第四章 小型水利工程施工技术
第一节 施工导流及基坑排水
一、施工导流
施工导流就是在河床中修筑围堰围护基坑，并将河道中各时期的上游来水量按预定的方式导向下游，以创造干地施工的条件，保证主体建筑物施工顺利进行。施工导流贯穿于整个工程施工的全过程，是水利水电工程总体设计的重要组成部分，是选定枢纽布置、永久建筑物形式、施工程序和施工总进度的重要因素。
在导流过程中使用的临时性的挡水建筑物和泄水建筑物，统称为导流建筑物。挡水建筑物主要是围堰。泄水建筑物包括导流明渠、导流隧洞、导流涵管、导流底孔等临时建筑物和部分可利用的永久性泄水建筑物。
（一） 导流标准
导流标准就是选定导流设计流量的标准。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。
根据 《水利水电工程施工组织设计规范》 （SL303—2004），在确定导流设计标准时，首先根据导流建筑物 （指枢纽工程施工期所使用的临时性挡水和泄水建筑物）所保护对象、失事后果、使用年限和导流建筑物规模等因素划分为3～5级，具体按表4 1确定，再根据导流建筑物的级别和类型，确定相应的洪水标准，具体见表4 2。
表4-1导流建筑物级别划分
续表
注 1.导流建筑物包括挡水和泄水建筑物，两者级别相同。
2.表中四项指标均按导流分期划分，保护对象一栏中所列永久性水工建筑物级别系按 《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）划分。
3.有、无特殊要求的永久性水工建筑物均针对施工期而言，有特殊要求的1级永久性水工建筑物指施工期不应过水的土石坝及其他有特殊要求的永久性水工建筑物。
4.使用年限指导流建筑物每一导流分期的工作年限，两个或两个以上导流分期共用的导流建筑物，如分期导流一期、二期共用的纵向围堰，其使用年限不能叠加计算。
5.导流建筑物规模一栏中，围堰高度指挡水围堰最大高度，库容指堰前设计水位所拦蓄的水量，两者应同时满足。
表4-2 导流建筑物洪水标准划分
在实际工程中，确定导流建筑物洪水标准的常见方法主要有以下几种：
（1）实测资料分析法，该法实用简单，但一般应有较长的水文系列，与洪峰、洪量均较大的典型洪水过程作比较后，选用设计典型年。
（2）常规频率法，按国家统一的规范执行，一般应有20～30年以上的水文系列，多用风险率概念进行分析、计算。
（3）经济流量分析法，根据不同的设计流量，计算各相应的年施工费用及年损失费用（含现场施工、淹没、溃堰等损失），对应总费用最小流量即为经济导流流量。
在实际应用中，往往两者或三者结合考虑，综合分析，以估计其安全性和经济性。
（二） 导流方式
施工导流的基本方式可分为分期导流和一次拦断河床导流两类。
1.分期围堰导流
分期围堰导流，也称分段围堰导流或河床内导流，就是用围堰将建筑物分段分期围护起来进行施工的方法。图4 1是一种常见的分期围堰法导流示意图。
所谓分段就是从空间上将河床围护成若干个干地施工的基坑段进行施工。所谓分期就是从时间上将导流过程划分成阶段。必须指出，段数分得越多，围堰工程量越大，施工也越复杂；同样，期数分得越多，工期有可能拖得越长。因此，在工程实践中，二段二期导流法采用得最多。只有在比较宽阔的通航河道上施工，不允许断航或其他特殊情况下，才采用多段多期导流法。分段围堰法导流一般适用于河床宽阔、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。这种导流方法的费用较低，国内外一些大、中型水利水电工程采用较广。分段围堰法导流，前期由束窄的原河道导流，后期可利用事先修建好的泄水道导流，常见泄水道的类型有底孔、缺口、梳齿孔等。
图4-1 分期导流布置示意
1—一期围堰；2—束窄河床；3—二期围堰；4—导流底孔；5—坝体缺口；6—坝轴线
