深厚覆蓋層條件下施工導(dǎo)截流關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

郭熙靈，黃國(guó)兵，李學(xué)海

深厚覆蓋層條件下施工導(dǎo)截流關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究

郭熙靈a，黃國(guó)兵b，李學(xué)海b

（長(zhǎng)江科學(xué)院 a.院長(zhǎng)辦公室；b.水力學(xué)研究所，武漢 430010）

分析了不同類型覆蓋層的特點(diǎn)及導(dǎo)截流存在的問(wèn)題，通過(guò)理論分析和模型試驗(yàn)，對(duì)深厚覆蓋層條件下導(dǎo)截流工程存在的覆蓋層穩(wěn)定特性、覆蓋層防護(hù)、截流塊體穩(wěn)定計(jì)算、人工塊體穩(wěn)定性問(wèn)題以及淤積型覆蓋層河床預(yù)防戧堤坍塌措施等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，完善了塊體穩(wěn)定計(jì)算實(shí)用計(jì)算公式，擬合了六面體鋼筋籠的穩(wěn)定計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，首次提出相同重量的四面體鋼筋籠的止動(dòng)穩(wěn)定性明顯高于正六面體，而起動(dòng)穩(wěn)定性相差不大。

深厚覆蓋層；導(dǎo)截流；護(hù)底措施；塊體穩(wěn)定；鋼筋籠；穩(wěn)定計(jì)算

1 概 述

水利水電建設(shè)中，導(dǎo)截流及圍堰工程作為水流控制的關(guān)鍵工程，其安全控制問(wèn)題一直得到建設(shè)各方的高度關(guān)注。前蘇聯(lián)伊茲巴斯教授基于前蘇聯(lián)的工程經(jīng)驗(yàn)在20世紀(jì)40年代率先提出了導(dǎo)截流的相關(guān)理論［1］，我國(guó)肖煥雄教授在對(duì)眾多導(dǎo)截流工程的實(shí)踐與總結(jié)基礎(chǔ)上，于80年代出版了中國(guó)第一本《施工水力學(xué)》［2］，進(jìn)一步推動(dòng)了該學(xué)科的發(fā)展。長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)和科研人員，在葛洲壩、三峽工程等特大型水利工程的諸多導(dǎo)截流工程實(shí)踐中，也創(chuàng)造性地解決了許多設(shè)計(jì)施工中存在的技術(shù)難題，取得了一系列處于國(guó)際領(lǐng)先水平的科研成果［3－6］，積累了很多成功的經(jīng)驗(yàn)，并形成了系統(tǒng)、可靠的設(shè)計(jì)理論。

為了充分開(kāi)發(fā)利用水利水電資源，世界上越來(lái)越多的工程建在了深厚覆蓋層河床上。以往經(jīng)驗(yàn)和理論還不足以完全解決覆蓋層條件下導(dǎo)截流工程出現(xiàn)的一些新問(wèn)題，有待進(jìn)一步的完善與發(fā)展。本文結(jié)合長(zhǎng)江科學(xué)院主持承擔(dān)的國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目“深厚覆蓋層條件導(dǎo)截流及圍堰安全控制技術(shù)”，論述深厚覆蓋層河床施工導(dǎo)截流的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的相關(guān)研究成果。

2 覆蓋層分類及存在的導(dǎo)截流問(wèn)題

2.1 覆蓋層分類

河谷深厚覆蓋層在全球范圍的河流中都有分布。按覆蓋層河床成因大體分為2類：

一類為淤積型覆蓋層，由泥沙淤積形成，多由泥質(zhì)粉細(xì)砂、泥質(zhì)砂礫石、淤泥質(zhì)粘土、淤泥以及中粗沙等組成，其抗沖能力極差，多分布于河道坡降較緩的中下游河段及溝槽較多的河段。

另一類為堆積型覆蓋層，由全球氣候變化、海平面升降、地殼運(yùn)動(dòng)等綜合因素形成，其顆粒較粗、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多為砂卵礫石層、砂層、含崩（塊）石的砂卵礫石層、粗粒土層、含漂卵礫石層等，且孤石分布較多，多分布于各大河流坡降較陡的上游河段。國(guó)內(nèi)外典型工程見(jiàn)表1。

