸用有机玻璃分别做成两条上游围堰，在模型里面安装两台电机，操作电机可以使两条围堰向河道中间慢慢靠拢，能看到围堰合龙的状况及水流变化。（2）导流：a、明渠导流，b、遂道导流，c、分期导流，分别用有机玻璃按比例缩小制作。模型底架采用角钢通过造型焊接做成，河床采用玻璃钢材料通过翻模制作，用一定直比例的砾石嵌在河床底和河床两岸，做成仿真水泥砾石面，体现河床的真实感。模型上游接通备用水源，在模型上安装一个稳流装置，以使实验时起到良好的效果，模型下游安装水位控制装置，可以随时调节水位的变化，下游的水流通过水位控置装置后流回到地下水库。 图1 导截流实验台 实验原理 巧水工之慧选施工导流方法 （一）、导流方法及泄水方式 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进行施工，需要用围堰维护基坑，并将河水引向预定的泄水通道往下游宣泄。这就是施工导流。 施工导流方式，大体上可分为三类，即分段围堰法导流、全段围堰法导流、淹没基坑法导流。 1、分段围堰法导流 分段围堰法亦称分期围堰法，就是用围堰将水工建筑物分段、分期维护起来进行施工的方法。图2所示为两期导流的例子。所谓分段，就是在空间上用围堰将建筑物分为若干施工段进行施工。所谓分期，就是在时间上将导流分为若干时期。采用分段围堰法导流时，纵向围堰位置的确定，也就是河床束窄程度的选择是关键问题之一。 图2 分段围堰法导流 （a）平面图；（b）下游立视图；（ c ）导流底孔纵断面图 1－一期上游横向围堰；2－1－一期下游横向围堰；3－一、二期纵向围堰；4－预留缺孔;5－导流底孔；6－二期上下游围堰轴线；7－护坦；8－封堵闸门槽；9－工作闸门槽；10－事故闸门槽；11－已浇筑的混凝土坝体；12－未浇筑的混凝土坝体 河床束窄程度可用以下面积束窄度(K)表示： 式中： A1—原河床的过水面积，m2；A2—围堰和基坑所占的过水面积，m2； 国内外一些工程K值的取用范围约在40%~70%之间。在确定纵向围堰的位置或选择河床的束窄程度时，应重视下列问题：充分利用河心洲、小岛等有利地形条件；纵向围堰尽可能与导墙、隔墙等永久建筑物相结合；束窄河床流速要考虑施工通航、筏运、围堰和河床防冲等的要求，不能超过允许流速；各段主体工程的工程量、施工强度要比较均衡；便于布置后期导流泄水建筑物，不致使后期围堰过高或截流落差过大。 分段围堰法导流一般适用于河床宽、流量大、施工期较长的工程，尤其在通航河流和冰凌严重的河流上。分段围堰法导流，前期都利用束窄的原河道导流，后期要通过事先修建的泄水道导流，常见的有以下几种。 ①底孔导流 ②坝体缺口导流 ③束窄河床导流 上述三种后期导流方式，一般只适用于混凝土坝，特别是重力式混凝土坝。对于土石坝、非重力式混凝土坝等坝型，若采用分段围堰法导流，常与河床外的隧洞导流、明渠导流等方式相配合。 2、全段围堰法导流 全段围堰法导流，就是在河床主体工程的上下游各建一道断流围堰，使河水经河床以外的临时泄水道或永久泄水建筑物下泄。主体工程建成或接近建成时，再将临时泄水道封堵。 全段围堰法导流，其泄水道类型通常有以下几种。 ①隧洞导流 隧洞导流是在河岸中开挖隧洞，在基坑上下游修筑围堰，河水经由隧洞下泄。一般山区河流，河谷狭窄，两岸地形陡峻，山岩坚实，采用隧洞导流较为普遍。 ②明渠导流 明渠导流是在河岸上开挖渠道，在基坑上下游修筑围堰，河水经渠道下泄。 ③涵管导流 涵管导流一般在修筑土坝、堆石坝工程中采用。 