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巴基斯坦Taunsa堰修复扩建工程导截流设计
1水文及地形、地质特征
1.1水文气象特征
Taunsa堰位于巴基斯坦旁遮普省境内印度河上，北纬30°31'，东经70°
5T处。
该地区年平均降雨量在200~300mm之间，大部分降雨集中在6~9月份。
夏季白天最高气温为45C，冬季夜间最低气温接近零度，总体上，夏季炎热干旱，冬季气候温和。
印度河在Taunsa堰址的流量，5~9月份在100000~700000cusecs（2832~19820m3/9之间变化，10~4月份在20000~80000cusecs（566~2266m3/s）之间变化。
过堰最大流量为760784cusecs（21546m3/s），发生在Taunsa堰修成当年，1958年7月21日。
Taunsa堰的设计洪水流量为1000000cusecs28320m3/s）。
根据1958年以来的堰址处水文观测资料，洪水频率分析结果如下表1所示：
表1洪水频率分析结果
重现期
（年）
洪水流量
（cusecs）
（m/s）
2.33
462,700
13100
5
547,200
15500
10
616,000
17400
25
703,000
20000
50
767,400
21700
100
831,500
23600
200
895,300
25400
1.2地形地质条件
Taunsa堰位于冲积平原区，地面高程基本在440ft左右。
印度河右岸部分区域位于Suleiman山脉延伸出来的扇形冲积平原，左岸北部为沙丘地带。
河床和洪积平原土壤为含钙土，含有不同程度的石灰成分（3~16%）。
河床土
壤的PH值在7.9~8.4之间变化，而山麓土壤在7.2~8.1之间变化。
根据业主在Taunsa堰下1000~1500ft处钻孔勘探结果，河床和两岸地面以下到15m深处基本为中细沙，粘粒含量在5%以下，15m以下的地质情况未知。
根据业主的试验结果，沙的粒径基本在0.4mm以下。
2施工导流特点
（1）河槽宽阔，达1300多米，洪峰流量大，历史最大洪峰流量达21546m3/s,适于分期导流；
（2）已有的Taunsa堰可作为现成的上游围堰，省去了上游围堰的工作量，但是导流时需要考虑上游水位不能超过Taunsa堰的设计水位；
（3）河床覆盖层深且基本为0.2mm以下细砂，布置混凝土围堰较困难。
3导流规划
3.1导截流标准
（1）导流流量确定
按照我国规范，本导流工程为IV级建筑物，考虑土石围堰，则应选取5~10年一遇洪水，考虑混凝土围堰则为3~5年一遇洪水。
由于本工程拟采用已有的
Taunsa堰作为上游围堰，其过流能力成为限制导流流量的一个因素。
因此先对老堰过流能力进行计算，进而确定导流流量。
计算时，先假定一期纵向围堰布置在河床中部，按宽顶堰流公式（4-1）对一期导流进行计算：
in3
Q=m、.2g'FBjHi2（4-1）
i=1
式中：
Q—老堰过流量；
；—平均侧收缩系数，经过计算为0.97;
m—流量系数，取0.35;
（T-淹没系数，根据堰顶下游水深hs和堰顶上游水头Hi的比值hs/Hi确定。
当hs/Hi<0.8时，为自由堰流，尸1;当hs/Hi>0.8时，広查表确定；
Bi—第i孔净宽，Taunsa堰除第8孔为22ft（6.71m）外，其它各孔均为60ft（18.29m）;
Hi—第i孔堰顶水头，包括流速水头。
由于左岸1~8孔堰底高程为425ft，中间53孔为428ft，需要进行试算，假定堰前水位计算下泄流量，当计算流量等于设计流量时停止试算。
经过计算，结果如下表2所示：
表2左半河槽导流期间Taunsa堰过水能力计算
洪水标准
洪水流量（m3/s）
堰前水位（ft）
10年一遇
17500
450.84
5年一遇
P15500
449.02
2.33年一遇
13100
446.87
11000
444.73
P10000
443.66
9000
442.56
8000
441.41
7000
440.21
6000
438.96
由于Taunsa堰的堰前设计最大蓄水位为446ft,紧急（校核）洪水位为447ft,由上表可见5年一遇的洪水将超过老堰设计标准，因此若采用二期导流，则导流
