工作任务二 截流施工

【引例】某水利枢纽工程的导流截流工程。该水利枢纽工程为中型工程。水库总库容0.83亿m3，最大坝高124.5m。工程由拦河坝、表孔溢洪洞、底孔泄洪、冲沙、放空洞、发电引水洞、地面厂房及电站尾水渠等组成。

坝址处河谷呈不对称的V形。现代河床位于河谷右岸，宽20～40m。右岸山体雄厚，部分基岩裸露，自然边坡坡度40°～50°，河床岸坡陡，为60°～80°，基岩裸露；左岸为宽300～500m的三级阶地面。

根据当地水文站系列统计结果，径流年内分布不均，6～8月水量约占全年的67%，5～9月水量占全年约80%，1～3月水量占全年约7%，10～12月水量占全年的9%。主汛期在6～8月，9月底基本上就进入了枯水期，到第二年4月随着气温的回升，流量开始增大。

综合分析河流水文特性、施工条件、施工进度安排和截流后的工作量等因素，本工程选择汛后退水期进行截流。截流时间初步考虑在施工期第二年9月下旬，截流标准采用5年一遇9月月平均流量，截流流量为23.2m3/s。

根据本工程选定的截流时间和截流流量，采用立堵方式进行截流，立堵法截流简单易行，辅助设备少，造价低。截流戗堤右岸公路布置条件较好，抛投备料主要集中在右岸。因此，龙口合龙自右岸向左岸进占。截流填筑料为石方开挖料，截流堤与上游围堰堰体断面如图1-27所示。

根据截流水力计算成果分析，当龙口底宽为2～5m时，龙口流速较大，截流难度相对较大，施工中适时采取抛投大块石截流。截流材料按照龙口计算工程量的120%～130%备料。其中：石渣2833m3，块石507m3，闭气土料799m3。

一、截流方法选择

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，迫使河水经已建成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。

截流过程一般为：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称为龙口。为了保证龙口两侧堤端和底部的抗冲稳定，通常采取工程防护措施，如抛投大块石、铅丝笼等，这种防护堤端的工作称为裹头。封堵龙口的工作称为合龙。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设施，这一工作称为闭气。所以，整个截流过程包括戗堤进占、龙口裹头及护底、合龙、闭气等四项工作。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，就会延缓整个建筑物施工，所以在施工中常将截流作为关键性工程。

截流的基本方式有立堵法与平堵法两种。

1.立堵法

立堵法截流（图1-28、图1-29）是将截流材料从龙口一端向另一端或从两端向中间抛投进占，逐渐束窄龙口，直至全部拦断。

立堵法截流水力条件较为不利，尤其截流后期龙口单宽流量较大，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旋涡，容易造成河床冲刷，且流速分布很不均匀，需抛投单个重量较大的截流材料。截流时工作面狭窄，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，对于软基河床应采取一定的护底措施。

2.平堵法

平堵法截流（图1-30、图1-31）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。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.综合方式

（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，可采用先立堵部分河床，后在栈桥上平堵的方式进行合龙。

（2）平立堵。对于软基河床，单纯立堵易造成河床冲刷，宜采用先平抛护底，再立堵合龙的方式，平抛多利用驳船进行。

截流时间应根据枢纽工程施工控制性进度计划或总进度计划决定，至于时段选择，一般应考虑在枯水季节进行，严寒地区应尽量避开河道流冰及封冻期。此外还应考虑围堰施工及通航、过木等因素。

二、截流材料选择

（一）材料种类及尺寸选择

截流时采用当地材料在我国已有悠久的历史，主要有块石、石串、装石竹笼等。此外，当截流水力条件较差时，还须采用混凝土块体。

石料容重较大，抗冲能力强，一般工程较易获得，应优先选用石块截流。

在大中型工程截流中，混凝土块体的运用较普遍。这种人工块体制作、使用方便，抗冲能力强，故为许多工程采用，石块、混凝土块体截流分别如图1-32、图1-33所示。

在中小型工程截流中，因受起重运输设备能力限制，所采用的单个石块或混凝土块体的重量不能太大。石笼（如竹笼、铅丝笼、钢筋笼）或石串，一般使用在龙口水力条件不利的条件下。大型工程中除石笼、石串外，也采用混凝土块体串。某些工程，因缺乏石料，或河床易冲刷，也可根据当地条件采用梢捆、草土等材料截流。

采用块石和混凝土块体截流时，所需材料尺寸可通过水力计算初步确定，还应考虑到起重运输设备能力。

（二）材料数量的确定

对于不同粒径材料数量的确定，无论是平堵截流还是立堵截流，原则上可以按合龙过程中水力参数的变化来计算相应的材料粒径和数量。常用的方法是将合龙过程按高程（平堵）或宽度（立堵）划分成若干区段，然后按分区最大流速计算出所需材料的粒径和数量。实际上，每个区段也不是只用一种粒径材料，所以设计中可参照国内外已有工程经验来确定不同粒径材料的比例。

