大江截流设计及其实施分析

王世华　蒋乃明　高黛安

摘要 三峡工程大江截流是在已建的葛洲坝水库内进行的，水深达60m，截流最大流量11600m³/s，截流工程量大，施工强度高；而且截流段河床地形、地质条件复杂。截流期间不允许断航等，为此在兴建导流明渠提前导流通航的前提下，采用平抛填底，缩小龙口宽度等措施，于1997年11月8日胜利截流成功。

关键词导流明渠平抛填底优化设计信息预报

1、 概述

三峡工程采用三期导流，明渠通航，碾压混凝土围堰挡水发电施工方案。第一期围右岸，在一期土石围堰保护下开挖导流明渠，修建混凝土纵向围堰，同时在左岸修建临时船闸，并开始施工永久船闸及升船机挡水部位的土建工作；长江水流仍从主河流床渲泄，照常通航。第二期围左岸，截断主河床，修建二期上下游土石围堰与混凝土纵向围堰形成二期基坑，施工大坝泄洪坝段、左岸厂房坝段及电站厂房；继续施工升船机挡水部位(上闸首)，并完建永久船闸；江水从明渠渲泄，船舶从明渠及左岸临时船闸通行。第三期封堵明渠，修筑土石围堰及碾压混凝土围堰，在三期基坑内施工右岸厂房坝段及电站厂房；利用碾压混凝土围堰和混凝土纵向围堰及其以左大坝挡水，左岸电站发电，江水从泄洪坝段导流底孔及深孔渲泄，船舶从永久船闸通行。设计总工期17年，其中施工准备及一期工程施工5年，二期工程施工6年，三期工程施工6年。三峡工程已于1993年1月开始施工准备，1994年12月14日正式开工，1997年11月8日大江截流，转入二期工程施工，计划2003年第一批机组发电，2009年建成。

2、大江截流的特点及难点

2.1截流水深最大

三峡工程坝址在下游已建葛洲坝水利枢纽水库内，截流最大水深达60m，居世界首位(美国达列斯工程截流水深53m，巴西、巴拉圭伊泰普工程截流水深40m)，三峡截流设计最大落差0.80～1.24m，龙口最大平均流速3.33～4.16m/s，采用大量石碴和少量块石用堤头端进法在水中填筑截流戗堤，深水条件下在流水中抛填散粒料，容易发生堤头坍塌从而危及施工安全。

2.2截流流量大

二期上、下游围堰土石填筑量1060万m²，混凝土防渗墙近9万m²，必须在一个枯水期完工，确保1998年安全渡汛和基坑按期抽水。据此，截流合龙不可能选在最枯时段，技术设计拟定大江截流时段在11月中、上旬，相应截流设计流量为14000～19400m³/s，超过国内外水利工程实际最大截流流量(阿根廷、乌拉圭雅西塔工程8400m³/s，巴西巴拉圭泰普8100m³/s，我国葛洲坝工程4400～4800m³/s)。

2.3截流期间不允许断航

截流施工与长江航运密切相关，截流施工期，临时船闸尚未投入运用，截流非龙口段，导流明渠未分流或分流但未正式通航，船舶仍从主河道束窄口门通行，故戗堤进占需满足通航条件。截流合龙后从明渠通航，也要满足通航要求，不允许造成长江航运中断。

2.4截流河床地形、地质条件复杂

三峡花岗岩质河床上部为全、强风化层，其上覆盖有砂卵石、残积块球体、淤砂层，葛洲坝水库新淤砂在深槽处厚5～10m，深槽左侧呈陡峭岩壁，地质地形条件对戗堤进占安全十分不利。

2.5截流工程规模大、工期紧、施工强度高

鉴于二期工程量巨大、工期紧，实施中要求下游围堰背水坡石渣堤同时尾随进占。两堤相应的围堰堰体也距堤头30～50m全断面进占，以尽早形成围堰防渗墙施工平台，从而将呈现8～10个工作面高强度施工。设计上游围堰最高填筑强度将达8万m³/d。