标准不能高于5年一遇，要采用5年以上导流标准则需采用三期或三期以上导流方式。
鉴于本工程的地形地质条件，并考虑方便施工，采用三期导流方式。
考虑到纵向围堰下游河槽两岸均向左侧突出，一期施工先围右岸，二、三期围左岸。
根据进度安排，一期纵向围堰的布置偏向右岸，其外侧距离右岸边530m,相应二
期纵向围堰外侧距离右岸边450m,在二期基坑内形成三期纵向围堰，布置在距离右岸1000m处。
根据子堰布置并考虑施工要求和下游围堰宽度，一、二期纵向围堰长度为400m,三期纵向围堰长520m。
横向围堰的布置考虑子堰下游导流堤的施工，从纵向围堰末端斜向下至导流堤下游侧。
根据业主澄清，洪水期须拆除下游围堰以满足行洪要求，则一、二期围堰在
洪水来临前必须拆除，其导流标准无需太高。
因缺乏相应枯水期洪水频率分析，根据2001〜2003年水文资料，选择6000m3/s为一、二期导流流量。
三期导流流量选择10年一遇洪水17400m3/s。
（2）截流流量确定
每年10月份至次年4月份为枯水期，由于缺乏相应的枯水期洪水频率分析，不便套用国内规范确定截流标准。
根据业主提供的2001~2003年水文资料，3年中11月~次年2月最大流量为
41192cusecs（1167m3/s），考虑一定的余度，建议截流流量采用1500m3/s。
3.2导流时段
假设2005年6月开工，则一期导流时段为2005年11月到2006年6月，利用左河槽（宽795m）导流，在右基坑内完成子堰、右岸导流堤施工和Taunsa堰下混凝土底板修复，同时形成二期纵向围堰并拆除一期围堰；二期导流时段为2006年9月到2007年6月，利用右河槽（宽450m）及已建好的子堰过流，在左基坑内完成部分子堰和老堰下混凝土底板修复，同时形成三期纵向围堰，并拆
除二期纵向围堰和部分横向围堰（至三期纵向围堰处止）；三期导流时段为2007年8月至2008年6月，利用拓宽的右半河槽（宽1000m）过流，完成剩余工作。
根据业主澄清，每年D.GKhan渠最多停水5周，因此需要用2〜3个停水期来进行渠首节制闸堰底高程的抬高和冲沙洞的施工，相应渠首小围堰需要填筑和拆除
2〜3次。
4导截流设计
4.1导流水力计算原理
（1）左河槽过流能力计算原理
在一期导流期间，河水经过Taunsa堰左岸闸孔泄入左侧束窄河床，然后通过下游围堰扩散段流向下游。
由于河道断面和底坡沿程变化较大，采用水深计算不便，因而根据能量方程（4-2）推算水面线，从下到上依次对下游围堰末端断面3、纵向围堰末端断面2和Taunsa堰下20m处断面1进行过流能力计算。
而
Taunsa堰过流水力计算则按宽顶堰流公式（4—1）计算
式中：
乙、Z2—上、下游水位;
=1、〉2—上、下游断面能量修正系数，均取为1.05;
V、V2—上、下游断面平均流速;hf—沿程水头损失，按式（4—3）计算;hj—局部水头损失，按式（4—4）计算;
n1、n2—上、下游断面糙率；
Ri、R2—上、下游断面水力半径;
S—上、下游断面间距；
-局部水头损失系数。
（2）右河槽过流能力计算原理
在二、三期导流期间，河水经过Taunsa堰右岸闸孔泄入右侧束窄河床，通过一期建好的子堰，最后通过下游围堰扩散段流向下游。
与一期导流不同之处是，新建的子堰将过流，因此Tanusa堰和子堰过流按照宽顶堰流公式（4—1）计算，而其它各段的水力计算则根据能量方程（4—2）推算水面线，从下到上依次对下游围堰末端断面5、纵向围堰末端断面4、子堰下20m处断面3、子堰前10m断面2和Taunsa堰下20m处断面1进行水力计算。
4.2导截流水力计算
（1）导截流水力计算
应用前述导流计算原理，假定不同流量分别进行各期导流水力计算。
进行计算时，根据选定流量，由2003年观测的下游水位流量关系得到Taunsa堰下水位（河床未束窄时），应用能量方程（4-2）通过试算求得下游围堰末端水位，然后利用求得的下游围堰末端水位，对束窄河床从下游向上游分段计算，每段均需进行试算。
导流水力计算结果如表3~表5所示。
表3一期导流左河槽（795m）过流能力计算
洪水流量
（m3/s）
老堰前水位
（ft）
老堰前流
速（m/s）
老堰下20m水位
（ft）
老堰下20m流
速（m/s）
