大江截流水力學研究綜述

劉力中　楊文俊

摘要

三峽工程大江截流水深和流量均為世界之最，且截流施工期要保證長江航運通暢。為解決深水截流進占中堤頭坍塌問題，長江科學院應用I：40與1：80兩座模型對坍塌機理防坍塌工程措施進行了深入研究。提出了十截流水深即預平拋墊底措施，這樣能大幅度減緩截流伐堤坍塌的危害程度。同時對預平拋墊底拋投材料的漂移性，施工期通航水流條件及跟蹤預報等進行了研究。

關鍵詞 三峽工程 立堵截流 堤頭坍塌 平拋墊底 施工期通航 跟蹤預報

截流是大壩建設過程中必需妥善解決的不可逾越的重要環節，根據客觀環境條件和施工技術水平選取適當的截流方法，是河道截流工程設計中必須首要解決的問題。三峽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，鑒于大江截流的重要性及技術復雜性，長江委幾代人為此付出了心血，終于在1997年11月8日勝利實現了大江截流。

1、研究過程

三峽工程導截流工作始于20世紀50年代，40年來的科研工作，按研究內容和深度來分，大致可以分為三個階段：

第一階段(1957年～1978年)主要是配合三峽工程壩址的選擇進行了研究。

1957年針對南津關壩址窄深河谷(寬約300m，深近100m)用14條大直徑隧洞導截流方案，長科院建造了五個水流和氣流模型，比較了深水拋投堆石圍堰與管柱平板壩插板截流兩種方案，認識了深水截流的困難，兼以石灰巖喀斯特溶洞多，因而促使南津關壩址放棄。

1958年在院部露天試驗場建造了三斗坪壩址1：60截流模型和1：150導流模型。

1978年4月，在長科院九萬方建造1：150整體模型；1984年租借原葛洲壩試驗場場地，與葛洲壩試驗室水工班的同志一道建造了1：100與1：150兩座整體模型；1992年在宜昌前坪試驗場建造1：100整體模型。先后在以上四座整體模型上，研究比較了明渠施工期通航(分三期施工)與明渠施工期不通航(分二期或二期半施工)兩種類型的多種具體布置方案。重點研究了各種模型的明渠泄流能力，即從宏觀上研究了三峽工程大江截流的“規模”和難度。

另一方面，基于長江航運的重要性，分期導流的具體方案設計，必須結合施工期通航方案一并研究，對于設計推薦的明渠通航方案而言，導流明渠上施工期最重要的通航建筑物，為此模型試驗對各種規模的明渠通航水流條件進行了全面系統研究，并對明渠體型和航線進行了優化。

第三階段(1993年～1997年)，1993年7月經國務院三峽工程建設委員會審定采用“三期導流、明渠通航”方案后，利用1：100、1：80兩座整體模型與1：40、1：20兩座局部模型，對三峽工程大江截流施工中的具體問題進行了全面、系統、深入的研究。

2、大江截流特點及主要技術問題

三峽工程在施工過種中有兩次截流。一次是1997年11月在主河床截流，修建二期上、下游橫向圍堰，叫做大江截流。另一次是2002年12月上旬截斷右岸導流明渠，叫做三期截流。

三峽工程大江截流，主要有以下特點：

(1)由于三峽工程壩址位于已建葛洲壩水利樞紐水庫內，截流最大深達60m。居世界首位(美國達列斯截流水深55m，巴西伊泰普截流水深40m)

(2)截流流量世界第一。二期上、下游圍堰設計土石方填筑量達1032.1萬m³，混凝土防滲墻面積8.35萬m²，務必在一個枯水期完工，確保1998年汛期安全度汛和基坑如期抽水。因此，規模巨大的后續工程制約了截流合龍時間，使截流合龍不可能選在最枯時段，經綜合論證擬在10月下旬～11月中旬，并力爭提前，相應截流設計流量為14000～19400m³/s超過國內外水利工程實際最大截流流量(阿根延、烏拉圭雅西里塔工程8400m³/s，巴西、巴拉圭伊泰普工程8100m³/s。)