（1）底孔导流。利用设置在混凝土坝体中的永久底孔或临时底孔作为泄水道是二期导流经常采用的方法。导流时让全部或部分导流流量通过底孔宣泄到下游，保证后期工程的施工。如系临时底孔，则在工程接近完工或需要蓄水时要加以封堵。底孔导流的布置形式如图4 2所示。
图4-2 底孔导流
1—二期修建坝体；2—底孔；3—二期纵向围堰；4—封闭闸门门槽；5—中间墩；6—出口封闭门槽；7—已浇筑的混凝土坝体
采用临时底孔时，底孔的尺寸、数目和布置要通过相应的水力学计算确定，其中底孔的尺寸在很大程度上取决于导流的任务 （过水、过船、过木和过鱼）以及水工建筑物结构特点和封堵用闸门设备的类型。底孔的布置要满足截流、围堰工程以及本身封堵的要求。临时底孔的断面形状多采用矩形，为了改善孔周的应力状况，也可采用有圆角的矩形。
底孔导流的优点是挡水建筑物上部的施工可以不受水流的干扰，有利于均衡连续施工，这对修建高坝特别有利。若坝体内设有永久底孔可以用来导流时，更为理想。底孔导流的缺点是由于坝体内设置了临时底孔，使钢材用量增加；如果封堵质量不好，会削弱坝体的整体性，还有可能漏水；在导流过程中底孔有被漂浮物堵塞的危险；封堵时由于水头较高，安放闸门及止水等均较困难。
图4-3 坝体缺口过水示意
1—过水缺口；2—坝体；3—坝顶
（2）坝体缺口导流。混凝土坝施工过程中，当汛期河水暴涨暴落，其他导流泄水建筑物不足以宣泄全部流量时，为了不影响坝体施工进度，使坝体在涨水时仍能继续施工，可以在未建成的坝体上预留缺口，如图4 3所示，以便配合其他建筑物宣泄洪峰流量，待洪峰过后，上游水位回落，再继续修筑缺口。所留缺口的宽度和高度取决于导流设计流量、其他建筑物的泄水能力、建筑物的结构特点和施工条件。采用底坎高程不同的缺口时，为避免高低缺口，单宽流量相差过大产生高缺口向低缺口的侧向泄流，引起压力分布不均匀，需要适当控制高低缺口间的高差。根据湖南省柘溪工程的经验，其高差以不超过4～6m为宜。在修建混凝土坝，特别是大体积混凝土坝时，由于这种导流方法比较简单，常被采用。
上述两种导流方式，一般只适用于混凝土坝，特别是重力式混凝土坝枢纽。至于土石坝或非重力式混凝土坝枢纽，采用分段围堰法导流，常与隧洞导流、明渠导流等河床外导流方式相结合。
2.一次拦断河床围堰导流
一次拦断河床围堰导流是在河床主体工程轴线上下游一定距离，修筑拦河堰体，一次性截断河道，使河道中的水流经河床外修建的临时泄水道或永久泄水建筑物下泄。一次性拦断河床围堰导流适用于枯水期流量不大，河道狭窄的河流，按泄水建筑物的类型可分为明渠导流、隧洞导流、涵管导流等。
（1）明渠导流。明渠导流适用于以下情况：坝址河床较窄或河床覆盖层很深，分期导流困难，河床一岸有较宽的台地、垭口或古河道；导流流量大，地质条件不适于开挖导流隧洞；施工期有通航、排冰、过木要求。
导流明渠布置分在岸坡上和在滩地上两种布置形式，如图4 4所示。
1）导流明渠轴线的布置。导流明渠应布置在较宽台地、垭口或古河道一岸；渠身轴线要伸出上下游围堰外坡脚，水平距离要满足防冲要求，一般50～100m；明渠进出口应与上下游水流相衔接，与河道主流的交角以30°为宜；为保证水流畅通，明渠转弯半径应大于5倍渠底宽；明渠轴线布置应尽可能缩短明渠长度和避免深挖方。
2）明渠进出口位置和高程的确定。明渠进出口力求不冲、不淤和不产生回流，可通过水力学模型试验调整进出口形状和位置，以达到这一目的；进口高程按截流设计选择，出口高程一般由下游消能控制；进出口高程和渠道水流流态应满足施工期通航、过木和排冰要求；在满足上述条件下，尽可能抬高进出口高程，以减少水下开挖量。
3）导流明渠断面设计。
（a）明渠断面尺寸的确定。明渠断面尺寸由设计导流流量控制，并受地形地质和允许抗冲流速影响，应按不同的明渠断面尺寸与围堰的组合，通过综合分析确定。
图4-4 明渠导流示意
1—导流明渠；2—上游围堰；3—下游围堰；4—坝轴线；5—明渠外导墙
（b）明渠断面形式的选择。明渠断面一般设计成梯形，渠底为坚硬基岩时，可设计成矩形。有时为满足截流和通航不同目的，也有设计成复式梯形断面。