3、淹没基坑法导流 这是一种辅助导流方法，在全段围堰法和分段围堰法中均可使用。山区河流特点是洪水期流量大、历时短，而枯水期流量则很小，水位暴涨暴落、变幅很大。若按一般导流标准要求来设计导流建筑物，不是挡水围堰修得很高，就是泄水建筑物的尺寸要求很大，而使用期又不长，这显然是不经济的。在这种情况下，可以考虑采用允许基坑淹没的导流方法，即洪水来临时围堰过水，若基坑被淹没，河床部分停工，待洪水退落，围堰挡水时再继续施工。这种方法，基坑淹没所引起的停工天数不长，施工进度能保证，在河道泥沙含量不大的情况下，导流总费用较节省，一般是合理的。 （二）、围堰的基本型式及布置 围堰是导流工程中的临时挡水建筑物，用来围护施工基坑，保证水工建筑物能在干地施工。在导流任务完成以后，如果围堰对永久建筑物的运行有妨碍或没有考虑作为永久建筑物的一部分时，应予拆除。按其所使用的材料，可以：土石围堰、草土围堰、钢板桩格型围堰、混凝土围堰等。按围堰与水流方向的相对位置，可以分为：横向围堰和纵向围堰。按导流期间基坑淹没条件，可以分为：过水围堰和不过水围堰。过水围堰除需要满足一般围堰的基本要求外，还要满足堰顶过水的专门要求。 1、围堰的基本型式及构造 ①不过水土石围堰 围堰是水利水电工程中应用最广泛的一种围堰型式，如图3所示。它能充分利用当地材料或废弃的土石方，构造简单，施工方便，可以在动水中、深水中、岩基上或有覆盖层的河床上修建。但其工程量大，堰身沉陷变形也较大， 若当地有足够数量的渗透系数小于10-4cm/s的防渗料(如砂壤土)时，土石围堰可以采用图3 (a)、(b)两种型式。其中(a)适用于基岩河床；(b)适用于覆盖层厚度不大的场合。 若当地没有足够数量的防渗料或覆盖层较厚时，土石围堰可以采用图3(c)、(d)两种型式，用混凝土防渗墙、高喷墙、自凝灰浆墙或帷幕灌浆来解决基础防渗问题。 ②过水土石围堰 当采用允许基坑淹没的导流方式时，围堰堰体必须允许过水。因此，过水土石围堰的下游坡面及堰脚应采取可靠的加固保护措施。目前采用的有：大块石护面、钢筋石笼护面、加筋护面及混凝土板护面等。较普遍的是混凝土板护面。 ③混凝土围堰 图3 不过水土石围堰 （a）斜墙式土石围堰；（b）斜墙带水平铺盖式土石围堰；（c）垂直防渗墙式土石围堰；（d）帷幕灌浆式土石围堰 1-堆石体；2-粘土斜墙、铺盖；3-反滤层；4-护面；5-隔水层；6-覆盖层；7-垂直防渗墙；8-帷幕灌浆；9-粘土心墙 混凝土围堰的抗冲与防渗能力强，挡水水头高，底宽小，易于与永久建筑物相连接，必要时还可以过水，因此应用比较广泛。国内浙江紧水滩、贵州乌江渡、湖南凤滩及湖北隔河岩等水利水电工程中均采用过拱型混凝土围堰作横向围堰，但多数工程还是以重力式混凝土围堰作纵向围堰。 ④钢板桩格型围堰 钢板桩格型围堰按挡水高度不同，其平面型式有圆筒形格体、扇形格体及花瓣形格体(见图4)等，应用较多的是圆筒形格体。 图4 钢板桩格围堰的平面型式 ⑤草土围堰 草土围堰是一种草土混合结构，多用捆草法修建。草土围堰的断面一般为矩形或边坡很陡的梯形，坡比为1：0.2~1：0.3，是在施工中自然形成的边坡。 2、围堰的平面布置与堰顶高程 ①围堰的平面布置 围堰的平面布置一般应按导流方案、主体工程的轮廓和对围堰提出的要求而定。通常，基坑坡趾离主体工程轮廓的距离，不应小于20~30m，以便布置排水设施、交通运输道路及堆放材料和模板等。至于基坑开挖边坡的大小，则与地质条件有关。