水電工程中截流方式淺談

梁禮繪

摘 要：目前國內進入水電工程建設高峰，相關施工、設計、監理等單位正逐步進入國際市場，開展相關水電工程導流、截流、施工組織等分析研究，采取合理與科學的截流施工方法，為國際工程截流的工期進度、質量等提供經驗及技術支撐。

關鍵詞：截流方式 水力指標 立堵法

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0033-03

水利水電工程常用戧堤法進行河道截流，即在流水中拋填石渣、塊石、石籠、預制混凝土塊等截流料物構筑戧堤截斷河道水流，同時迫使河水改道從已建分流建筑物下泄。

截流方式可歸納為戧堤法截流和無戧堤法截流兩種。戧堤法主要有立堵法和平堵法，還有衍生出來的平立堵混合截流法等其他方法。無戧堤法截流主要有建閘截流、定向爆破、浮運結構截流等。

截流方式的選擇往往取決于截流難度水力指標或截流施工機械設備，該文主要論述截流難度及立堵截流法。

1 截流難度水力指標

截流水力學計算包括截流過程中各階段上游水位，口門流量、落差、流速等水力參數及拋投材料穩定計算等。截流水力學試驗性很強，截流水力學計算公式中計算系數值甚至計算表達式大多是通過模型試驗得出的，有些還通過原型觀測驗證。由于截流過程中復雜的動態變化的水力條件，理論和計算皆難以準確表達和定量，截流水力學計算具有相當程度的局限性和近似性。所以大、中型截流工程一般應通過水工模型試驗驗證并對復雜技術問題進行試驗研究。大型截流工程在截流實施過程中尚應進行原型觀測，其目的主要是對動態變化和水流邊界條件和水力要素進行實時監測，根據變化了的水情和水流邊界條件，擬定對策措施，指導施工順利開展。

截流水力學計算包括截流施工過程中各階段上游水位，口門泄流量、落差、流速、水深、最大單寬流量等水力參數。

1.1 截流難度的定義

迄今為止，國內外鮮有資料精確定義截流難度，一般文獻資料中多有對“截流困難段”的提及，其判別方式往往是通過考量龍口最大落差、最大流速或最大單寬等進行綜合判定，由于這種多參數的綜合判定難以找到臨界值（或者難以確定哪個參數是控制因素），從而導致在截流設計或者截流施工中對困難段的選取隨意性較大，繼而造成困難段拋投材料浪費，且實際截流施工過程中以上參數并不能直觀表現，不利指導現場施工。

截流難度的實質是截流拋投材料的穩定性問題。即假定將同一標準特性塊體拋入A龍口，其迅速穩定（或流失量較少），而將其拋入B龍口，其不能穩定（或大量流失），那么A龍口的截流難度顯然小于B龍口。

截流拋投材料的穩定主要涉及如下兩個問題。

（1）標準特性截流塊體及其拋投時刻如何選取？

（2）該塊體的穩定性具體判別數值是多少，其對應的難易程度是什么？

1.2 截流難度判別指標

為便于統一判別標準，并利于實際截流施工操作，應對判別指標相關的邊界條件進行統一。

1.2.1 標準塊體及拋投時刻

（1）拋投標準塊體時刻。

統計資料表明，立堵截流最困難階段是即將出現三角形斷面的時刻。如果將拋投條件定義為形成三角形龍口的時刻，雖然比較容易判斷并便于操作，但是可能錯過最困難的截流時刻，理應在最困難時刻出現之前獲知截流難度。

初步設想將拋投時刻選擇為：龍口寬度為4H的時刻（H為戧堤高度），具體取值有待進一步研究探討。拋投標準塊體時刻如圖1所示。

（2）標準塊體。

標準塊體的選用應具有通用性和利于操作，并便于穩定計算分析以便獲得判斷指標。

為方便計算暫定標準塊體為邊長為1m的混凝土立方體。

1.2.2 穩定性判別指標

將拋投材料沉入河底（或截流堆石體）后，經過移動某一距離（這個距離不長，在截流拋石體設計斷面以內，有時這個距離甚至趨近于零）而后穩定下來，并且不再起動，則稱這個拋投材料是穩定的。