3、大江截流设计及实施过程

3.1大江截流设计方案概述

大江截流合龙时段选在11月中旬，截流设计流量14000～19400m³/s。

导流明渠是大江截流期的唯一分流建筑物，也是二期工程施工期的唯一泄水建筑物，同时还担负着施工期通航的重任。导流明渠位于长江右岸，沿中堡岛的后河布置，进口始于茅坪镇外侧的长江漫滩，出口位于高家溪口长江漫滩。明渠右岸边线全长3950m，其中上游引航道长1050m，明渠段长1700m，下游引航道长1200m。明渠左侧为纵向混凝土围堰，全长1191.5m。明渠断面形式的确定主要考虑明渠水流条件需满足通航要求。通过1：100水工模型试验比较了平底单一断面及左高右低或左低右高的复式断面，试验结果表明，采用左低右高的复式断面可调整明渠内流速分布，降低右侧航道内的流速，以利船队从明渠右侧航行。因此，明渠过水横断面采用复式断面，渠底最小宽度350m，右侧高渠底宽100m，底高程58m；左侧低渠宽250m渠底高程45～50m，高低渠间用1：1坡比连接。明渠设计过水断面主要是满足二期导流期施工通航标准流量时的通航水流条件为前提。因此，明渠泄流能力较大，为大江截流创造了较好的分流条件。根据设计计算成果，并通过1：80水工模型试验验证，在截流设计流量14000～19400m³/s进行大江截流龙口合龙，其截流最大落差0.8～1.24m，说明导流明渠分流能力较大。

大江截流设计采用上游围堰单戗堤立堵截流方案，截流戗堤为围堰堰体组成部分，设在堰体背水侧，戗堤轴线长度797.4m，左岸非龙口段长284.2m，右岸非龙口段长383.2m，龙口段长130m。 戗堤设计断面为梯形，上游边坡1：1.3，下游边坡1：1.5，堤顶高程按不同进占时段20年一遇最大日平均流量相应的水位确定，由两岸非龙口段79m高程至龙口段69m高程，堤顶宽度两岸非龙口段为25m，龙口段为30m，可满足4—5辆45—77t自卸汽车在堤头端部同时抛投进占。 朗堤设计计算抛投量中计入非龙口段流失10％，龙口段流失20％。 谈堤段总抛投量为165.13万m²。设计采用在龙口河床深槽平抛垫底抬高河底，以减小龙口水深，有利于防止合龙过程中 城堤堤头端部坍塌，并减少合龙抛投工程量，降低龙口合龙进占抛投强度。平抛垫底范围为顺水流向宽度140m，河床高程40m以下的深槽部位，沿戗堤轴线长180m。平抛垫底工程量73.99万m³，其中砂砾石料26.42万m³，中石14.39万m³，石渣33.19万m³，安排在1996年11月～1997年5月施工，采用280～500m³底开驳船抛投。龙口段宽130m，龙口段设计合龙抛投量20.84万m³，其中特大块石2.00万m³，大块石3.5万m³，中石4.26万m³，石渣11.08万m³，龙口进占分为龙口宽度由130m进占到40m，由40m进占至合龙。大江截流设计流量14000～19400m³/s，最终落差0.80～1.24m，龙口平均流速3.3～4.2m/s。龙口堤头进占方式是采用特大块石及中石从上游进占形成挑角。用中石及石渣料尾随进占。

3.2大江截流实施过程

1997年10月14日至15日在两岸非龙口段进行了大江截流实战演习，24小时抛投量19.4万m³，超过巴西伊泰普水电站截流创造的日抛投14.65万m³的世界记录，截流 城堤两岸堤头向江中推过54.7m，口门宽度束窄为189.5m。演习投入自卸汽车264台，挖掘机30台，装载机24台，推土机31台，船舶22艘。10月23日两岸非龙口段进占至龙口桩号形成130m宽的龙口。大江截流龙口合龙分两个阶段实施，第一区段，口门宽度130～40m。10月26日8时开始进占施工。此时坝址流量10600m³/s。12时，龙口缩窄至100m宽后，截流进入困难区段，龙口实施流速3.88m/s，落差0.44m，抛投石碴料流失较多，堤头进占速度减慢，从堤头上游角抛投特大块石(粒径1.3m～l.6m，重3t～5t)及大块石(粒径0.8m～1.1m，重0.7t～1.7t)形成8m～10m宽的上挑角矶头，将主流挑向龙口中部，减小上挑角下游部位的流速，并抛投中石(粒径0.4m～0.7m，重90kg～470kg)及石碴料尾随进占。20时，龙口宽度束窄至82m，实测最大流量11600m³/s，导流明渠分流量7860m³/s，实测龙口最大流速4.22m/s，落差0.66m。10月27日6时30分，龙口缩窄至40m，两岸 城堤各自进占长度分别为49.3m及40.7m。明渠分流比84.55％。两岸戗堤累计抛投量12.1万m³(其中大石3.4万m³，特大石1.8万m³)，两岸堤头最大小时抛投强度分别为3810m³及3072m³。相应车次为186及130辆次/h。两岸堤头同时抛投最大强度6375m³/h，302辆次/h。形成40m宽龙口后，两岸堤头均采用特大块石抛投成临时裹头。第二区段，口门宽度40～0m。11月8日9时开始两岸堤头同时进占，此时实测流量8480m³/s，导流明渠分流量8040m³/s，分流比94.8％。龙口平均流速2.6m/s，抛投大块石，中石和石渣料，进占较为顺利，15时30分龙口合龙，两岸戗堤进占抛投料4.03万m³，实测落差0.32m，下游围堰 戗堤尾随进占，18时30分合龙。大江截流施工机械配置见下表。