当纵向围堰不作为永久建筑物的一部分时，基坑纵向坡趾离主体工程轮廓的距离，一般不大于2.0m，以供布置排水系统和堆放模板。如果无此要求，只需留0.4~0.6m就够了。 ②堰顶高程堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件。 下游围堰的堰顶高程由下式决定： Hd=hd+ha+δ (1) 式中：Hd—下游围堰堰顶高程，m；hd—下游水位高程，m；可直接从河流水位流量关系查出；ha—波浪爬高，m；δ—围堰的安全超高，m； 上游围堰的堰顶高程由下式决定： Hu=hd+z+ha+δ (2) 式中：Hu—上游围堰堰顶高程，m；z—上下游水位差，m；其余符号同上式。 必须指出，当围堰要拦蓄一部分水流时，则堰顶高程应通过调洪计算来确定。纵向围堰的堰顶高程，要与束窄河段宣泄导流设计流量时的水面曲线相适应。因此，纵向围堰的顶面往往作成阶梯形或倾斜状，其上游和下游分别与上游围堰和下游围堰顶同高。 （三）、导流设计流量与导流方案 导流设计流量是选择导流方案、设计导流建筑物的主要依据。导流设计流量一般需结合导流标准和导流时段的分析来决定。 1、导流标准 广义地说，导流标准是选择导流设计流量进行施工导流设计的标准，它包括初期导流标准、坝体拦洪时的导流标准等。 施工初期导流标准，按水利水电工程施工组织设计规范的规定，首先需根据导流建筑物的下列指标，将导流建筑物分为Ⅲ~Ⅴ级。再根据导流建筑物的级别和类型，在规范规定的幅度内选定相应的洪水重现期作为初期导流标准。 实际上，导流标准的选择受众多随机因素的影响。如果标准太低，不能保证施工安全；反之，则使导流工程设计规模过大，不仅增加导流费用，而且可能因其规模太大以致无法按期完成，造成工程施工的被动局面。因此，大型工程导流标准的确定，应结合风险度的分析，使所选标准更加经济合理。 2、导流时段 在工程施工过程中，不同阶段可以采用不同的施工导流方法和挡水、泄水建筑物。不同导流方法组合的顺序，通常称为导流程序。导流时段就是按导流程序所划分的各施工阶段的延续时间，具有实际意义的导流时段，主要是围堰挡水而保证基坑干地施工的时间，所以也称挡水时段。 导流时段的划分与河流的水文特征、水工建筑物的布置和型式、导流方案、施工进度等因素有关。按河流的水文特征可分为枯水期、中水期和洪水期。在不影响主体工程施工的条件下，若导流建筑物只负担枯水期的挡水、泄水任务，显然可大大减少导流建筑物的工程量，改善导流建筑物的工作条件，具有明显的技术经济效果。因此，合理划分导流时段，明确不同时段导流建筑物的工作条件，是既安全又经济地完成导流任。 3、导流设计流量 ①不过水围堰应根据导流时段来确定。如果围堰挡全年洪水，其导流设计流量就是选定导流标准的年最大流量，导流挡水与泄水建筑物的设计流量相同；如果围堰只挡某一枯水时段，则按该挡水时段内同频率洪水作为围堰和该时段泄水建筑物的设计流量，但确定泄水建筑物总规模的设计流量，应按坝体施工期临时渡汛洪水标准决定。 ②过水围堰允许基坑淹没的导流方案，从围堰工作情况看，有过水期和挡水期之分，显然它们的导流标准应有所不同。 过水期的导流标准应与不过水围堰挡全年洪水时的标准相同。其相应的导流设计流量主要用于围堰过水情况下，加固保护措施的结构设计和稳定分析，也用于校核导流泄水道的过水能力。 挡水期的导流标准应结合水文特点、施工工期及挡水时段，经技术经济比较后选定。当水文系列较长，大于或等于30年时，也可根据实测流量资料分析选用。其相应的导流设计流量主要用于确定堰顶高程、导流泄水建筑物的规模及堰体的稳定分析等。 