大江截流水力学研究综述
1999-01-13刘力中杨文俊
刘力中 杨文俊
摘要
三峡工程大江截流水深和流量均为世界之最，且截流施工期要保证长江航运通畅。为解决深水截流进占中堤头坍塌问题，长江科学院应用I：40与1：80两座模型对坍塌机理防坍塌工程措施进行了深入研究。提出了十截流水深即预平抛垫底措施，这样能大幅度减缓截流伐堤坍塌的危害程度。同时对预平抛垫底抛投材料的漂移性，施工期通航水流条件及跟踪预报等进行了研究。
关键词 三峡工程 立堵截流 堤头坍塌 平抛垫底 施工期通航 跟踪预报
截流是大坝建设过程中必需妥善解决的不可逾越的重要环节，根据客观环境条件和施工技术水平选取适当的截流方法，是河道截流工程设计中必须首要解决的问题。三峡工程大江截流是目前世界上截流流量最大，水深最大的截流工程，鉴于大江截流的重要性及技术复杂性，长江委几代人为此付出了心血，终于在1997年11月8日胜利实现了大江截流。
1、研究过程
三峡工程导截流工作始于20世纪50年代，40年来的科研工作，按研究内容和深度来分，大致可以分为三个阶段：
第一阶段(1957年～1978年)主要是配合三峡工程坝址的选择进行了研究。
1957年针对南津关坝址窄深河谷(宽约300m，深近100m)用14条大直径隧洞导截流方案，长科院建造了五个水流和气流模型，比较了深水抛投堆石围堰与管柱平板坝插板截流两种方案，认识了深水截流的困难，兼以石灰岩喀斯特溶洞多，因而促使南津关坝址放弃。
1958年在院部露天试验场建造了三斗坪坝址1：60截流模型和1：150导流模型。
1978年4月，在长科院九万方建造1：150整体模型；1984年租借原葛洲坝试验场场地，与葛洲坝试验室水工班的同志一道建造了1：100与1：150两座整体模型；1992年在宜昌前坪试验场建造1：100整体模型。先后在以上四座整体模型上，研究比较了明渠施工期通航(分三期施工)与明渠施工期不通航(分二期或二期半施工)两种类型的多种具体布置方案。重点研究了各种模型的明渠泄流能力，即从宏观上研究了三峡工程大江截流的“规模”和难度。
另一方面，基于长江航运的重要性，分期导流的具体方案设计，必须结合施工期通航方案一并研究，对于设计推荐的明渠通航方案而言，导流明渠上施工期最重要的通航建筑物，为此模型试验对各种规模的明渠通航水流条件进行了全面系统研究，并对明渠体型和航线进行了优化。
第三阶段(1993年～1997年)，1993年7月经国务院三峡工程建设委员会审定采用“三期导流、明渠通航”方案后，利用1：100、1：80两座整体模型与1：40、1：20两座局部模型，对三峡工程大江截流施工中的具体问题进行了全面、系统、深入的研究。
2、大江截流特点及主要技术问题
三峡工程在施工过种中有两次截流。一次是1997年11月在主河床截流，修建二期上、下游横向围堰，叫做大江截流。另一次是2002年12月上旬截断右岸导流明渠，叫做三期截流。
三峡工程大江截流，主要有以下特点：
(1)由于三峡工程坝址位于已建葛洲坝水利枢纽水库内，截流最大深达60m。居世界首位(美国达列斯截流水深55m，巴西伊泰普截流水深40m)
(2)截流流量世界第一。二期上、下游围堰设计土石方填筑量达1032.1万m3，混凝土防渗墙面积8.35万m2，务必在一个枯水期完工，确保1998年汛期安全度汛和基坑如期抽水。因此，规模巨大的后续工程制约了截流合龙时间，使截流合龙不可能选在最枯时段，经综合论证拟在10月下旬～11月中旬，并力争提前，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(阿根延、乌拉圭雅西里塔工程8400m3/s，巴西、巴拉圭伊泰普工程8100m3/s。)
(3)截流施工与长江航运密切相关。截流施工期间临时船闸尚未投入运用，截流前期(形成龙口前)导流明渠未分流或分流但末正式通航，船舶仍以从主河道束窄口门通行，故施工进程需满足通航水流条件，截流合龙时必须顾及明渠通航水流条件，不允许造成长江航运中断。
大江截流的主要技术问题有：
(1)在截流水工模型试验中，发现截流戗堤在进占过程户，堤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，使其成为深水截流突出的难题。探讨截流戗堤堤头坍塌机理，认识其主导原因，研究有效的对策措施，成为三峡工程大江截流试验研究中的首要技术问题。