2.2 存在的導(dǎo)截流問(wèn)題

覆蓋層條件下的導(dǎo)流問(wèn)題，最為突出的是與覆蓋層沖刷關(guān)聯(lián)的導(dǎo)流方案選擇、圍堰安全及邊坡防護(hù)等問(wèn)題。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)因覆蓋層的沖刷變形而發(fā)生穩(wěn)定破壞，進(jìn)而危及整個(gè)工程安全。

淤積型覆蓋層河床截流，會(huì)因覆蓋層的低抗沖能力及高滲透性等特點(diǎn)，在截流過(guò)程中形成戧堤坡腳的沖刷性破壞、戧堤滲漏管涌破壞、龍口護(hù)底體系的自身穩(wěn)定破壞等，并延長(zhǎng)截流困難段時(shí)間，如備料不足或不滿足抗沖要求，甚至?xí)?dǎo)致截流失敗。

堆積型覆蓋層河床截流，因多分布于山勢(shì)陡峭、河道狹窄、水面比降較大的山區(qū)河道，一般具有截流流量大、截流落差大、龍口流速高、施工強(qiáng)度大等特點(diǎn)，會(huì)因河道狹窄、水流湍急而造成護(hù)底施工困難。在不護(hù)底條件下，戧堤堤頭會(huì)因覆蓋層沖刷或淘刷導(dǎo)致堤頭坍塌，危及施工人員和機(jī)械的安全。

表1 國(guó)內(nèi)外覆蓋層河床典型工程Table 1 Typical projects built on covering layer riverbed in China and abroad

因此，無(wú)論是導(dǎo)流還是截流，均存在與覆蓋層沖刷關(guān)聯(lián)的一些新的技術(shù)難題，如覆蓋層的抗沖穩(wěn)定特性、覆蓋層的有效防護(hù)措施、覆蓋層條件下的截流拋投料穩(wěn)定特性及降低截流難度措施等，以往的經(jīng)驗(yàn)和理論均有待進(jìn)一步完善和發(fā)展。

3 覆蓋層的抗沖穩(wěn)定問(wèn)題研究

3.1 覆蓋層穩(wěn)定影響因素

河床覆蓋層穩(wěn)定性的影響因素主要有覆蓋層特性、水流條件及邊界條件等。覆蓋層特性包括覆蓋層組成、顆粒大小及級(jí)配、厚度、表面粗化結(jié)構(gòu)、排列以及板結(jié)特性等；水流條件包括水深、流速及其垂線流速分布等；邊界條件包括河床束窄程度、導(dǎo)流明渠的尺度、型式以及截流戧堤尺度、進(jìn)占方式（單向還是雙向進(jìn)占）、堤頭形態(tài)、覆蓋層變形影響、拋投料的流失及堆積形態(tài)（拋投料是否形成舌體）等。覆蓋層的起動(dòng)流速及沖刷深度與上述因素密切相關(guān)。

3.2 覆蓋層的起動(dòng)流速

（1）淤積型覆蓋層：顆粒較為均勻，可采用均質(zhì)沙公式計(jì)算。起動(dòng)系數(shù)K值選擇需綜合考慮覆蓋層級(jí)配、水深以及流速分布等特性及各公式的適用條件。

（2）堆積性覆蓋層：屬于非均勻沙。級(jí)配較窄時(shí)可依據(jù)覆蓋層中值粒徑d50，選用卵石推移質(zhì)均勻沙起動(dòng)流速進(jìn)行近似計(jì)算。當(dāng)級(jí)配較寬時(shí)，覆蓋層表層在水流作用下會(huì)產(chǎn)生粗化現(xiàn)象，形成較粗顆粒或卵礫石粗化層，其起動(dòng)流速計(jì)算十分復(fù)雜，簡(jiǎn)單采用覆蓋層中值粒徑計(jì)算d50，則會(huì)與實(shí)際產(chǎn)生較大誤差。