(3)截流施工與長江航運密切相關。截流施工期間臨時船閘尚未投入運用，截流前期(形成龍口前)導流明渠未分流或分流但末正式通航，船舶仍以從主河道束窄口門通行，故施工進程需滿足通航水流條件，截流合龍時必須顧及明渠通航水流條件，不允許造成長江航運中斷。

大江截流的主要技術問題有：

(1)在截流水工模型試驗中，發現截流戧堤在進占過程戶，堤頭多次發生大規模坍塌現象，堤頭坍塌將危及施工人員及機械設備的安全，使其成為深水截流突出的難題。探討截流戧堤堤頭坍塌機理，認識其主導原因，研究有效的對策措施，成為三峽工程大江截流試驗研究中的首要技術問題。

(2)“預平拋墊底后立堵進占合龍”的截流方案，減輕并基本解決了戧堤進占過程中危險性大的坍塌問題，但是該方案的實施，也給科研、設計、施工帶來了新的技術難題：首先在50多m深的動水拋投石渣及砂礫料，且成型到位要求很高，國內外資料未查詢到有關的報道，在動水拋投過程中，如何保證塊石及砂礫料成型優良，到位率準確，且能保證砂礫料的粗化程度能滿足設計要求，是試驗研究必須解決的第二大難題。

其次，三峽工程平拋墊底工程量73.99萬m³，必須提前—個枯水期施工，砂礫料在汛期會不會沖走?如何保證其安全度汛?也是試驗研究中必須解決的問題。

(3)川江航運的重要性要求設計、科研、施工人員將確保航運暢通作為高質量截流的重要標志之一。國家審定三峽大江截流不得斷航和礙航。預平拋墊底后河床深槽部位高程抬高20余米。減少了主河槽的過流面積，增加了流速，而截流施工期河床邊界，水文條件及戧堤進占口門寬度是變化的，不比一般河道的通航研究，且截流施工必須按設計計劃進度進行或提前(以減輕后期施工強度)，存在復雜的施工與通航矛盾，解決這一矛盾，確保截流施工期航運安全通暢，是模型試驗必須解決的第三個難題。

(4)導流明渠汛期挖通分流，初期明渠分流比較小，明渠內流速低，產生了淤積，使明渠內過流面積減少20％～40％，明渠淤積物在截流過程中如果不能沖走，將增加截流難度，因此三峽工程跟蹤預報至關重要，在明渠淤積物粒徑組成施工過程中沖淤狀態不很清楚的情況下，如何保證預報的精度，為大江截流領導小組臨機決策提供翔實可靠的科學依據，責任重大時間緊迫，強度高，為試驗研究的又一難點。

綜上所述，可以說三峽工程大江截流試驗研究，無論從深度廣度上講都是世界罕見的。為了解決好三峽大江截流中的關鍵技術問題，應用系列的不同比尺的物理模型試驗及自航模通航研究，結合理論分析及數學模型計算對上述關鍵技術問題進行了專題研究。

3、主要研究成果

3.1提頭坍塌機理及改善措施試驗研究

國內外大江截流施工中，亦曾出現堤頭坍塌，但未見專門研究論述。長江科學院特增建1：40局部截流模型對截流戧堤坍塌問題進行專題試驗研究。結合三峽工程實際，進行了八種工況的試驗研究。通過試驗認識到，堤頭坍塌的主要原因是龍口水深較大，戧堤進占拋投料沿堤頭坡面不能一次拋到坡底，滾到一定深度后停留在坡面上部，隨著戧堤繼續進占，自堤頂到水下5～7m坡面的堆料坡度逐漸變陡，當陡度達1：1或陡于拋投料的臨界邊坡時，遇到外力擾動(如大塊石滾動或局部拋投料下滑等)即發生拋投料群體下滾動造成坍塌；另一因素是拋投料在水下體作用下，拋投料塊體間摩擦力的改變和濕水后逐漸密實，沉陷使咬合力減小或喪失，產生突發性的大規模坍塌。長江水利委員會水力學、土力學、泥沙試驗研究從不同側重點，對堤頭坍塌機理作了理論上解釋和分析。經綜合分析，認為造成深水截流堤頭端部坍塌是多種因素共同作用的結果，與水深、流速、落差、滲透壓力、拋投料粒、級配、拋投強度等諸多因素有關。對三峽工程大江截流這一具體工程而言，水深大、流速低是造成戧堤頭部坍塌的主要原因。為此我們重點研究了兩種防坍塌措施：一種是采用小粒徑材料截流以適應低流速。另一種是采用平拋墊底以減小水深。