大江截流施工机械数量表
施工机械	自卸汽车	推土机	液压挖掘机	电铲	装载机
总数	351	29	18	14	34
上游戗堤	99	6	11		2
总容量	13207t	8953kw	7.7m3	56m3	205.1m3
单机最大容重	77t	52.5kw	10m3	4m3	10.5m3

3.3三峡大江截流与葛洲坝大江截流比较

三峡大江截流主要难点是截流水深、流量大、抛投强度大。其原因是三峡工程在葛洲坝水库内兴建，三峡坝址水深由于葛洲坝工程蓄水加深25m左右，龙口最大水深达60m。截流后上下游围堰要在1998年汛前抢修至渡汛高程，围堰填筑方量达1100万m³，工程量大，工期短，背水一战，为争取施工时间，大江截流在保证通航的前提下较葛洲坝提前2个月，1997年11月8日龙口合龙，实测截流流量11600。8480m³/s，龙口最大流速4.22m/s，最大落差0.66m，最大抛投强度达12.1万m³/d。葛洲坝截流在1981年1月4日合龙，实测截流流量4800～4400m³/s，龙口最大流速7.5m/s，最大落差3.23m，龙口最大水深16m，最大抛投强度达7.2万m³/d。

4、大江截流实践分析

鉴于大江截流的重要性及其技术复杂性，使其设计及施工关键技术问题成为三峡工程建设中的重大技术问题之一，在中国长江三峡工程开发总公司的精心组织和帮助指导下，在全国水利水电科研单位和高等院校大力支持和密切配合下，长江水利委员会和葛洲坝集团分别针对大江截流设计及施工技术问题进行了大量分析研究及试验工作，为大江截流提供了科学依据，使其技术措施更加完善、可靠，以确保大江截流成功，做到万无一失。

4.1修建巨型导流明渠，为满足长江航运要求和降低截流难度奠定基础

导流明渠是二期工程施工期的唯一泄水建筑物，也是大江截流期的唯一分流建筑物，同时还负担着施工期通航的重任。明渠设计泄洪流量标准为50年一遇洪水流量79000m /s，为目前世界上泄流量最大的导流明渠。通航流量标准为：长江航运公司船队通航流量20000m³/s，最大流速4.4m/s；地方船运公司船舶流量10000m³/s，最大流速2.5m/s。长江流量超过通航流量时，船(队)从左岸临时船闸通行。导流明渠既是一条人工航道，又是一条泄洪通道。导流明渠的布置、尺度及断面型式需按两种用途的设计流量标准进行设计研究，按照通航流量标准拟定的明渠规模和断面型式，在渲泄导流设计洪水时，明渠渠底及边坡防护需满足抗冲要求。对受冲刷将恶化航运水流条件导致渠岸坍塌的重点部位分别采用现浇混凝土，混凝土柔性排、混凝土四面体，块石串，及大块石保护。鉴于导流明渠设计由泄洪和通航水流条件为前提，并为大江截流创造良好的分流条件，根据设计计算成果，并通过1/80水工模型试验验证，在截流设计流量14000～19400m³/s合龙，最终落差0.8～1.24m，说明导流明渠分流能力很大，充分起到降低大江截流难度的作用。

4.2研究深水截流堤头坍塌机理，采取平抛垫底措施，缓解深水截流难度

大江截流最大水深达60m。按截流水力学计算和水工模型试验，由于大江截流的落差和流速不大，当可大量利用开挖石碴和中小块石填筑截流戗堤。长江科学院在1/80截流水工模型试验中，发现回填进占过程中，提头多次发生大规模坍塌现象。堤头坍塌将危及施工人员及机械设备的安全，延误截流工期，使之成为深水截流突出难题，特增建l/40，l/20截流模型对截流域堤坍塌问题进行专题试验研究。综合分析认为，造成深水截流堤头端部坍塌是多种因素共同作用的结果，与水深、流量、流速、落差、渗透压力、抛投料粒径、级配、抛投强度等诸多因素有关，其中龙口水深是主导因素。从模型试验成果可见，截流龙口水深由60m减小到30m，相应堤头平均坍塌面积，最大一次坍塌面积分别减小35％、36％，当水深由60m减小到20m；上述参数分别减少达64％、55％，说明减小龙口水深是缓解截流 朗堤坍塌的有效途径。为减少龙口水深，设计综合二期围堰断面结构，施工材料，水上作业方式，工期等因素，确定在龙口河床深槽段预先平抛石渣、砂砾料及块石，以抬高河底高程，是为平抛垫底。