4、导流方案 水利水电枢纽工程施工，从开工到完建往往不是采用单一的导流方法，而是几种导流方式组合起来配合运用，以取得最佳的技术经济效果。这种不同导流时段、不同导流方式的组合，通常称为导流方案。 导流方案的选择受多种因素的影响。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如下。 ①水文条件 ②地形条件 ③地质及水文地质条件 ④水工建筑物的型式及其布置 ⑤施工期间河流的综合利用 ⑥施工进度、施工方法及施工场地布置 在选择导流方案时，除了综合考虑以上各方面因素外，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。 （四）、截流方法 在施工导流中，只有截断原河床水流，才能把河水引向导流泄水建筑物下泄，在河床中全面开展主体建筑物的施工，这就是截流。在大江大河中截流是一项难度比较大的工作。 整个截流过程包括戗堤的进占、龙口范围的加固、合龙和闭气等工作。截流以后，再对戗堤进行加高培厚，直至达到围堰设计要求。 截流在施工导流中占有重要的地位，如果截流不能按时完成，就会延误整个河床部分建筑物的开工日期；如果截流失败，失去了以水文年计算的良好截流时机，则可能拖延工期达一年，在通航河流上甚至严重影响航运。所以在施工导流中，常把截流看作一个关键性问题，它是影响施工进度的一个控制项目。 截流之所以被重视，还因为截流本身无论在技术上和施工组织上都具有相当的艰巨性和复杂性。 长江葛洲坝工程于1981年元月仅用35.6h时间，在4720m3/s流量下胜利截流，为在大江大河上进行截流，积累了宝贵的经验，而1997年11月三峡工程大江截流和2002年11月三峡工程三期导流明渠截流的成功，标志着我国截流工程的实践已经处于世界先进水平。 河道截流有立堵法、平堵法、立平堵法、平立堵法、下闸截流以及定向爆破截流等多种方法，但基本方法为立堵法和平堵法两种。 （五）、截流时段及水力计算 1、截流时段 截流年份应结合施工进度的安排来确定。 截流年份内截流时段的选择，既要把握截流时机，选择在枯水流量、风险较小的时段进行；又要为后续的基坑工作和主体建筑物施工留有余地，不致影响整个工程的施工进度。 在确定截流时段时，应考虑以下要求： ①截流以后，需要继续加高围堰，完成排水、清基、基础处理等大量基坑工作，并应把围堰或永久建筑物在汛期前抢修到一定高程以上。为了保证这些工作的完成，截流时段应尽量提前。 ②在通航的河流上进行截流，截流时段最好选择在对航运影响较小的时段内。因为截流过程中，航运必须停止，即使船闸已经修好，但因截流时水位变化较大，亦须停航。 ③在北方有冰凌的河流上，截流不应在流冰期进行。因为冰凌很容易堵塞河道或导流泄水建筑物，壅高上游水位，给截流带来极大困难。 2、龙口位置和宽度 龙口位置的选择，对截流工作顺利与否有密切关系。选择龙口位置时要考虑下述一些技术要求。 1）一般说来，龙口应设置在河床主流部位，方向力求与主流顺直。 2）龙口应选择在耐冲河床上，以免截流时因流速增大，引起过分冲刷。 3）龙口附近应有较宽阔的场地，以便布置截流运输线路和制作、堆放截流材料。 原则上龙口宽度应尽可能窄些，这样可以减少合龙工程量，缩短截流延续时间，但以不引起龙口及其下游河床的冲刷为限。 3、截流水力计算 截流水力计算的目的是确定龙口诸水力参数的变化规律。