工程措施之一：用小粒徑材料截流

試驗成果表明：根據龍口的不同落差和流速，選用適當的小粒徑投料，使拋投材料入水后不立即止動，而能被水流帶一定的距離(要求不超出戧堤范圍)，形成沖刷面。由于沖刷面的坡度一般比此種材料堆積要求的穩定坡更緩，所以在進占過程中沒有坍塌現象。但是用這種方法來解決坍塌，材料對流速的要求很嚴，否則將同樣出現坍塌或拋投料大量流失。換句話說，一種材料的適用范圍很窄。而三峽工程大江截流上游戧堤預留的口門寬度為460m，而長江的來流量是不斷變化著。即使單對130m龍口寬度而言，屆時實際截流流量是多少，事先難以估計。因此用這種方法來防止坍塌，拋石材料粒徑事先要有較多級別類料。而三峽截流工程工程量巨大，在實際施工難以做到。其次，用小粒徑材料截流，戧堤邊坡一般為1：1.6～1:1.7，這比設計選用的塊石料形成的戧堤斷面面積要增大15％～20％，再加上10％左右的流失量，實際材料用量將增加25％～30％左右。另外1：1.6～1:1.7的邊坡有可能使戧堤的拋投料進人防滲墻區。基于以上理由，該種防坍塌措施沒有推薦。

工程措施之二：平拋墊底減小水深

試驗成果表明：當水深由41m減至27m時，其相應的坍塌面積，坍塌邊離堤邊平均距離最大值，最大單次坍塌面積分別減小35％、27％、36％，當水深減至20m時，上述指標減少達64％、49％、55％。可見平拋墊底40m或45m高程，再立堵截流方案，雖然不能完全消除坍塌現象，但是坍塌的次數與每次坍塌的范圍將大大減小，再輔以適當的施工措施，如采用堤頭集料，再用推土機推料下堤的施工方法是可以保證施工安全的。采用平拋墊底減小水深防坍塌的最大優點是不管長江流量是多少，也不管施工中采用何種拋投材料，對減少坍塌都是有效的。另外平拋墊底抬高河床后，相應的優化了圍堰斷面，由此上、下游圍堰共節省159萬m³填筑工程量。平拋墊底還使80萬m³工程量提前了，大大減輕截流、堰體填筑及防滲墻的施工難度與強度，加快了施工進度。

3.2預平拋墊底有關問題研究

(1)平拋墊底.合理高程研究

平拋墊底高程的確定需兼顧減輕截流難度和施工期通航兩方面。試驗比較了平拋墊底高程40m、45m高程兩個方案。成果表明：兩種平拋墊底高程在合龍過程中的水力學指標及拋投材料穩定情況變化不大；平拋墊底至45m高程較40m高程方案，堤頭坍塌規模有所減輕，坍塌次數略有減少，但平拋底料增加約54.4萬m³。對通航與度汛而言，汛前墊底高程40m較45m高程有利。因此設計最終確定汛前墊底至40m高程，汛后伺機力爭墊至45m高程。

(2)拋投料漂移特性研究

模型試驗從施工單位實有水上工程船舶出發，先后通過1：50、1：35及1：20比尺系列，對不同水深(60、50、45、40、30m)、不同流速(0.5、1.0、1.5、2.0m/s)不同施工拋投船(4×30m³底開駁、7×30m³側翻、280m³底開駁、500m³對開駁)等組合下對塊石及石渣料的漂距及水下成型到位特性進行了研究。試驗研究成果已作為現場實際拋投的科學依據。圖2為7×30m³側翻式施工船單倉拋投時漂移特性圖。