垫底高程既要达到缓解截流难度的目的，还要兼顾垫底材料渡汛防冲和满足长江通航水流的要求，结合有关模型试验论证，选定为高程40m，由此使龙口水深限于27m左右，可有效地减少堤头坍塌的频次和规模，且尚有减免河床淤沙冲刷的作用和减少龙口抛投料而缩短合龙时间的好处。

为确保平抛垫底材料安全渡汛，对平抛垫底材料渡汛防冲措施进行了专题研究。运用整体模型试验，对汛期可能出现的各级流量(45000，57400，60300，66800，72300m³/s)进行了充分的恒定流、洪水过程冲刷试验研究，并探讨合理的渡汛保护措施。试验结果表明，各种工况冲刷规律基本一致。按20年一遇洪水流量72300m³/s试验成果，平抛垫底的砂砾料产生冲刷呈流线型。设计研究优化平抛垫底结构型式，经试验验证，采用戗堤部位石渣和块石平抛扩垫底至40m高程，其上游侧堰体砂砾料降低至35～37m高程，形成高低坎结构型式，可有效地减少砂砾料冲刷，由1997年汛后实测水下地形所验证。

4.3科学验证、优化设计方案，力争提前实现截流合龙

提前实现截流合龙可为二期围堰施工赢得工期，确保其安全渡汛，如期形成二期工程施工基坑，对三峡工程总体建设部署意义重大。

初步设计计划导流明渠1997年10月分流，11月通航。大江截流时段(龙口合龙时段)，拟定在12月上、中旬。技术设计阶段，考虑明渠工程施工已有较大提前的情况，初步认为应力争明渠提前于5月分流，9月通航，截流时段可提前至11月下旬，截流设计流量14000m³/s(11月下旬5％频率旬平均流量)，随之经对明渠5月份分流后的截流 朗堤非龙口段和明渠通航规模试验及综合论证，上游 城堤可加快进占，在汛前控制口门宽460m，即使龙口已平抛垫底，明渠及束窄口门皆可通航。经中国长江三峡工程开发总公司审查同意，在招标设计中，将截流时段再提前至11月中旬，截流设计流量为14000m³/s～19400m³/s。设计根据120年实测水文资料统计分析，10月26日～31日和11月1日、6日，流量出现小于20000m³/s的年份分别占80％和92.5％，说明截流合龙提前到10月底至11月上旬从水文资料分析是可能的。经对非龙口段进占程序和口门水力学指标的计算和试验验证，自10月中旬起可将口门缩窄至210m，10月下旬可形成龙口宽度130m。实际施工，10月6日明渠通航，截流 域堤束窄到口门宽280m时大江封航，10月23日形成龙口宽130m。据水文预报10月下旬流量在12000m³/s以下，处于合龙有利时机。另外由于明渠汛前分流淤积比较严重，其分流条件不甚理想。自口门宽280m至形成龙口130m，明渠分流量约为长江流量的30％～50％，低于设计计算及模型试验的预测值约15％，综上缘由，大江截流领导小组决定提前于10月26日开始合龙，逼江水人明渠冲刷淤积。10月27日6时束窄至龙口宽40m后停止合龙，分析其后水文测验资料，渠内淤积明显冲刷，其分流比迅速增大，10月底分流比在91.8％，11月5～6日还用专用船舶对淤积部位作高压空气扰动冲沙措施。龙口40m停止合龙，另一考虑是防止10月末至11月初出现长江流量超过明渠通航流量的意外情况造成滞航。最后于11月8日历时6.5小时，一举将龙口胜利合龙，截流合龙时间比初步设计提前一个月。