它主要解决两个问题：一是确定截流过程中龙口各水力参数，如单宽流量q、落差z及流速v等的变化规律；二是由此确定截流材料的尺寸或重量及相应的数量等。这样，在截流前，可以有计划、有目的地准备各种尺寸或重量的截流材料及其数量，规划截流现场的场地布置，选择起重、运输设备；在截流时，能预先估计不同龙口宽度的截流参数，何时何处应抛投何种尺寸或重量的截流材料及其方量等。 截流时的水量平衡方程为： Q0= Q1+Q2 (3) 式中： Q0 —截流设计流量，m3/s；Q1 —分流建筑物的泄流量，m3/s；Q2 —龙口泄流量，可按宽顶堰计算，m3/s。 截流水力计算可采用图解法和电算法。下面介绍图解法： 如图5，先绘制上游水位Hu与分流建筑物泄流量的关系曲线和上游水位与不同龙口宽度B的泄流量曲线簇。 在同一上游水位下，当分流建筑物泄流量与某宽度龙口泄流量之和为Q0时，即可分别得到Q1和Q2。 图5 Q1和Q2图解法 （六）、截流材料与备料量 1、截流材料尺寸 在截流中，合理选择截流材料的尺寸或重量，对于截流的成败和截流费用的节省具有重大意义。截流材料的尺寸或重量取决于龙口的流速。各种不同材料的适用流速，立堵截流时截流材料抵抗水流冲动的流速，可按下式估算。 式中： v—水流流速，m/s；K—综合稳定系数；g—重力加速度，m/s2；γ1—石块容重，t/m3；γ—水容重，t/m3；D—石块折算成球体的化引直径，m。 2、截流材料类型 截流材料类型的选择，主要取决于截流时可能发生的流速及开挖、起重、运输设备的能力，一般应尽可能就地取材。国内外大江大河截流的实践证明，块石是截流的最基本材料。此外，当截流水力条件较差时，还必须使用人工块体，如混凝土六面体、四面体、四脚体及钢筋混凝土构架等（见图5）。 图6 截流材料类型 3、备料量 为确保截流既安全顺利，又经济合理，正确计算截流材料的备料量是十分必要的。备料量通常按设计的戗堤体积再增加一定裕度。主要是考虑到堆存、运输中的损失，水流冲失，戗堤沉陷以及可能发生比设计更坏的水力条件而预留的备用量等。 操作步骤 1.根据的实验方案，记录导流结构的尺寸、河床的断面尺寸等基本参数； 2.将河床截流，记录在导流结构泄洪，不同流量变化时，导流结构的水位~流速变化，记录于表中。 3.根据记录表格，设计计算合理的围堰高度。 4.根据设计的导截流方案，选择合适的围堰高度，调整天然河道流量，并根据给定的截流方案，进行合龙推进。 5.在截流过程中，记录龙口宽度B，测量龙口宽度、河道水位、龙口平均流速并记录于表中。 6.改变龙口宽度B，重复过程5直至龙口完全闭合。 7.还原模型状态，整理实验仪器，关闭实验界面，返回进行实验数据处理，完成实验报告。 注意事项 1、实验室内的机电设备及仪表，未经指导教师同意，不得随便开动。 2、在导截流部件移动时，注意防止衣袖、发辫被卷入发生人身事故。 3、使用过程中注意防止手沾染水后触碰开关等电子设备，以防触电。 4、实验时听从指导教师和管理人员指挥，每组不超过5个人。 实验分析 1、完成天然河道的水位及流速测量记录 2、完成导流工程尺寸的记录及不同水位下导流工程的流速变化，形成导流工程水位~流速测量记录表，绘制导流工程水位~下泄流量关系曲线。 3、通过地形地质条件等，计算围堰顶部高程，完成截留方案 4、完成龙口宽度变化下水位及流速的测量记录，绘制龙口水利参数变化特性曲线 5、现有爆破方案与截留材料间的关系计算说明.
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