圖1半坎條件H＝45m，V＝0.5m/s漂移特性

圖2長航船隊(3×1000t十2640HP)航行工況圖

(Q＝45000m³/s，B_上＝460m、B_下＝480m)

表1中所示為V=1.5m時漂移特性參數。

(3)砂礫料漂移特性研究

砂礫料動水拋投的漂移特性研究首先涉及的問題是拋投料的相似模擬及模型比尺，經理論分析論證，用寬槽斷面模型(L×B×H＝36.0×2.5×3.0m)取1：20比尺進行模擬拋投試驗研究，重點研究了運用280m³及500m³施工船拋投時，水深不小于30m，流速不大于160m/s等組合工況。研究結果表明：在砂礫料拋投過程中，垂線平均流速不大于0.75m/s，船首距石渣坎坡不小于58.0m，設計拋投區砂礫含量均超過70％，各工況均能做有效拋投。床底砂礫石料存在一定程度的粗化，150～80mm含量增加約5％，80～20mm含量增加約8％，4mm以下粒徑含量減小約15％。如圖1為砂礫石料半坎條件下H＝45m，V＝0.5m/s漂移特性。根據以上成果和拋投區實際水流條件，試驗建議當長江流量大于10000m³/s時不拋投砂礫料。

現場施工實踐表明：通過葛洲壩集團的精心施工，拋投到位準確，成形良好。

(4)砂礫料度汛研究

試驗采用不同的模型方式(天然砂、粉煤灰)，對汛期可能出現的各級流量(45000、57000、60300、66800、72300)m³/s進行了充分的恒定流、洪水過程沖刷試驗研究，并探討合理的度汛保護措施。研究成果表明：各工況沖刷規律基本一致，在確保中小石汛期穩定的情況下，設立“5.0m高低坎”方案對上游砂礫料具有較好的度汛保護效果，被設計采用并付諸實施。且為1997年汛期后實測水下地形所驗證。

3.3截流施工期通航問題研究

川江航運的重要性要求三峽大江截流不得斷航和礙航。

三峽壩區主河道通航標準為：當流量為45000m³/s時，滿足長航3×1000t十2640HP船隊的航運要求。為此長江科學院應用1：100水工整體模型和自航模型進行了試驗研究。研究成果表明：如果明渠汛后分流，滿足上斜通航條件的最窄口門寬度為B_上＝582m(不平拋墊底)，如平拋墊底至40m高程，則最窄口門寬度為B_上=750m。如果明渠汛前分流，則當上游口門寬度460m、平拋墊底高程40m時，可以滿足通航要求，其航行工況如圖2。可見導流明渠提前挖通，對截流戧堤提前進占和1997年汛期通航是有利的。實踐表明，1997年汛朗長航船舶在主河道中順利航行，未發生任何礙航現象。

三峽導流明渠的通航標準為：

(1)龍口合龍前，當長江來流量為當旬二十年一遇最大日平均流量時，明渠水流條件滿足長航3千噸級船隊的通航要求；

(2)龍口合龍后，當流量為20000m³/s時，明渠水流條件滿足上斜船隊的通航要求。

非龍口段的進占原定1997年10月開始，龍口合龍時間為11月中、下旬，爾后，業主單位提出將合龍時間提前到11月上旬伺機完成。為此，非龍口合龍進占亦相應提前到9月中旬開始，根據新的施工計劃安排，各旬的口門寬度比原設計均有不同程度的柬窄，模型試驗研究通過對上、下游戧堤口門位置和寬度的合理調整，以及對戧堤進占工序、方式的優化，改善了口門明渠出口部位的流速、流態分布，成功地解決了截流期施工和通航的矛盾。