(2)“预平抛垫底后立堵进占合龙”的截流方案，减轻并基本解决了戗堤进占过程中危险性大的坍塌问题，但是该方案的实施，也给科研、设计、施工带来了新的技术难题：首先在50多m深的动水抛投石渣及砂砾料，且成型到位要求很高，国内外资料未查询到有关的报道，在动水抛投过程中，如何保证块石及砂砾料成型优良，到位率准确，且能保证砂砾料的粗化程度能满足设计要求，是试验研究必须解决的第二大难题。
其次，三峡工程平抛垫底工程量73.99万m3，必须提前—个枯水期施工，砂砾料在汛期会不会冲走?如何保证其安全度汛?也是试验研究中必须解决的问题。
(3)川江航运的重要性要求设计、科研、施工人员将确保航运畅通作为高质量截流的重要标志之一。国家审定三峡大江截流不得断航和碍航。预平抛垫底后河床深槽部位高程抬高20余米。减少了主河槽的过流面积，增加了流速，而截流施工期河床边界，水文条件及戗堤进占口门宽度是变化的，不比一般河道的通航研究，且截流施工必须按设计计划进度进行或提前(以减轻后期施工强度)，存在复杂的施工与通航矛盾，解决这一矛盾，确保截流施工期航运安全通畅，是模型试验必须解决的第三个难题。
(4)导流明渠汛期挖通分流，初期明渠分流比较小，明渠内流速低，产生了淤积，使明渠内过流面积减少20％～40％，明渠淤积物在截流过程中如果不能冲走，将增加截流难度，因此三峡工程跟踪预报至关重要，在明渠淤积物粒径组成施工过程中冲淤状态不很清楚的情况下，如何保证预报的精度，为大江截流领导小组临机决策提供翔实可靠的科学依据，责任重大时间紧迫，强度高，为试验研究的又一难点。
综上所述，可以说三峡工程大江截流试验研究，无论从深度广度上讲都是世界罕见的。为了解决好三峡大江截流中的关键技术问题，应用系列的不同比尺的物理模型试验及自航模通航研究，结合理论分析及数学模型计算对上述关键技术问题进行了专题研究。
3、主要研究成果
3.1提头坍塌机理及改善措施试验研究
国内外大江截流施工中，亦曾出现堤头坍塌，但未见专门研究论述。长江科学院特增建1：40局部截流模型对截流戗堤坍塌问题进行专题试验研究。结合三峡工程实际，进行了八种工况的试验研究。通过试验认识到，堤头坍塌的主要原因是龙口水深较大，戗堤进占抛投料沿堤头坡面不能一次抛到坡底，滚到一定深度后停留在坡面上部，随着戗堤继续进占，自堤顶到水下5～7m坡面的堆料坡度逐渐变陡，当陡度达1：1或陡于抛投料的临界边坡时，遇到外力扰动(如大块石滚动或局部抛投料下滑等)即发生抛投料群体下滚动造成坍塌；另一因素是抛投料在水下体作用下，抛投料块体间摩擦力的改变和湿水后逐渐密实，沉陷使咬合力减小或丧失，产生突发性的大规模坍塌。长江水利委员会水力学、土力学、泥沙试验研究从不同侧重点，对堤头坍塌机理作了理论上解释和分析。经综合分析，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、流速、落差、渗透压力、抛投料粒、级配、抛投强度等诸多因素有关。对三峡工程大江截流这一具体工程而言，水深大、流速低是造成戗堤头部坍塌的主要原因。为此我们重点研究了两种防坍塌措施：一种是采用小粒径材料截流以适应低流速。另一种是采用平抛垫底以减小水深。
工程措施之一：用小粒径材料截流
试验成果表明：根据龙口的不同落差和流速，选用适当的小粒径投料，使抛投材料入水后不立即止动，而能被水流带一定的距离(要求不超出戗堤范围)，形成冲刷面。由于冲刷面的坡度一般比此种材料堆积要求的稳定坡更缓，所以在进占过程中没有坍塌现象。但是用这种方法来解决坍塌，材料对流速的要求很严，否则将同样出现坍塌或抛投料大量流失。换句话说，一种材料的适用范围很窄。而三峡工程大江截流上游戗堤预留的口门宽度为460m，而长江的来流量是不断变化着。即使单对130m龙口宽度而言，届时实际截流流量是多少，事先难以估计。因此用这种方法来防止坍塌，抛石材料粒径事先要有较多级别类料。而三峡截流工程工程量巨大，在实际施工难以做到。其次，用小粒径材料截流，戗堤边坡一般为1：1.6～1:1.7，这比设计选用的块石料形成的戗堤断面面积要增大15％～20％，再加上10％左右的流失量，实际材料用量将增加25％～30％左右。另外1：1.6～1:1.7的边坡有可能使戗堤的抛投料进人防渗墙区。基于以上理由，该种防坍塌措施没有推荐。
工程措施之二：平抛垫底减小水深