（c）明渠糙率的确定。明渠糙率大小直接影响到明渠的泄水能力，而影响糙率大小的因素有衬砌的材料、开挖的方法、渠底的平整度等，可根据具体情况查阅有关手册确定。对大型明渠工程，应通过模型试验选取糙率。
（2）隧洞导流。隧洞导流适用于导流流量不大、坝址河床狭窄、两岸地形陡峻的情况，如一岸或两岸地形、地质条件良好时，可考虑采用隧洞导流。
1）导流隧洞的布置如图4 5所示。
图4-5 隧洞导流示意
1—导流隧洞；2—上游围堰；3—下游围堰；4—主坝
（a）隧洞轴线沿线地质条件良好，足以保证隧洞施工和运行的安全。
（b）隧洞轴线宜按直线布置，如有转弯时，转弯半径不小于5倍洞径 （或洞宽），转角不宜大于60°，弯道首尾应设直线段，长度不应小于3～5倍的洞径 （或洞宽）；进出口引渠轴线与河流主流方向夹角宜小于30°。
（c）隧洞间净距、隧洞与永久建筑物间距、洞脸与洞顶围岩厚度均应满足结构和应力要求。
（d）隧洞进出口位置应保证水力学条件良好，并伸出堰外坡脚一定距离，一般距离应大于50m，以满足围堰防冲要求。进口高程多由截流控制，出口高程由下游消能控制，洞底按需要设计成缓坡或急坡，避免成反坡。
2）导流隧洞断面设计。隧洞断面尺寸的大小，取决于设计流量、地质和施工条件，洞径应控制在施工技术和结构安全允许范围内，目前国内单洞断面尺寸多在200m2以下，单洞泄量不超过2000～2500m3/s。
隧洞断面形式取决于地质条件、隧洞工作状况 （有压或无压）及施工条件，常用断面形式有圆形、马蹄形、方圆形，如图4 6所示。圆形多用于高水头处，马蹄形多用于地质条件不良处，方圆形有利于截流和施工，国内外导流隧洞采用方圆形为多。
图4-6 隧洞断面形式
洞身设计中，糙率n值的选择是十分重要的问题，糙率的大小直接影响到断面的大小，而衬砌与否、衬砌的材料和施工质量、开挖的方法和质量则是影响糙率大小的因素。一般混凝土衬砌糙率值为0.014～0.017；不衬砌隧洞的糙率变化较大，光面爆破时为0.025～0.032，一般炮眼爆破时为0.035～0.044。设计时根据具体条件，查阅有关手册，选取设计的糙率值。
对重要的导流隧洞工程，应通过水工模型试验验证其糙率的合理性。
导流隧洞设计应考虑后期封堵要求，布置封堵闸门门槽及启闭平台设施。有条件者，导流隧洞应与永久隧洞结合，以利节省投资。一般高水头枢纽，导流隧洞只可能与永久隧洞部分相结合，中低水头则有可能全部结合。
（3）涵管导流。涵管导流一般在修筑土坝、堆石坝工程中采用。
涵管通常布置在河岸岩滩上，其位置在枯水位以上，这样可在枯水期不修围堰或只修一小围堰而先将涵管筑好，然后再修上下游全断围堰，将河水引经涵管下泄，如图4 7所示。
涵管一般是钢筋混凝土结构。当有永久涵管可以利用或修建隧洞有困难时，采用涵管导流是合理的。在某些情况下，可在建筑物基岩中开挖沟槽，必要时予以衬砌，然后封上混凝土或钢筋混凝土顶盖，形成涵管。利用这种涵管导流往往可以获得经济可靠的效果。由于涵管的泄水能力较低，所以一般用于导流流量较小的河流上或只用来担负枯水期的导流任务。
为了防止涵管外壁与坝身防渗体之间的渗流，通常在涵管外壁每隔一定距离设置截流环，以延长渗径，降低渗透坡降，减少渗流的破坏作用。此外，必须严格控制涵管外壁防渗体的压实质量。涵管管身的温度缝或沉陷缝中的止水必须认真施工。
图4-7 涵管导流示意
1—流涵管；2—上游围堰；3—下游围堰；4—土石坝
（三） 导流方案
水利水电枢纽工程的施工，从开工到完工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运用，以取得最佳的技术经济效果。例如，三峡工程采用分期导流方式，分三期进行施工：第一期土石围堰围护右岸叉河，江水和船舶从主河槽通过；第二期围护主河槽，江水经导流明渠泄向下游；第三期修建碾压混凝土围堰拦断明渠，江水经由泄洪坝段的永久深孔和22个临时导流底孔下泄。这种不同导流时段不同导流方法的组合，通常称为导流方案。