3.4大江截流跟蹤試驗研究

根據1997年8月實測淤積地形，明渠內過水斷面比設計條件減少20％～40％。模型試驗表明：明渠淤積物在截流過程中如果不能沖走，各級截流流量下的截流終落差增加一倍。因此大江截流跟蹤預報至關重要。

跟蹤預報的最大難點是戧堤進占合龍過程中，明渠的動態沖淤。因明渠淤積物組成難以在短期內查明，另粉細砂的模型也難以在短期內加工出來。因此無法進行動床模擬試驗。龍口截流水力學與長江實際來流量，進占口門寬度，明渠的沖淤狀態等有關，且均為動態因素。為了保證預報精度，首先進行系列基礎性研究，即將明渠動態連續沖淤過程概化成若干個沖淤層面即“設計斷面”、▽50m層面、▽53m層面、▽56m層面、“10月份淤積地形”等5個沖淤層面，”將其動態過程靜態化。概化沖淤層面的設置依據實際明渠淤積地形經泥沙沖淤原理分析而定。然后對每個沖淤層面進行了19400、14300、12500、9010m³/s四級流量的龍口合龍過程試驗，測量其不同龍口寬度(B_上＝130、100、80、50、0)的截流水力學參數(Z、V、Q_明)，并記錄其進占情況。將有關截流參數(沖淤層面、龍口寬度、長江來流量、明渠分流量、落差、流速等)整理成系列圖表，作為分析依據。屆時根據水文報送的長江實測流量及相應的明渠分流量，即可從圖中查出明渠剩余的淤積量，以此作為模型制模依據，以進行跟蹤預報。

實踐證明：采用分析預報與根據施工現場實際條件進行模型試驗相結合的預報方法，較好地保證預報精度。如當龍口寬130.6m，下口門寬203.3m，長江流量10300m³/s(10月23日)條件下，模型試驗預報、導流明渠分流量為5700m³/s，分流比為55.3％，落差0.31m上堤頭最大流速2.70m/s，龍中垂線平均流速為2.37m/s，原型相應值為 Q明＝5750m³/s，分流比55.83％，落差0.28m，口門 Vmax＝3.33m/s，口門平均流速2.52m/s。當形成40m小寬龍口時，在長江來流量Q＝8500m³/s條件下，模型預報明渠分流比為94％、最大流速為2.70m/s，相應落差為0.39m，原型相應值分別為94.25、2.50m/s、0.39m。可見模型預報值和原型極為相似，跟蹤預報成果對施工現場的指導作用十分顯著。

(4)三期截流主要問題

三期截流設計安排在2003年11月上、中旬開始非龍口段進占，12月上旬合龍。進占過程中明渠不考慮通航水流條件，三期截流的主要特點是截流流量大，落差大，水深大。設計截流流量為9010m³/s，截流落差為3.5m，如果不護底水深超過20m。三期截流除防止塊體的流失外，還要防止淘刷型坍塌。可以說三期截流綜合難度將超過大江截流和葛洲壩截流。

有關三期截流水力學問題，1994年科學院宜昌科研所配合初步設計，對短管導流底孔方案曾進行過單戰立堵試驗研究，隨著三峽工程施工進展，必須對三峽二期截流工程進行更全面、系統、深入的研究，初期研究的主要內容有：新導流底孔方案的泄流能力；二期圍堰拆除高程，拆除寬度及葛洲壩水位對截流落差的影響；防止拋投材料流失的工程措施；截流方案的比較優選等。(如采用大塊體平拋護底方案，達到既防止淘刷型坍塌，又增加糙率防止拋投材料流失的目的。采用雙戰立堵方案，既能分擔落差，有利拋投材料穩定，又能為提前截流創造條件等)。

參考文獻

1.鄭守仁.三峽工程大江截流二期圍堰設計主要技術問題論述.人民長江，1997年4月

2.揚文俊等.三峽工程大江截流水力學試驗研究與工程實踐.人民長江，1998年1月

3.景力中等.三峽工程大江截流伐堤坍塌問題試驗研究.長江科學院院報，1997年12月