试验成果表明：当水深由41m减至27m时，其相应的坍塌面积，坍塌边离堤边平均距离最大值，最大单次坍塌面积分别减小35％、27％、36％，当水深减至20m时，上述指标减少达64％、49％、55％。可见平抛垫底40m或45m高程，再立堵截流方案，虽然不能完全消除坍塌现象，但是坍塌的次数与每次坍塌的范围将大大减小，再辅以适当的施工措施，如采用堤头集料，再用推土机推料下堤的施工方法是可以保证施工安全的。采用平抛垫底减小水深防坍塌的最大优点是不管长江流量是多少，也不管施工中采用何种抛投材料，对减少坍塌都是有效的。另外平抛垫底抬高河床后，相应的优化了围堰断面，由此上、下游围堰共节省159万m3填筑工程量。平抛垫底还使80万m3工程量提前了，大大减轻截流、堰体填筑及防渗墙的施工难度与强度，加快了施工进度。
3.2预平抛垫底有关问题研究
(1)平抛垫底.合理高程研究
平抛垫底高程的确定需兼顾减轻截流难度和施工期通航两方面。试验比较了平抛垫底高程40m、45m高程两个方案。成果表明：两种平抛垫底高程在合龙过程中的水力学指标及抛投材料稳定情况变化不大；平抛垫底至45m高程较40m高程方案，堤头坍塌规模有所减轻，坍塌次数略有减少，但平抛底料增加约54.4万m3。对通航与度汛而言，汛前垫底高程40m较45m高程有利。因此设计最终确定汛前垫底至40m高程，汛后伺机力争垫至45m高程。
(2)抛投料漂移特性研究
模型试验从施工单位实有水上工程船舶出发，先后通过1：50、1：35及1：20比尺系列，对不同水深(60、50、45、40、30m)、不同流速(0.5、1.0、1.5、2.0m/s)不同施工抛投船(4×30m3底开驳、7×30m3侧翻、280m3底开驳、500m3对开驳)等组合下对块石及石渣料的漂距及水下成型到位特性进行了研究。试验研究成果已作为现场实际抛投的科学依据。图2为7×30m3侧翻式施工船单仓抛投时漂移特性图。
图1半坎条件H＝45m，V＝0.5m/s漂移特性
图2长航船队(3×1000t十2640HP)航行工况图
(Q＝45000m3/s，B上＝460m、B下＝480m)
表1中所示为V=1.5m时漂移特性参数。
(3)砂砾料漂移特性研究
砂砾料动水抛投的漂移特性研究首先涉及的问题是抛投料的相似模拟及模型比尺，经理论分析论证，用宽槽断面模型(L×B×H＝36.0×2.5×3.0m)取1：20比尺进行模拟抛投试验研究，重点研究了运用280m3及500m3施工船抛投时，水深不小于30m，流速不大于160m/s等组合工况。研究结果表明：在砂砾料抛投过程中，垂线平均流速不大于0.75m/s，船首距石渣坎坡不小于58.0m，设计抛投区砂砾含量均超过70％，各工况均能做有效抛投。床底砂砾石料存在一定程度的粗化，150～80mm含量增加约5％，80～20mm含量增加约8％，4mm以下粒径含量减小约15％。如图1为砂砾石料半坎条件下H＝45m，V＝0.5m/s漂移特性。根据以上成果和抛投区实际水流条件，试验建议当长江流量大于10000m3/s时不抛投砂砾料。
现场施工实践表明：通过葛洲坝集团的精心施工，抛投到位准确，成形良好。
(4)砂砾料度汛研究
试验采用不同的模型方式(天然砂、粉煤灰)，对汛期可能出现的各级流量(45000、57000、60300、66800、72300)m3/s进行了充分的恒定流、洪水过程冲刷试验研究，并探讨合理的度汛保护措施。研究成果表明：各工况冲刷规律基本一致，在确保中小石汛期稳定的情况下，设立“5.0m高低坎”方案对上游砂砾料具有较好的度汛保护效果，被设计采用并付诸实施。且为1997年汛期后实测水下地形所验证。
3.3截流施工期通航问题研究
川江航运的重要性要求三峡大江截流不得断航和碍航。
三峡坝区主河道通航标准为：当流量为45000m3/s时，满足长航3×1000t十2640HP船队的航运要求。为此长江科学院应用1：100水工整体模型和自航模型进行了试验研究。研究成果表明：如果明渠汛后分流，满足上斜通航条件的最窄口门宽度为B上＝582m(不平抛垫底)，如平抛垫底至40m高程，则最窄口门宽度为B上=750m。如果明渠汛前分流，则当上游口门宽度460m、平抛垫底高程40m时，可以满足通航要求，其航行工况如图2。可见导流明渠提前挖通，对截流戗堤提前进占和1997年汛期通航是有利的。实践表明，1997年汛朗长航船舶在主河道中顺利航行，未发生任何碍航现象。