3.3 覆蓋層的沖刷深度

對(duì)于導(dǎo)流中的沖刷問(wèn)題及截流龍口下游河床的溯源沖刷，可采用一般沖刷深度公式計(jì)算，當(dāng)水流平行于岸坡時(shí)，采用（1）式計(jì)算；當(dāng)水流斜沖防護(hù)岸坡時(shí)，采用（2）式計(jì)算。

式中：hB為局部沖刷深度；hp為沖刷處的深度；珔V為平均流速；V允為河床面上允許不沖流速；n與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n＝0.25。

式中：Δhρ為從河底算起的局部沖刷深度；α為 水流流向與岸線間夾角；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為河床覆蓋層粒徑；υi為局部沖刷流速。

對(duì)于截流龍口可采用局部沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行估算。當(dāng)河床覆蓋層級(jí)配不均勻時(shí)，在水流作用下會(huì)出現(xiàn)表層粗化現(xiàn)象，而使得實(shí)際沖刷深度減小。淤積型沙質(zhì)河床粗化后河床沖刷與否，主要以是否形成穩(wěn)定的沙波為準(zhǔn)；堆積型卵石夾沙河床沖刷與否主要與表面粗化結(jié)構(gòu)有關(guān)，一旦表層粗化結(jié)構(gòu)被破壞，如被挖去或被更強(qiáng)水流沖刷破壞，其下層或周圍的細(xì)顆粒又會(huì)被沖走，新的粗化又將開(kāi)始。

4 覆蓋層的防護(hù)問(wèn)題研究

4.1 導(dǎo)流工程的覆蓋層防護(hù)措施

覆蓋層河床上的導(dǎo)流工程關(guān)注的防護(hù)問(wèn)題主要是圍堰堰腳、兩岸邊坡以及導(dǎo)流建筑物出口消能工的安全問(wèn)題［7］。

4.1.1 優(yōu)化導(dǎo)流方案，減小防護(hù)難度

覆蓋層條件下的導(dǎo)流方案擬定，需依據(jù)覆蓋層分布及其特性，綜合考慮河道允許束窄程度、圍堰安全、邊坡防護(hù)等因素予以調(diào)整。束窄河床導(dǎo)流方案，需重點(diǎn)考慮圍堰束窄程度及縱向圍堰安全問(wèn)題。圍堰束窄過(guò)大會(huì)導(dǎo)致河道流速增大而引起河床沖刷變形，給縱向圍堰堰腳保護(hù)及河床通航帶來(lái)困難。如：前蘇聯(lián)薩陽(yáng)－舒申斯克工程，第一期圍堰將河床束窄至原河道寬度的42%，河道最大流速達(dá)10 m／s，使縱向土石圍堰堰腳保護(hù)較為困難。有些工程雖然地形條件適合束窄河床導(dǎo)流，但因河床有深厚覆蓋層使得縱向圍堰基礎(chǔ)防滲防沖處理困難，不得不采用明渠導(dǎo)流方案，在岸邊臺(tái)地挖明渠，修建縱向圍堰。如：水口水電站，河床覆蓋層深厚且水深較大，不利于修建縱向圍堰，初期導(dǎo)流采用右岸大明渠方案。

4.1.2 “守點(diǎn)護(hù)線”防護(hù)，確保圍堰安全

我國(guó)北江飛來(lái)峽工程，為滿足通航條件，采取束窄河床導(dǎo)流，為確保縱向圍堰安全，經(jīng)試驗(yàn)研究，對(duì)縱向圍堰采取上、下游裹頭，迎水面、局部易沖區(qū)鋪設(shè)鉛絲籠塊石或砼柔排的“守點(diǎn)護(hù)線”的防護(hù)方式，使導(dǎo)流河床和縱向圍堰經(jīng)受住了4年導(dǎo)流期中接近20年一遇設(shè)計(jì)洪水流量的考驗(yàn)。