纵向围堰末端水位（ft）
纵向围堰末端流速（m/s）
下游围堰末
端水位（ft）
下游围堰末端
流速（m/s）
10000
441.72
1.20
432.29
2.55
430.15
3.15
429.79
1.57
8000
439.76
1.06
431.07
2.21
429.56
2.65
429.29
1.31
6000
437.52
:
0.891
429.44
1.85
428.35
2.20
428.12
1.11
4000
435.21
0.70
427.82
1.41
427.20
1.62
427.05
0.84
1500
431.45
0.36
424.46
0.74
424.27
0.82
424.21
0.42
表4二期导流右河槽（450m）过流能力计算
洪水流量
（m3/s）
老堰前水位
（ft）
老堰前流速
（m/s）
老堰下水位
（ft）
老堰下流速
（m/s）
子堰前水位
（ft）
子堰前流速
（m/s）
子堰后水位
（ft）
子堰后流速
（m/s）
10000
448.60
0.90
442.23
2.78
441.85
2.93
431.38
3.12
8000
445.68
0.80
439.83
2.45
439.51
2.59
430.34
2.61
6000
442.50
0.69
437.19
2.06
436.93
2.19
428.85
2.10
4000
438.94
0.55
434.18
1.60
434.00
1.72
427.46
1.50
1500
433.40
0.30
429.40
0.82
429.33
0.89
424.33
0.67
洪水流量
（m3/s）
纵向围堰末端水位（ft）
纵向围堰末
端流速（m/s）
下游围堰末
端水位（ft）
下游围堰末
端流速（m/s）
10000
429.49
4.17
429.79
1.57
8000
429.11
3.41
429.29
1.31
6000
428.05
2.73
428.12
1.11
4000
427.04
1.94
427.05
0.84
1500
424.22
0.89
424.21
0.42
表5三期导流右河槽（1000m）过流能力计算
洪水重现期
洪水流量
（m3/s）
老堰前水位
（ft）
老堰前流速
（m/s）
老堰下水位
（ft）
老堰下流速
（m/s）
子堰前水位
（ft）
子堰前流速
（m/s）
子堰后水位
（ft）
子堰后流速
（m/s）
25
20000
446.93
1.91
441.05
2.62
440.71
2.77
432.58
2.67
10
17400
445.26
1.78
439.61
2.42
439.30
2.56
432.18
2.36
5
15500
443.98
1.67
438.51
2.26
438.22
2.40
431.67
2.15
10000
439.93
1.31
434.98
1.73
434.77
1.85
430.28
1.47
洪水重现期
洪水流量
（m3/s）
纵向围堰末
端水位（ft）
纵向围堰末
端流速（m/s）
下游围堰末
端水位（ft）
下游围堰末
端流速（m/s）
25
20000
431.53
3.36
431.08
2.80
10:
17400
431.38
2.95
431.04
2.44
5
15500
431.01
2.68
430.70
2.24
10000
429.97
1.83
429.79
1.57
（2）截流抛投物粒径和方量计算
假设2005年11月进行一期截流，从子堰下游右岸导流堤下游侧开始，斜向
上推进到河床中央纵向围堰末端，再沿河床向上直到Taunsa堰下。
根据截流各
2g（s-）k
阶段的流速，按伊兹巴什公式（4-5）计算抛投物粒径:
（4-5）
式中：
d—石块化引为球体的当量直径，m；
s、—分别为块石容重和水容重，t/m3;
v—计算流速，m/s；
K—稳定系数，0.86~1.20;
截流戗堤方量按下式（4—6）计算：
V"门（4—6）
12
（gm2）P2aP（4—7）
式中：
V—戗堤体积，m3;
—戗堤长度m；
11—戗堤断面积，m2;
m1、m2—戗堤上下游边坡，一般取m〔+m2=2.5~3.25;