根據以上定義，則判別穩定與否的最終標準為拋石沖距。

根據一些試驗及理論分析，拋石沖距可按以下公式計算：

。

式中：

—拋石沖距，；

—所拋塊石的水力粗度，；

—沿水深方向的垂線平均流速，；

—龍口水深，。

根據上式可知，沖距是、及的函數，而水力粗度為常量（當塊徑確定后，即采用標準拋投塊體），而、在流量及龍口寬度確定后亦可求得，則最終可求解拋石沖距。

拋石沖距可按下式求解：

。

式中：（按邊長1m混凝土立方體計算）

（忽略行近流速）

由上兩式可得：

取m=0.32，則有：

。

由上式可見，拋石沖距是龍口水深的函數。

根據對拋投塊體穩定性的定義可知，當時（假定戧堤坡比為1：1.5）則拋投塊體將留置于截流戧堤內，那么認為該拋投材料穩定，反之該拋投材料不穩定，即：

。

綜上可得：

（1）若采用拋投材料穩定性對截流難度進行定義，則龍口水深是衡量截流難度的標準。

（2）在拋投標準時刻（龍口頂寬4H時）對龍口水深進行計算，若，則認為標準拋投材料（邊長為1m的混凝土立方體）是穩定的，反之不穩定。

2 立堵截流類型及其適用條件

立堵截流是指利用自卸汽車配合推土機等機械設備，由河床一岸向另一岸，或由兩岸向河床中間拋投各種物料形成戧堤，逐步進占束窄過水口門，直至合龍截斷水流。由于拋投進占系在戧堤頂面的干地上進行，有利于采取適宜的拋投技術。但龍口單寬流量隨龍口縮窄而增大，流速也相應增高，直至最后接近合龍時方急劇下降，故水力學條件較之平堵截流為差。另外，由于端部進占工作面積相對較小，故拋投施工強度受到限制。endprint

立堵截流是我國水利水電工程截流的傳統方法，鑒于目前大容量裝載、運輸機械在國內大型水利水電工地的普遍使用，拋投施工強度及塊體粒徑大小已不是制約因素，立堵截流應予優先采用。20世紀80年代以來，國內外水利水電工程截流已趨向于采用立堵法或立堵法為主的截流方法。

根據進占方向、戧堤數量及戧堤頂寬等分類方法，立堵截流又可細分為數類，具體分類見圖2。

2.1 單向進占立堵截流

顧名思義，單向進占立堵截流是指利用截流機械設備，由河床一岸向另一岸拋投各種物料形成戧堤，逐步進占束窄過水口門，直至合龍截斷水流，見圖3。

2.2 雙向進占立堵截流

雙向進占立堵截流是指利用截流機械設備，由河床兩岸向河中拋投各種物料形成戧堤，逐步進占束窄過水口門，直至合龍截斷水流，見圖4。

2.3 單戧堤立堵截流

單戧堤立堵截流是立堵截流方式的一種，截流時只布置一個戧堤，該戧堤一般布置在上游圍堰內，見圖5。

2.4 雙戧堤立堵截流

在立堵截流中，當截流流量、落差都很大的條件下，可選擇雙戧堤甚至多戧堤立堵。截流時布置兩個戧堤，兩個戧堤一般分別布置在上、下游圍堰內，個別工程也有將戧堤布置在基坑范圍內，見圖6。

2.5 多戧堤立堵截流

由于截流難度太大，從而布置多個截流戧堤，以期每個戧堤分的那一定落差，從而降低截流難度，見圖7。

2.6 普通戧堤立堵截流

本段所述普通戧堤指戧堤頂寬，并且相對寬戧堤而言。

戧堤頂寬主要根據截流進占施工強度的需要及施工車輛等要求，經分析確定。參照國內外立堵截流經驗，堤頭有2個卸料點同時供10t級自卸汽車拋投，頂寬一般為10～15m；堤頭有3個卸料點同時供自卸汽車（配合使用推土機）拋投，頂寬一般為15～20m；當用30t級以上自卸汽車時，為20～25m。依此類推，拋投強度越大，堤頂寬度越大。

2.7 寬戧堤立堵截流

常規立堵截流的戧堤頂寬一般不超過20～25m，因此從傳統習慣上看，戧堤頂寬達30m以上者，可以稱為寬戧堤。從水力學觀點看，戧堤加寬后，增加了龍口的水流沿程磨阻損失，可以降低龍口水流流速；從施工上看，戧堤頂寬加大后可以提高截流拋投強度，并有利于抑制拋投截流材料的流失。

寬戧堤的寬度效應也并非愈大越好，而是在a/H（戧堤頂寬/龍口水頭）略大于2～3后，寬度效應反映已趨明顯，繼續增寬，寬度效應并未成比例增大。一般當a/H小于2～3到a/H略大于2～3范圍內，寬度效應反映最明顯。這時龍口內一般都能形成淹沒流，可以充分發揮寬戧堤截流的優越性。

3 結語

目前國際工程項目越來越多，而相應的水文等設計基礎資料匱乏，如老撾南歐江梯級工程，河水陡漲陡落，2013年枯期遭遇100年一遇洪水，汛期遭遇10年一遇洪水，截流時需引起足夠的重視和警惕，避免發生施工事故。

該文淺談了各種截流方式，對國內外水電站工程具有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] SL623-2013，水利水電工程施工導流設計規范[S].

[2] DL/T 5397-2007，水電工程施工組織設計規范[S].endprint