三峡导流明渠的通航标准为：
(1)龙口合龙前，当长江来流量为当旬二十年一遇最大日平均流量时，明渠水流条件满足长航3千吨级船队的通航要求；
(2)龙口合龙后，当流量为20000m3/s时，明渠水流条件满足上斜船队的通航要求。
非龙口段的进占原定1997年10月开始，龙口合龙时间为11月中、下旬，尔后，业主单位提出将合龙时间提前到11月上旬伺机完成。为此，非龙口合龙进占亦相应提前到9月中旬开始，根据新的施工计划安排，各旬的口门宽度比原设计均有不同程度的柬窄，模型试验研究通过对上、下游戗堤口门位置和宽度的合理调整，以及对戗堤进占工序、方式的优化，改善了口门明渠出口部位的流速、流态分布，成功地解决了截流期施工和通航的矛盾。
3.4大江截流跟踪试验研究
根据1997年8月实测淤积地形，明渠内过水断面比设计条件减少20％～40％。模型试验表明：明渠淤积物在截流过程中如果不能冲走，各级截流流量下的截流终落差增加一倍。因此大江截流跟踪预报至关重要。
跟踪预报的最大难点是戗堤进占合龙过程中，明渠的动态冲淤。因明渠淤积物组成难以在短期内查明，另粉细砂的模型也难以在短期内加工出来。因此无法进行动床模拟试验。龙口截流水力学与长江实际来流量，进占口门宽度，明渠的冲淤状态等有关，且均为动态因素。为了保证预报精度，首先进行系列基础性研究，即将明渠动态连续冲淤过程概化成若干个冲淤层面即“设计断面”、▽50m层面、▽53m层面、▽56m层面、“10月份淤积地形”等5个冲淤层面，”将其动态过程静态化。概化冲淤层面的设置依据实际明渠淤积地形经泥沙冲淤原理分析而定。然后对每个冲淤层面进行了19400、14300、12500、9010m3/s四级流量的龙口合龙过程试验，测量其不同龙口宽度(B上＝130、100、80、50、0)的截流水力学参数(Z、V、Q明)，并记录其进占情况。将有关截流参数(冲淤层面、龙口宽度、长江来流量、明渠分流量、落差、流速等)整理成系列图表，作为分析依据。届时根据水文报送的长江实测流量及相应的明渠分流量，即可从图中查出明渠剩余的淤积量，以此作为模型制模依据，以进行跟踪预报。
实践证明：采用分析预报与根据施工现场实际条件进行模型试验相结合的预报方法，较好地保证预报精度。如当龙口宽130.6m，下口门宽203.3m，长江流量10300m3/s(10月23日)条件下，模型试验预报、导流明渠分流量为5700m3/s，分流比为55.3％，落差0.31m上堤头最大流速2.70m/s，龙中垂线平均流速为2.37m/s，原型相应值为 Q明＝5750m3/s，分流比55.83％，落差0.28m，口门 Vmax＝3.33m/s，口门平均流速2.52m/s。当形成40m小宽龙口时，在长江来流量Q＝8500m3/s条件下，模型预报明渠分流比为94％、最大流速为2.70m/s，相应落差为0.39m，原型相应值分别为94.25、2.50m/s、0.39m。可见模型预报值和原型极为相似，跟踪预报成果对施工现场的指导作用十分显著。
(4)三期截流主要问题
三期截流设计安排在2003年11月上、中旬开始非龙口段进占，12月上旬合龙。进占过程中明渠不考虑通航水流条件，三期截流的主要特点是截流流量大，落差大，水深大。设计截流流量为9010m3/s，截流落差为3.5m，如果不护底水深超过20m。三期截流除防止块体的流失外，还要防止淘刷型坍塌。可以说三期截流综合难度将超过大江截流和葛洲坝截流。
有关三期截流水力学问题，1994年科学院宜昌科研所配合初步设计，对短管导流底孔方案曾进行过单战立堵试验研究，随着三峡工程施工进展，必须对三峡二期截流工程进行更全面、系统、深入的研究，初期研究的主要内容有：新导流底孔方案的泄流能力；二期围堰拆除高程，拆除宽度及葛洲坝水位对截流落差的影响；防止抛投材料流失的工程措施；截流方案的比较优选等。(如采用大块体平抛护底方案，达到既防止淘刷型坍塌，又增加糙率防止抛投材料流失的目的。采用双战立堵方案，既能分担落差，有利抛投材料稳定，又能为提前截流创造条件等)。
参考文献
1.郑守仁.三峡工程大江截流二期围堰设计主要技术问题论述.人民长江，1997年4月
2.扬文俊等.三峡工程大江截流水力学试验研究与工程实践.人民长江，1998年1月
3.景力中等.三峡工程大江截流伐堤坍塌问题试验研究.长江科学院院报，1997年12月