4.1.3 “擴(kuò)寬挖深”明渠，減輕防護(hù)難度

銅街子水電站采用明渠導(dǎo)流，出口段砂卵石覆蓋層厚15～24 m，其下為軟弱粘土巖，為此擴(kuò)大了出口過(guò)水?dāng)嗝嬉越档退俣龋O(shè)置挑流墻將主流挑向右岸主河槽，還采取降低明渠出口底板高程等措施，使水流以波狀水躍與下游水面銜接，有效防止了明渠出口段的沖刷。

4.1.4 消能防護(hù)結(jié)合，確保出口安全

采用隧洞導(dǎo)流方案，需考慮導(dǎo)流洞出口消能設(shè)施及下游岸坡的安全及防護(hù)措施問(wèn)題。出口消能設(shè)施需采取足夠標(biāo)號(hào)的砼保護(hù)，為防止覆蓋層的溯源沖刷和回淘，需在消能設(shè)施尾部及邊岸設(shè)立與基巖連接的砼齒墻。

4.2 截流工程的覆蓋層防護(hù)措施

對(duì)覆蓋層河床截流龍口實(shí)施護(hù)底或平拋墊底，不僅可提高龍口河床的抗沖能力，減少龍口河床沖刷及后續(xù)截流的工程量，而且可增大河床糙度，提高后續(xù)拋投料的穩(wěn)定性，減少拋投料流失量。確保護(hù)底措施的有效性，需對(duì)護(hù)底材料粒徑、護(hù)底范圍及厚度進(jìn)行合理選擇。

4.2.1 護(hù)底材料

常見(jiàn)的護(hù)底材料有鋼絲籠、四面體、榪杈體、透水六面體以及大石、特大石等。護(hù)底材料粒徑計(jì)算，為起動(dòng)問(wèn)題，其相關(guān)計(jì)算參數(shù)選擇應(yīng)按可能遭遇的水流條件及邊界條件確定。

4.2.2 護(hù)底范圍及厚度

護(hù)底長(zhǎng)度可依據(jù)龍口中心線上“戧堤軸線以上為上大下小，軸線以下呈上小下大”的垂線流速分布特性確定，需考慮護(hù)底下游端覆蓋層的溯源沖刷對(duì)護(hù)底體系的安全影響。護(hù)底寬度可按戧堤束窄后覆蓋層產(chǎn)生大幅度起動(dòng)時(shí)的口門(mén)寬，結(jié)合截流程序、進(jìn)占各階段的龍口水流條件以及覆蓋層的抗沖能力計(jì)算確定，需考慮護(hù)底兩側(cè)覆蓋層淘刷對(duì)護(hù)底體系的安全影響。護(hù)底厚度應(yīng)不小于2倍材料厚度，即至少形成雙層鋪?zhàn)o(hù)，采用雙層或多層鋪?zhàn)o(hù)，除可增大相對(duì)糙度Δ／d，還可下壓底層護(hù)底材料，有利于護(hù)底穩(wěn)定。

4.2.3 護(hù)底措施的實(shí)施技術(shù)

在通航河道實(shí)施護(hù)底，可采用底開(kāi)駁或船舶吊裝定位拋投等，較為容易；而在河道狹窄、水流湍急的不通航河段實(shí)施護(hù)底，則顯得十分困難。1997年大朝山工程截流，水下拋投鋼筋石籠采取了自制的雙拼翻板浮筒取得成功。此外，為提高護(hù)底塊體的穩(wěn)定性，往往需先鋪?zhàn)o(hù)一層中石或大石，再拋投鋼筋籠。

5 截流塊體穩(wěn)定性計(jì)算研究

截流塊體穩(wěn)定計(jì)算是截流安全控制的核心環(huán)節(jié)，是確保截流成功的重要理論基礎(chǔ)。

5.1 經(jīng)典公式的適用條件

基于塊體在平底河床起動(dòng)概念的臨界平衡條件，可推得塊體穩(wěn)定的基本表達(dá)式：

式中：H，α，ξ，γs，η，β，f分別為水深、垂線流速分布系數(shù)、繞流系數(shù)、化引球體直徑、塊體比重、塊體形狀系數(shù)、迎水面積修正系數(shù)和摩擦系數(shù)。