选择导流方案时应综合考虑的因素主要有水文条件、地形条件、地质及水文地质条件、水工建筑物的形式及其布置、施工期间河流的综合利用、施工进度、施工方法及施工场地布置等。
合理的导流方案，必须在周密地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。
二、施工截流
施工导流过程中，当导流泄水建筑物建成后，应抓住有利时机，迅速截断原河床水流，迫使河水经完建的导流泄水建筑物下泄，然后在河床中全面展开主体建筑物的施工，这就是截流工程。
截流一般先在河床的一侧或两侧向河床中填筑截流戗堤，逐步缩窄河床，称为进占。戗堤进占到一定程度，河床束窄，形成流速较大的泄水缺口叫龙口。为了保证龙口两侧堤端和底部的抗冲稳定，通常采用工程防护措施，如抛投大块石、铅丝笼等，这种防护堤端叫裹头。封堵龙口的工作叫合龙。合龙以后，龙口段及戗堤本身仍然漏水，必须在戗堤全线设置防渗措施，这一工作叫闭气。所以整个截流过程包括戗堤进占、龙口裹头及护底、合龙、闭气四项工作。截流后，对戗堤进一步加高培厚，修筑成设计围堰。
由此可见，截流在施工中占有重要地位，如不能按时完成，就会延误整个建筑物施工，河槽内的主体建筑物就无法施工，甚至可能拖延工期一年，所以在施工中常将截流作为关键性工程。为了截流成功，必须充分掌握河流的水文、地形、地质等条件，掌握截流过程中水流的变化规律及其影响，做好周密的施工组织，在狭小的工作面上用较大的施工强度在较短的时间内完成截流。
截流的方式可归纳为平堵法、立堵法及混堵等。
1.立堵法
立堵法截流是将截流材料从龙口一端或两端向中间抛投进占，逐渐束窄河床，直至全部拦断，如图4 8所示。
立堵法截流不需架设浮桥，准备工作比较简单，造价较低。但截流时水力条件较为不利，龙口单宽流量较大，出现的流速也较大，同时水流绕截流戗堤端部使水流产生强烈的立轴漩涡，在水流分离线附近造成紊流，易造成河床冲刷，且流速分布很不均匀，需抛投单个重量较大的截流材料。截流时由于工作前线狭窄，抛投强度受到限制。立堵法截流适用于大流量、岩基或覆盖层较薄的岩基河床，对于软基河床应采用护底措施后才能使用。立堵法截流又分为单戗、双戗和多戗立堵截流，单戗适用于截流落差不超过3m的情况。
图4-8 立堵法截流
1—分流建筑物；2—截流戗堤；3—龙口；4—河岸；5—回流区；6—进占方向
图4-9 平堵法截流
1—截流戗堤；2—龙口；3—覆盖层；4—浮桥；5—锚墩；6—钢缆；7—平堵截流抛石体
2.平堵法
平堵法截流是沿整个龙口宽度全线抛投，抛投料堆筑体全面上升，直至露出水面，如图4 9所示。这种方法的龙口一般是部分河宽，也可以是全河宽。因此，合龙前必须在龙口架设浮桥，由于它是沿龙口全宽均匀地抛投，所以其单宽流量小，出现的流速也较小，需要的单个材料的重量也较轻，抛投强度较大，施工速度快，但有碍于通航，适用于软基河床，河流架桥方便且对通航影响不大的河流。
3.混合堵
混合堵是采用立堵与平堵相结合的方法，有立平堵和平立堵两种。
（1）立平堵。为了充分发挥平堵水力学条件较好的优点，同时又降低架桥的费用，工程中可采用先立堵，后在栈桥上平堵的方式。
（2）平立堵。对于软基河床，单纯立堵易造成河床冲刷，采用先平抛护底，再立堵合龙，平抛多利用驳船进行。
三、基坑排水
修建水利水电工程时，在围堰合龙闭气以后，就要排除基坑内的积水和渗水，以保持基坑基本干燥状态，以利于基坑开挖、地基处理及建筑物的正常施工。
基坑排水工作按排水时间及性质，一般可分为：①基坑开挖前的初期排水，包括基坑积水、基坑积水排除过程中的围堰堰体与基础渗水和堰体及基坑覆盖层中的含水以及可能出现的降水的排除；②基坑开挖及建筑物施工过程中的经常性排水，包括围堰和基坑渗水、覆盖层含水、降水以及施工弃水的排除。按排水方法分明沟排水和人工降低地下水位两种。