P—戗堤高度，m；
a—戗堤顶宽，m。
材料流失量按30%计算。
通过计算，各阶段所需抛投物粒径和方量如表6所示:
表6一期截流计算成果
区段
流速（m/s）
抛投物粒径（m）
戗堤方量（m3）
备料（m3）
下游围堰起
占〜中占
八、、1八、、
0.42~0.62
0.02
9000
12000
下游围堰中
点〜终点
0.62~0.82
0.03
6300
8000
纵向围堰
0.74~0.82
0.03
13700
18000
由于二期纵向围堰在一期施工中形成，二期截流基本在静水中进行，无需进行水力计算，直接利用围堰材料截流即可。
三期导流无需截流。
5围堰设计
根据业主提供的地勘资料，河床覆盖层很深（15m深处不见基岩），且主要
为0.2mm以下细沙，不太适合做混凝土围堰。
故纵向围堰和横向围堰初步选择
土石围堰，根据现场实际情况，也可能采用高强聚丙烯充填袋围堰。
5.1纵向围堰设计
（1）断面设计
围堰顶宽根据单向交通要求取4m,堰顶高程根据相应导流流量下水力计算结果，在水面以上再取0.7~1.0m的超高。
则一期纵向围堰在Taunsa堰下堰顶高程为432ft，纵向围堰下游端堰顶高程为431ft；二期纵向围堰在Taunsa堰下堰顶高程为440ft，在子堰前堰顶高程为439.5ft，子堰后堰顶高程为431.5ft，纵向围堰下游端堰顶高程为430.5ft;三期纵向围堰在Taunsa堰下堰顶高程为442ft，在子堰前堰顶高程为442ft，子堰后堰顶高程为434.5ft，纵向围堰下游端堰顶高程为433.5ft；各点间堰顶高程为线性变化。
边坡坡度与填筑材料种类有关，应通过稳定计算确定。
目前缺乏相关资料，
初步根据《水工设计手册》选取保守值，两侧边坡均取为125。
根据现场实际
情况可以调整。
（2）护坡水力计算
纵向围堰采用土石围堰，需要对过流面进行保护，以免冲刷破坏。
护坡块石尺寸根据水流流速采用司特芬逊公式（4-8）计算。
2g（s-）2cos^tg2-tg2^
（4-8）
式中：
二一坡面与水平面交角;
'—块石在水下的休止角;
其余符号含义与式（4-5）相同
通过计算，一期和二期导流护坡水力计算结果如表7所示:
表7导流流量下纵向围堰护坡水力计算结果
断面
Taunsa堰下
子堰前
子堰后
纵向围堰末端
一期
导流
流速m/s
1.85
2.20
块石尺寸m
0.15
0.20
二期
导流
流速m/s
2.06
2.19
2.10
2.73
块石尺寸m
0.20
0.20
0.20
0.30
三期
导流
流速m/s
2.42
2.56
2.36
2.95
块石尺寸m
0.25
0.30
0.25
0.35
因此，在一、二、三期纵向围堰临水面加块石护坡，护坡厚度在堰顶取为0.4~0.8m,在堰脚处为1.5m,向河床伸出10m左右。
块石尺寸可略大于表8计算结果。
如果块石料源很远，也可考虑用高强度编制袋装砂护坡，用铅丝笼加钢筋固定。
5.2横向围堰设计
围堰顶宽根据双向交通要求取14m。
堰顶高程根据导流流量下水力计算结果，在水面以上再取0.5m〜0.7m的超高，则一、二、三期横向围堰堰顶高程分别为430.5ft、430.5ft、433.5ft。
上下游边坡坡度初步根据《水工设计手册》选取保守值，临水面取为1:
2.5，背水面取为1:
2，根据现场实际情况可以调整。
临水面采用抛石护坡，护坡厚度在堰顶取为0.4~0.8m，在堰脚处为1.0m。
5.3防渗处理
对于一期围堰和二期横向围堰，在枯水期将围堰填筑到水面以上后，形成施工平台，从围堰中部对该高程以下堰体和覆盖层进行高压喷射灌浆处理，在该高
程以上，利用土工膜形成锯齿形防渗心墙，土工膜与防渗墙应有足够的搭接长度，且紧密贴合。
对于二期、三期纵向围堰，因在干地施工，基础以下采用高压喷射灌浆处理，堰体采用锯齿形土工膜防渗心墙防渗。
根据现场实际情况，也可采用粘土（或土工膜）斜墙加铺盖防渗，或者采用粘土（或土工膜）斜墙加截水槽防渗，或者垂直铺塑防渗。
6基坑排水计算
本工程基坑排水分初期排水和经常性排水，下面分别对各基坑排水进行计
6.1一期基坑排水
（1）一期基坑初期排水
一期基坑初期排水为720000m3，为了避免边坡失稳产生坍塌事故，基坑水位下降控制在0.7m/d，则需要4天排干基坑，按14天排干基坑设计，排水强度为2200m3/h。