塊體穩(wěn)定計(jì)算的最經(jīng)典公式為伊茲巴什公式

肖煥雄公式基于止動(dòng)流速觀點(diǎn)和立堵截流，分單體、群體均勻料、群體混合料以及部分人工塊體對(duì)（4）式中的K值進(jìn)行了修正，和伊氏公式一樣，均將（3）式中的項(xiàng)歸結(jié)為綜合穩(wěn)定系數(shù)K表達(dá)。實(shí)踐表明：截流材料穩(wěn)定還與H，α及相對(duì)糙度Δ／d（Δ為床面糙度，f連續(xù)依賴于相對(duì)糙度Δ／d）等有關(guān)。當(dāng)截流進(jìn)入困難段時(shí)，龍口戧堤軸線水流垂線流速分布接近矩形分布，龍口段河床底部為護(hù)底材料或先期拋投的截流材料，當(dāng)拋投相同或相近材料時(shí)，Δ／d接近于 1，則（4）式和（3）式是一致的。伊氏公式和肖氏公式用于截流困難段的截流塊體穩(wěn)定計(jì)算，已被眾多截流工程實(shí)踐驗(yàn)證是合適的，且公式形式簡(jiǎn)單，被廣泛采用。然而，在截流非龍口段或龍口覆蓋層被沖刷形成沖坑等口門(mén)水流的垂線流速分布并非矩形分布時(shí)，引用伊氏公式和肖氏公式進(jìn)行計(jì)算，則會(huì)與實(shí)際情況出入較大。

5.2 塊體穩(wěn)定實(shí)用公式研究

5.2.1 公式基本形式

長(zhǎng)江科學(xué)院基于f連續(xù)依賴于相對(duì)糙度Δ／d值的研究成果，即f＝p＋q（）n，將基本關(guān)系式（3）中的項(xiàng)概化為A＋B（）n，得到

式中 A，B，n為待定系數(shù)。

5.2.2 平堵情況待定系數(shù)的確定

取光滑基面 dp＝Δ＝0，令 η＝β，則 A＝，查詢一般計(jì)算手冊(cè)得 f＝0.15～0.2、ξ＝1.1（立方體）、ξ＝0.6～1.1（四面體和塊石），代入得A＝0.3～0.7，取0.4；正常河道分布取 α＝1／7；假設(shè)塊體為正方體，邊長(zhǎng)為 b，由力矩平衡得 Vd＝，化成球體直徑 D，有 b＝D·，繞流系數(shù) ξ＝0.6～1.1，則 A＋B＝0.897×（0.95～1.29）＝0.85～1.13，當(dāng) Δ＝D時(shí)，即 A＋B＝0.85～1.13，將 A＝0.4代入得 B＝0.45～0.73，平均值為 B＝0.59，取 B＝0.60；n＝1／2。由此可得到平堵、垂線流速分布成正常河道分布時(shí)的止動(dòng)流速公式。同理可得到平堵、立堵的系列實(shí)用公式。

5.2.3 實(shí)用公式

平堵：

立堵：

（8）式中的α值，緊縮斷面取1／10；擴(kuò)展斷面取1／7；成舌根時(shí)取1／4.5。

6 人工塊體的穩(wěn)定性研究

人工塊體大致分為2類：一類是各種形狀的混凝土塊體，有四面體、六面體、扭工字體、多角體和空心六面體以及其他形狀預(yù)制材料，用得較多的是四面體和六面體；另一類為利用天然石料做成的鋼筋石籠、合金籠網(wǎng)兜等。

6.1 混凝土塊體

（1）不同形狀比較：四面體、扭工字體、多角體和空心六面體4種塊型的試驗(yàn)研究表明：有覆蓋層時(shí)，四面體適應(yīng)性最好，其次為扭工字體；無(wú)覆蓋層時(shí)，扭工字體和多角體適應(yīng)性較好，四面體較差；考慮到河床多少有些覆蓋層，認(rèn)為四面體更好些。

（2）不同重量比較：不同重量的砼四面體試驗(yàn)表明：15 t以下四面體的抗沖流速隨塊體重量增長(zhǎng)較快，15 t以后增長(zhǎng)較慢的趨勢(shì)，塊重超過(guò)25 t，則增長(zhǎng)更慢。