4.4部署技术保障和技术服务，有力地支持大江截流顺利进展

为合理安排截流施工进度、选择截流时机，及时掌握截流过程中戗堤缩窄口门和明渠的水文要素(水位、流量、流速、流态等)、水下断面形态以及冲淤变化等情况，为截流施工提供科学依据，设计专门提出了截流期水文气象预报和水文观测工作任务和要求。水情预报以长江流域水文站网为基础，在有关部门和气象预报技术支持下，适时作短期(未来3～5天)、中期(6～10天)和长期预报、短期水情预报还作分段次滚动预报，其精度较高；中期预报误差在15％以内；长期预报精度大多可包络实际水情。在坝区河段22km和截流河段2.5km设立数十个水位站和测验断面，关键部位采用世界上新型的声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，并采用全球定位系统(GPS)导航定位。水文观测资料采用先进仪器，数据自动采集、接收、处理、贮存，检索后经计算机通输网络、电子邮件、传真等传输至有关部门，为截流指挥机构适时提供决策依据。

截流过程处于明渠水流条件、束窄口门水流条件及其边界条件不断变化的动态过程，在长江科学院宜昌前坪已建的大江正态整体水工模型开展了跟踪预报试验。模拟动态变化的边界条件跟踪现场施工，对截流进占和合龙过程中提头坍塌，口门水力学指标，明渠分流条件及施工通航水流条件等进行测试和演示，预报并分析可能发生的影响程度，在跟踪预报。试验期间还采用业主开发和建立的大江截流计算机三维实体模型，仿真模拟并演示截流进展的动态，施工单位随时测报施工实施中各施工要素，驻现场设计人员适时根据水情、水文测验成果，施工进展实况，提出水力学计算指标预测值。

上述水文气象预报和水文测验，模型跟踪试验，以及施工、设计方面的信息源，准确及时地传输汇集至截流指挥机构作为科学的决策依据，有力地支持了大江截流顺利实施。截流合龙阶段，对于明渠冲淤，扩大分流，合龙分为口门130m和40m两步实施的决策，都集中体现了其有力地支持作用。

4.5强化施工组织管理，力克施工技术难关，把握时机，优质、高效、安全地实现大江截流

大江截流施工是一项庞大的系统工程，必须有完善的施工组织设计，各阶段设计报告皆编制施工组织设计，招标设计及招标文件进一步予以细化，对施工进度、施工布置、施工程序和作业方法、填筑材料、主要施工设备等均有具体规定。大江截流承建单位葛洲坝集团在投标文件及报送的施工组织设计，均予以按排。

实施大江截流前，由中国长江三峡工程开发总公司主持组成有三峡总公司各有关部门、设计、监理、施工单位负责人参加的截流领导小组为大江截流最高协调决策机构，施工单位葛洲坝集团建立了以截流指挥部为中心的门类齐全，多层次的管理机构，配置计算机信息系统，使截流施工在精干、高效、灵活、快捷的组织管理状态下实施，实施中以降低深水截流难度和实现高强度填筑为重点，着力进行施工技术攻关，如对堤头坍塌，在设计研究的基础上，进一步与高等院校合作研究其成因，在平抛垫底的前提下作出坍塌预报，采取包括优化堤头进占方式，安全作业方式等综合措施。平抛垫底施工，通过实船抛投试验和初期实践，形成了行之有效的水下作业程序和方式，平抛垫底的水下成型良好，料物分层粗化得到控制。为探索截流堤和堰体跟进抛投的多工作面，高强度填筑的施工组织措施，于形成截流龙口前(10月14～15日)进行实战演习，按上述两岸戗堤同步进占、下游左岸尾随进占的方案经24小时高强度抛投创截流日·抛投强度19.4万m³的世界纪录，全面检验了施工组织管理和人员、设备的实际施工能力，可满足截流高强度施工需要，与此同时，还将 戗堤龙口段平抛垫底在原高程40m的基础上加高抛至高程45m，以更利于龙口段快速、安全合龙。10月23日形成宽130m的龙口，据水情预报10月下旬流量12000m³/s且呈缓降趋势，对合龙十分有利，同时考虑明渠冲淤的需要，经领导小组决策同意，于10月26日8时上游戗堤开始合龙突击进占，汇集了大型施工设备369台套历时22.5小时将龙口束窄至40m，其时截流流量为11600m³/s，日抛投强度达12.1万m³，两岸堤头平均小时抛卸316车次、抛投5372m³，其机械化程度和施工强度为世界上大江大河截流所罕见。龙口40m形成后，明渠分流比不断增大，又据10月底预报11月上旬流量均在10000m³/s以下，综合各方因素经上报国家批准于11月8日最后截流合龙，在10月26日～27日合龙进占已闯过了龙口合龙困难段，左右岸戗堤底部已搭接相连，加上施工单位人力、物力、技术服务的充分准备，11月8日下午3时30分截流龙口顺利合龙，实为事在必成。