（2）—期基坑经常性排水
经常性排水由基坑渗水、降雨汇水和施工弃水等组成。
由于本工程地区年降雨量很小而蒸发量大，施工弃水很少，不对二者进行单独计算，下面只对基坑渗
水进行计算。
根据业主标前澄清，覆盖层砂的渗透系数按0.0003ft/s（0.00009m/s）计算，而围堰心墙采用防渗土工膜，围堰本身渗水很小，因此只对围堰地基渗流进行计算。
按悬挂帷幕地基渗流公式（6-1）进行计算：
（6—1）
（比-H2）（T-1）
lTt
式中：
q—单宽渗流量；
k—地基渗流系数；
H1、H2—基坑外、内水深；
T、t—覆盖层和帷幕深度，分别按20m、8m计算；
l—围堰底宽。
基坑渗水按上游、侧面和下游三个方向进行计算。
由业主提供的水文资料，枯水期（10月到次年4月）堰下水位基本在422ft~424ft间变化，平均可按423ft计算，老堰上游水位按429ft计算；洪水期（5~9月）堰下水位基本在425ft~429ft间变化，平均按427ft计算，老堰前水位按439ft计算。
一期基坑排水计算结果如表8所示。
表8一期基坑排水计算结果
项目
时段
排水量（m3）
最大排水强度（m3/h）
初期排水
2005年11月
720000
2200
经常性排
水
上游侧
2005.12~2006.6
580000
120
纵向围堰侧
400000
80
下游侧
410000
85
合计
1390000
285
一期基坑总排水量
2110000
一期基坑总排水量为2110000m3
6.2二期基坑排水
（1）二期基坑初期排水
二期基坑初期排水为，基坑水位下降控制在0.7m/d，需要4天排干基坑，按14天排干基坑设计，排水强度为3600m3/s。
（2）二期基坑经常性排水
与一期基坑排水计算类似，按式（6-1）计算。
二期基坑排水计算结果如表9所示。
表9二期基坑排水计算结果
项目
时段
排水量（m3）
排水强度（m3/h）
初期排水
2006年10月
1200000
3600
经常性排
水
上游侧
2006.10~2007.6
1160000
180
纵向围堰侧
480000
80
下游侧
850000
140
合计
2490000
300
二期基坑总排水量
3690000
二期基坑总排水量为3690000m3
6.3三期基坑排水
三期基坑排水计算结果如表10所示
表10三期基坑排水计算结果
项目
时段
排水量（m3）
排水强度（m3/h）
经常性排
水
上游侧
2007.7~2008.6
640000
80
纵向围堰侧
910000
105
下游侧
670000
140
合计
2220000
325
纵上所述，基坑总排水量为8020000m3
7导截流施工
7.1一期截流施工
（1）截流方式
因Taunsa堰可充当现成的上游围堰，只需对下游围堰和纵向围堰进行合龙即可。
假定2005年11月一期截流，采用一头立堵进占方式，从下游围堰末端开始斜向上直到纵向围堰下游端，然后沿河床向上直到Taunsa堰下，各阶段河水流速和所需备料如前述。
（2）截流施工
通过前期准备工作，在下游围堰右端头备好截流物料，2005年11月上旬开始截流。
计划7天内合龙，全天施工，戗堤单头抛投强度为230m3/h,选用15T自卸车，则单头抛投车次为30车/小时。
7.2二期截流施工
二期截流可以做到基本在静水中施工，直接利用围堰材料进行合龙。
因一期施工时已经做好纵向围堰，只需从左岸开始斜向上推进到纵向围堰末端即可。
7.3围堰填筑施工
戗堤形成以后，立即进行水面以下围堰填筑，采用进占法施工。
当围堰全断面露出水面以后，立即在围堰中央设计部位开始进行防渗处理，采用高压旋喷（或摆喷）形成防渗帷幕，深入覆盖层6~10m。
然后利用土工膜作为心墙（锯齿状），分层进行围堰填筑，采用推土机摊铺，15T光面振动碾进行碾压。
围堰施工的同时进行临水面的护坡施工（浆砌块石或铅丝笼装沙袋钢筋固定）。
围堰材料从工程师指定地点开采，反铲开挖装车，用15T自卸车运至现场。
防渗帷幕形成以后，立即进行基坑排水，再利用基坑开挖料加宽加高围堰至
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