（3）不同容重比較：光滑底板時(shí)，30 t加鐵四面體（rs＝3.25 m／s3）與 30 t砼四面體（rs＝2.40 m／s3）比較，前者的止動(dòng)流速明顯大于后者，略提高11%；大石墊底時(shí)，前者的止動(dòng)流速比后者約提高28%。

（4）串聯(lián)效果比較：在戧堤堤頭上挑角拋投，串體中的每個(gè)塊體處在不同的水流狀態(tài)中，流速較小區(qū)域的塊體的穩(wěn)定牽制了其他塊體，故體現(xiàn)出串體個(gè)數(shù)增加的優(yōu)勢(shì)。因此，在實(shí)際截流中，應(yīng)確保串體中有部分塊體落在流速較小區(qū)域。

6.2 鋼筋籠穩(wěn)定性

鋼筋籠具有易于取材、透水性好特點(diǎn)，其穩(wěn)定性明顯高于現(xiàn)場(chǎng)一般石料。但到目前為止，未見(jiàn)有關(guān)鋼筋籠穩(wěn)定性的研究成果。該項(xiàng)研究具有較大的實(shí)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。

6.2.1 六面體鋼筋籠

令六面體鋼筋籠的長(zhǎng)、寬、高分別為 a，b，c。a＝b＝c為正六面體鋼筋籠；a＞b＞c為條形鋼筋籠，a＝b＞c為扁鋼筋籠。扁度系數(shù)λ＝／c。

（1）不同重量比較：光滑水泥面時(shí)，正六面體鋼筋籠的臨界止動(dòng)流速和臨界起動(dòng)流速均隨塊體重量增加而增大，而止動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)K止和起動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)K起均有隨塊體重量增大而減小趨勢(shì)；K止均值為0.59；K起均值為0.81。d＝0.3 m石料墊底時(shí)，其臨界止動(dòng)流速隨塊體重量變化不明顯，而臨界起動(dòng)流速在塊體重量大于6.75 t后有隨塊體重量增加而增大的趨勢(shì)；K止均值為0.75，K起值均值為1.00。

（2）不同形狀比較：條形鋼筋籠的K止值與拋投方式無(wú)關(guān)，塊體均能自然變成長(zhǎng)軸順流向落到底板，臨界止動(dòng)流速隨扁度增大而增大，K止也隨扁度系數(shù)增大而增大，均值為0.69；K起則與擺放的方式有關(guān)，長(zhǎng)軸順流向放置的穩(wěn)定性明顯高于垂直于流向放置，臨時(shí)起動(dòng)流速隨扁度系數(shù)而增大，K起順流向隨扁度系數(shù)變化差異不顯著，均值為0.97，而垂直流向時(shí)則有隨扁度越大而減小趨勢(shì)，均值為0.71。

扁鋼筋籠的臨界止動(dòng)流速及臨界止動(dòng)流速均隨扁度增大而增大，K止及K起也均隨扁度系數(shù)增大而增大；在光滑水泥底板上時(shí)，K止均值為0.77，K起均值為0.90；d＝0.3 m石料墊底時(shí)，K止均值為0.87；K起均值為1.09。K起均值約為K止均值的1.25倍。

（3）計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式擬合：依據(jù)試驗(yàn)成果，先得出正六面體鋼筋籠的穩(wěn)定系數(shù)k值，止動(dòng)0.59，起動(dòng)0.81；在此基礎(chǔ)上引入扁度系數(shù)λ（河床卵石的λ，韓其為取0.45，賓景潔取 1／3，在 1／3～1／2之間），對(duì)穩(wěn)定系數(shù)K值進(jìn)行修正，將鋼筋籠的形狀要素考慮進(jìn)來(lái)，正六面體扁度系數(shù)為1，λ值止動(dòng)時(shí)取1／2，起動(dòng)時(shí)取1／3，即得到光滑面上的鋼筋籠穩(wěn)定計(jì)算公式；再引用塊體穩(wěn)定實(shí)用計(jì)算公式形式Vd＝［A＋B將糙度影響考慮進(jìn)來(lái)，通過(guò)不同糙度試驗(yàn)確定A，B值，最后進(jìn)行驗(yàn)證。公式的完整形式如下。