备料量的计算，可按设计戗堤体积为准，另外还得考虑各项损失。平堵截流的设计戗堤体积计算比较复杂，需按戗堤不同阶段的轮廓计算。立堵截流戗堤断面为梯形，设计戗堤体积计算比较简单。戗堤顶宽视截流施工需要而定，通常取10～18m者较多，可保证2～3辆汽车同时卸料。备料量的多少取决于对流失量的估计。实际工程的备料量与设计用量之比多为1.3～1.5，个别工程达2.0。

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，以保持基坑处于基本干燥状态，以利于基坑开挖、地基处理及建筑物的正常施工。

基坑排水工作如根据排水时间及性质分，一般可分为基坑开挖前的初期排水和基坑开挖及建筑物施工过程中的经常性排水。如根据排水方法分，有明式排水和人工降低地下水位。

（一）明式排水

1.排水量的确定

（1）初期排水量确定。对于初期排水，因为渗流量等的不确定性，初期排水流量很难准确计算，一般依靠经验估算。基坑积水体积可按基坑积水面积和积水水深计算，这是比较容易的。

初期排水时间的确定比较复杂，初期排水时间主要受基坑水位下降速度的限制，基坑水位的允许下降速度视围堰种类、地基特性和基坑内水深而定。水位下降太快，则围堰或基坑边坡中动水压力变化过大，容易引起坍坡。水位下降太慢，则影响基坑开挖时间。一般认为，土围堰的基坑水位下降速度应限制在0.5～0.7m/d，木笼及板桩围堰等应小于1.0～1.5m/d。初期排水时间，大型基坑一般可采用5～7d，中型基坑一般不超过3～5d。

在初期排水过程中，可以通过试抽法进行校核和调整，便于水泵选择，并为经常性排水计算积累一些必要资料。试抽时如果水位下降很快，则显然是所选择的排水设备容量过大，此时应关闭一部分排水设备，使水位下降速度符合设计规定。试抽时若水位不变，则显然是设备容量过小或有较大渗漏通道存在。此时，应增加排水设备容量或找出渗漏通道予以堵塞，然后再进行抽水。还有一种情况是水位降至一定深度后就不再下降，这说明此时排水流量与渗流量相等，据此可估算出需增加的设备容量。

（2）经常性排水的排水量确定。经常性排水的排水量，主要包括围堰和基坑的降雨、地基岩石冲洗及混凝土养护用废水、渗水等。设计中一般考虑两种不同的组合，从中选其大者，以选择排水设备。一种组合是渗水加降雨，另一种组合是渗水加施工废水。降雨和施工废水不必组合在一起，这是因为二者不会同时出现。

基坑内的降雨量可根据计算降雨强度和基坑集雨面积求得；施工废水主要考虑混凝土养护用水，其用水量估算，应根据气温条件和混凝土养护的要求而定。一般初估时可按每立方米混凝土每次用水5L，每天养护8次计算。

对于基坑渗水，应包括围堰渗透量和基础渗透量两大部分，具体计算可参考相关书籍。

2.基坑排水布置

排水系统的布置通常应考虑两种不同情况。一种是基坑开挖过程中的排水系统布置，另一种是基坑开挖完成后修建建筑物时的排水系统布置。布置时，应尽量同时兼顾这两种情况，并且使排水系统尽可能不影响施工。

基坑开挖过程中的排水系统布置，应以不妨碍开挖和运输工作为原则。一般常将排水干沟布置在基坑中部，以利两侧出土，如图1-34所示。随基坑开挖工作的进展，逐渐加深排水干沟和支沟。通常保持干沟深度为1～1.5m，支沟深度为0.3～0.5m。集水井多布置在建筑物轮廓线外侧，井底应低于干沟沟底。但是，由于基坑坑底高程不一，有的工程就采用层层设截流沟、分级抽水的办法，即在不同高程上分别布置截水沟、集水井和水泵站，进行分级抽水。

建筑物施工时的排水系统，通常都布置在基坑四周，如图1-35所示。排水沟应布置在建筑物轮廓线外侧，且距离基坑边坡坡脚不少于0.3～0.5m。排水沟的断面尺寸和底坡大小，取决于排水量的大小。一般排水沟底宽不小于0.3m，沟深不大于1.0m，底坡坡度不小于0.002。在密实土层中，排水沟可以不用支撑，但在松土层中，则需用木板或麻袋装石来加固。

水经排水沟流入集水井后，利用在井边设置的水泵站，将水从集水井中抽出。集水井布置在建筑物轮廓线以外较低的地方。井的容积至少要能保证水泵停止抽水10～15min，井水不致漫溢。集水井井底高程应低于排水沟底1.0～2.0m。在土中挖井，其底面应铺设反滤料，在密实土中，井壁用框架支撑在松软土中，利用板桩加固。如板桩接缝漏水，还需在井壁外设置反滤层。集水井不仅可用来集聚排水沟的水量，而且还应有澄清水的作用，因为水泵的使用年限与水中含沙量的多少有关。为了保护水泵，集水井应偏大一些。