止動(dòng)：

起動(dòng)：

6.2.2 四面體鋼筋籠

考慮到四面體中心較低，在結(jié)構(gòu)上易于穩(wěn)定，并考慮到鋼筋籠的透水性、可充分利用當(dāng)?shù)厥脑龃髥误w尺度等特性，將二者結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成四面體鋼筋籠，以能形成穩(wěn)定性較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型截流塊體。研究成果表明：四面體鋼筋籠的臨界止動(dòng)流速和臨界起動(dòng)流速均隨塊體重量增加而增大，而止動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)和起動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)均有隨塊體重量增大而減小趨勢(shì)。光滑水泥面時(shí)，K止均值為0.71（正六面體0.57）；K起均值為0.76（正六面體0.77）；d＝0.3 m石料墊底時(shí)，K止均值為0.86（正六面體0.69），K起均值為1.06（正六面體0.95）。由此可見(jiàn)，對(duì)于截流拋投止動(dòng)，四面體鋼筋籠的穩(wěn)定性明顯高于正六面體，而對(duì)于護(hù)底起動(dòng)，兩者穩(wěn)定性相差不大。

7 淤積型覆蓋層河床預(yù)防戧堤坍塌措施

一般截流工程的戧堤坍塌問(wèn)題是堤頭坍塌問(wèn)題，而深厚軟基覆蓋層河床截流，不僅會(huì)因覆蓋層沖刷和淘刷形成大面積堤頭坍塌，而且在戧堤進(jìn)占過(guò)程中，戧堤會(huì)在高水頭作用下使基礎(chǔ)砂層產(chǎn)生管涌破壞，導(dǎo)致戧堤下游邊坡滑坡，進(jìn)而導(dǎo)致整體失穩(wěn)。因此，對(duì)淤積型覆蓋層河床截流，除需護(hù)底外，還需采取基礎(chǔ)保沙措施和戧堤防滲措施和消能措施，以預(yù)防淤積型覆蓋層河床截流所特有的多種形式的戧堤坍塌［8］。

保砂措施：在護(hù)底塊石下鋪設(shè)土工布，土工布鋪設(shè)緊靠戧堤下游，充分發(fā)揮土工布透水、減壓、保砂的工作特點(diǎn)，防止管涌和沖擊水流帶動(dòng)砂層流失，保證河床基礎(chǔ)砂層的穩(wěn)定。

防滲措施：在落差較大的淤積性覆蓋層上截流，戧堤存在滲透管涌破壞的潛在因素，因此，除采取鋪設(shè)土工布保砂措施外，在戧堤進(jìn)占過(guò)程中應(yīng)同時(shí)跟進(jìn)填筑抗?jié)B性能較強(qiáng)的石渣、粘土等材料，以提高戧堤自身的抗?jié)B能力和自穩(wěn)能力。

消能措施：當(dāng)截流落差、龍口流速都較大時(shí)，護(hù)底下游端以外區(qū)段仍將受到較大的流速?zèng)_刷而形成相應(yīng)的沖坑。為減小護(hù)底體系以外的流速，需預(yù)先設(shè)置消能坑，使龍口處形成兩級(jí)跌水消能形態(tài)。以保護(hù)護(hù)底體系相對(duì)完好，發(fā)揮原有的作用。

8 結(jié)論和展望

本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目，對(duì)深厚覆蓋層條件下導(dǎo)截流工程存在的覆蓋層穩(wěn)定特性、覆蓋層防護(hù)、截流塊體穩(wěn)定計(jì)算、人工塊體穩(wěn)定性問(wèn)題以及淤積型覆蓋層河床預(yù)防戧堤坍塌措施等一系列關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了一些創(chuàng)新究成果。由于覆蓋層條件下導(dǎo)截流工程的復(fù)雜性，仍有一些問(wèn)題還未得到很好解決，如：塊體穩(wěn)定計(jì)算中的繞流系數(shù)對(duì)塊體穩(wěn)定的影響機(jī)理及其定量分析問(wèn)題、綜合反映截流安全性、經(jīng)濟(jì)性及截流技術(shù)水平的衡量指標(biāo)問(wèn)題、基于截流龍口水流典型三維特性、戧堤束窄動(dòng)態(tài)過(guò)程的覆蓋層河床穩(wěn)定理論問(wèn)題等。覆蓋層的沖淤變化規(guī)律對(duì)導(dǎo)截流工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性均產(chǎn)生著不同程度的影響，對(duì)導(dǎo)截流技術(shù)水平提出了更好要求，上述問(wèn)題均有待深入研究。

［1］ 伊茲巴斯C.B.河道截流水力學(xué)［M］.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1964.（ISBATH C B.River Closure Hydraulics［M］.Beijing：China Industry Press，1964.（in Chinese））

［2］ 肖煥雄.施工水力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社.1992.（XIAO Huan-xiong.Construction Hydraulics［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1992.（in Chinese））

［3］ 《長(zhǎng)江三峽大江截流工程》編輯委員會(huì).長(zhǎng)江三峽大江截流工程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1992.（Editorial Committee of River Closure of Three Gorges Project.River Closure of Three Gorges Project［M］.Beijing：China Water Power Press，1922.（in Chinese））

［4］ 鄭守仁，王世華，夏仲平，等.導(dǎo)流截流及圍堰工程［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.（ZHENG Shou-ren，WANG Shi-hua，XIA Zhong-ping，et al.Closure and Diversion Cofferdam［M］.Beijing：China Water Power Press，2005.（in Chinese））

［5］ 鄭守仁，楊文俊.河道截流及流水中筑壩技術(shù)［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2009.（ZHENG Shou-ren，YANG Wen-jun.River Closure and Dam Construction Technology［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2009.（in Chinese））

［6］ 饒冠生，李學(xué)海，韓繼斌.實(shí)用施工水力學(xué)［M］.武漢：長(zhǎng)江出版社，2007.（RAO Guan-sheng，LI Xue-hai，HAN Ji-bin.Practical Construction Hydraulics［M］.Wuhan：Changjiang Press，2007.（in Chinese））

［7］ 李學(xué)海，韓繼斌，程子兵.減輕立堵截流難度措施研究進(jìn)展［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2010，（8）：29－33.（LI Xue-hai，HAN Ji-bin，CHENG Zi-bing.Research Progress in Technology of Reducing Difficulty of Vertical Closure［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，（8）：29－33.（in Chinese））

［8］ LI Xue-hai，HUANG Guo-bing，CHENG Zi-bing.Deepthickness Covering Layer Riverbed Closure Difficulty and Safety Control Countermeasures［C］∥International Symposium on Hydraulic Physical Modeling and Field Investigation.Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2010，9.

Critical Technical Issues of Diversion and River Closure Construction Under Deep-Thickness Covering Layer Condition

GUO Xi-ling，HUANG Guo-bing，LI Xue-hai
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

By theoretical analysis and model experiment，the features of different kinds of covering layers and the problems existing in the construction of diversion and river closure are analyzed.Critical technical issues under deep-thickness covering layer condition such as the covering layer stability，the covering layer protection，the stability calculation of closure block，the artificial block stability and the preventive measures against embankment collapsing in alluvial riverbed are studied also.In addition，the practical computation formula for block stability is improved，and the empirical equations for the stability calculation of hexahedron steel reinforcement cage are deduced.It is the first to put forward that the stop-move stability of tetrahedron steel reinforcement cage is obviously better than that of hexahedron steel reinforcement cage，yet their start-move stability differs slightly.

deep-thickness covering layer；diversion and river closure construction；bottom protection measures；block stability；steel reinforcement cage；stability calculation

TV551

A

1001－5485（2011）06－0010－06

2011-03-29

國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目（2008BAB29B02）

郭熙靈（1956-），男，河南方城人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土力學(xué)與工程研究工作，（電話）027-82820006（電子信箱）guoxl＠m(xù)ail.crsri.cn。

（編輯：姜小蘭）