为防止降雨时地面径流进入基坑而增加抽水量，通常在基坑外缘边坡上挖截水沟，以拦截地面水。基坑外地面排水系统最好与道路排水系统相结合，以便自流排水。

明式排水系统最适用于岩基开挖。对砂砾石或粗砂覆盖层，当渗透系数较大时，且围堰内外水位差不大时也可用。

（二）人工降低地下水位

在经常性排水过程中，为了保持基坑开挖工作始终在干地进行，常常要多次降低排水沟和集水井的高程，变换水泵站的位置，影响开挖工作的正常进行。此外，在开挖细砂土、砂壤土等地基时，随着基坑底面的高程的下降，坑底与地下水位的高差愈来愈大，在地下水渗透压力作用下，容易产生边坡脱滑、坑底隆起等事故，甚至危及临近建筑物的安全，给开挖工作带来不良影响。

采用人工降低地下水位，可以改变基坑内的施工条件，防止流沙现象的发生，基坑边坡可以陡些，从而可以大大减少挖方量。人工降低地下水位的基本做法是：在基坑周围钻设若干个井，地下水渗入井中后，随即被抽走，使地下水位线降到开挖的基坑底面以下，一般应使地下水位降到基坑底部以下0.5～1.0m。

人工降低地下水位的方法，按照排水工作原理可分为管井法和井点法两种。管井法是单纯重力作用排水，适用于渗透系数Ks=10～250m/d的土层；井点法还附有真空或电渗排水的作用，适用于Ks=0.1～50m/d的土层。

1.管井法降低地下水位

管井法降低地下水位时，在基坑周围布置一系列管井，管井中放入水泵的吸水管，地下水在重力作用下流入井中，被水泵抽走，如图1-36所示。管井法降低地下水位时，须先设置管井，管井通常由下沉钢井管而成，在缺乏钢管时也可用木管或预制混凝土管代替。

井管的下部安装滤头，有时在井管外还需设置反滤层，地下水从滤水管进入井内，水中的泥沙则沉淀在沉淀管中。

井管埋设可采用射水法、振动射水法及钻孔法下沉。射水法下沉时，先用高压水冲洗下沉套管，较深时可配合振动或锤击（振动水冲法），然后在套管中插入井管，最后在套管与井管的间隙中间填反滤层并逐步起拔套管，反滤层每填高一次便拔一次套管，逐层上拔，直至完成，套管拔出后，井管周围被反滤层包围，地层中的积水可通过反滤层渗入管井内，而泥沙被反滤层截流。管井中的积水可通过水泵等抽水设备排出。

有时，当要求降低地下水位较深时，可使用扬程较大的深井泵抽水，考虑到抽水设备的能力，也可以分层设置管井，分层进行排水。

2.井点法降低地下水位

井点法和管井法不同，它把井管和水泵的吸水管合二为一，简化了井的构造。

井点法降低地下水位的设备，根据其降深能力分轻型井点（浅井点）和深井点等。其中，最常用的是轻型井点，它是由井管、集水总管、普通离心式水泵、真空泵和集水箱等设备所组成的一个排水系统，如图1-37、图1-38所示。

轻型井点系统工作时，地下水从井管下端的滤水管借真空泵和水泵的抽吸作用流入管内，沿井管上升汇入集水总管，流入集水箱，由水泵排出。轻型井点系统刚启动时，先开动真空泵，排除系统内的空气，待集水井内的水面上升到一定高度后，再启动水泵排水。水泵开始抽水后，为了保持系统内的真空度，仍需真空泵配合水泵工作。这种井点系统也称为真空井点。

井点系统排水时，地下水位的下降深度，取决于集水箱内的真空度与管路的漏气和水力损失。一般集水箱内真空度为80kPa，相应的吸水高度为5～8m，扣去各种损失后，地下水位的下降深度为4～5m。

当要求地下水位降低的深度超过4～5m时，可以像管井一样分层布置井点，每层控制范围3～4m，但以不超过3层为宜。是否分层，应考虑到基坑内管路纵横影响施工的问题，还应提防上层井点发生故障时，下层水泵能力有限，地下水位回升，基坑被淹没的风险。

井管的安设，一般用射水法下沉。排水工作完成后，可将井管拔出。

深井点与轻型井点不同，它的每一根井管上都装有扬水器（水力扬水器或压气扬水器），因此它不受吸水高度的限制，有较大的降深能力。

深井点有喷射井点和压气扬水井点两种，喷射井点由集水池、高压水泵、输水干管和喷射井管等组成。通常一台高压水泵能为30～35个井点服务，其最适宜的降水位范围为5～18m。喷射井点的排水效率不高，一般用于渗透系数为3～50m/d、渗流量不大的场合。

压气扬水井点是用压气扬水器进行排水。排水时压缩空气通过输气管，再由喷气装置进入扬水管，于是管内容重较轻的水气混合液在管外水压力的作用下，沿扬水管上升到地面排走。为达到一定的扬水高度，就必须将扬水管沉入井中并有足够的潜没深度，使扬水管内外有足够的压力差。