高落差截流工程的进展及其工程措施

1、水电站设计SHUIDIANZHAN SHEJI2003年 第19卷 第1期高落差截流工程的进展及其工程措施陈忠儒，陈义东，陈义武 （长江科学院，湖北武汉430010）    摘要：叙述了国内外河道高落差截流工程的进展情况。在龙口进占中，根据抛投块体的稳定理论对水力参数的计算可找到截流的困难段。立堵截流在运用伊兹巴什公式计算中，式中的稳定系数K考虑了戗堤端头坡度、河床底面糙度、石块、混凝土块以及单体、串体的影响。在减轻高落差截流难度方面，可通过对龙口范围采用石渣料、拦石坎、预抛填底保护，以及拦石栅辅以多戗、平堵等解决。并列举了典型工程实例。关键词：截流；龙口；立堵法

2、截流；水力计算；稳定计算 1前 言在水利水电工程施工期间的水流控制过程中，截断原河床水流，把河水引向导流建筑物下泄，再在河床中全面开展主体建筑物的施工，这就是截流工程。截流实际上是在河床中修筑横向围堰工作的一部分。在河床中截流是一项难度较大的工作。目前国内外戗堤截流的落差记录为：葛洲坝323m、恶滩466m、盐锅峡49m、百龙滩1329、麦克纳里5476m、托克托古718m、上土马10m、三峡导流明渠设计将达411m。截流流量记录为：三门峡2 030m3s、葛洲坝4 720m3s、三峡大江11 600m3s、三峡明渠设计为10 300m3s、斯大林格勒4 500m3s、伊太普8 000m3s。

3、截流戗堤通常是土石围堰的组成部分，在上游围堰背水侧布置排水棱体，有利堰体渗透稳定及良好的分流条件，如双戗和多戗截流的戗堤分别在上、下游围堰内，个别也将双戗布置在上游围堰的上下游坡脚，两戗堤间进行水下直接抛填黏土，如莲化、飞来峡等。截流龙口位置应选择在抗冲能力强的河床上，即在河床基岩裸露或覆盖层较薄处，以免在截流过程中河床产生冲刷，引起戗堤塌方下沉，并避开陡坡和深坑，以利抛投料和戗堤的稳定。在通航的河流，龙口一般选在深槽附近，有利合龙前的通航。无通航的河流，龙口应选在浅滩上，此处水流条件有利，戗堤的高度也较小。为改善龙口抛投料水流条件，提高抛投料的稳定性，最好通过水工模型试验进行预测。龙口宽度原

4、则上应尽量窄一些，以减少合龙工程量，缩短截流合龙时间。但需注意：在通航河道上多按通航条件确定龙口宽度，能否通航不仅取决于流速、水深和水面比降，而且取决于水流流态，为此必须进行水工模型试验，定出口门宽度和相应流量，如葛洲坝上戗堤220m、下戗堤200m；三峡大江为130m；前苏联斯大林格勒为300m，口门流速不大于3ms。在非通航河流上，龙口宽度多按进占时所用材料的抗冲能力决定，为了提高龙口的抗冲能力，需对龙口加以防护，包括护底和裹头，护底材料一般采用抛石、沉排、竹笼、石枕等。龙口护底范围应根据流量及龙口抗冲流速确定。 2立堵截流计算理论的进展由于有长江、黄河、珠江、红水河、松花江等干支流许多水

5、利水电工程的河道截流的原型实践及观测、模型试验的资料与经验积累，因而在立堵截流水力学理论研究及计算方面有了较大进展，获得了较多成果。21龙口进占水力参数在截流过程中，河道流量Q为Q1Q2Q3（Q1为分流建筑物流量；Q2为龙口流量；Q3为渗透流量），龙口泄流量Q2在龙口水深hhk（hk为龙口临界水深）时为非淹没流，如是梯形断面，H0龙口上游水头，m，计及流速水头影响，如有护底，则从护底高程算起；m流量系数，一般用03032。龙口流速取戗堤轴线断面处为准。龙口水深h按两种情况确定：（1）龙口为淹没流时，取hh1（h1为下游水深）；（2）非淹没水深，取临界水深，即hhk或h08 H。则龙口平均流速为

6、：   式中Z龙口落差。计算龙口截流过程中的诸水力学参数，目的是衡量合龙过程中龙口水面宽度的截流难度，以确定抛投料的稳定性及相应的抛投料级配量。葛洲坝大江截流进行了龙口水力特性曲线计算，得出Q1f（B）、Q2f（B）、qf（B）、vf（B）、zf（B）等关系。根据宜昌站实测总流量Q，各时段进占时水面宽度B，龙口上、下游水位，二江分流量Q2（数据见表1），可得葛洲坝实测龙口水力特征曲线：Q1f（B）、Q2f（B）（Q2QQ1）、q2f（B）（q2Q2B）、zf（B）等关系见（图1）。由于龙口平均流速v实测值较少，是根据实测龙口戗堤边坡坡度m、龙口底平均高度、ht、Q2、q2、

7、B、单宽功率N（Nrqz）值由式（1）、（2）算出。从图1可以看出，在龙口水面宽度B63m时，二江分流量和龙口流量相等为2 080m3s。截流困难段划分是近似的，但从实用观点分析，龙口水面宽度9020 m区段为困难段。实际施工是第三区段及第四区段初期为困难段。22 立堵截流抛投块石稳定问题221伊兹巴什公式式中K稳定系数，一般用090；      d抛投料的粒径，cm。    对于重量为G的块石，边长为a的立方体d=1.24a，边长为a的四面体d=0.61a，边长为a、b、c的矩形体。222司特芬逊公式式中 -块石

8、在水下止角；     -戗堤进占前沿面与水平面夹角。    立堵抛投的K=f(,)，参见文献2进行。2.3 立堵截流实用水力计算    长江科学院汪定杨于1983年提出了立堵截流实用水力计算。该文通过系列模型试验和有关实践观测，考虑了抛投料的稳定与河床岩面和护底岩块糙率的影响，给出了各个阶段的实用计算公式，要求只给出最终落差Zmax和截流流量。各个阶段截流块体抗冲稳定的计算式为：式中 h下-抛投区水深；     -河床面高出高度；   

9、   其余符号意义同前。式（5）、（6）、（6）中的1，2，和K值依据截流不同区段而变化，详见表2。在合龙阶段，取s240275，可得估算式d50Zmax3。 24简捷估算法根据前苏联在易冲刷的河道上积累的经验，当计算落差在050m以下时，可利用直径2030cm的普通块石截流；计算落差达22m以上时，在最后封堵龙口阶段可采用35t重的混凝土立方体和10t重的混凝土四面体；当计算落差在020m以下时，可用水力机械向流水冲填砂卵石混合料。也可用临界落差Zkp和块石直径d（折算为等同圆球直径）的关系表示：对于抛填在石基上的块石，d（072091）Zkp；对于抛投在同样型式的四面体

10、组成的地基上的混凝土四面体，d（071081）Zkp。Zkp的变化范围为最终落差Zmax的042057。块石抗冲稳定综合系数K，根据文献2的几个工程的截流实践经验算得：布拉茨克立平堵，K052；丹江口平立堵，K050；三门峡神门河立堵，K058；葛洲坝平立堵，K090。在岩基河床上给出的K值约为050090。设计中立堵时采用K为070左右，平堵时采用K为090左右，即能满足截流的块体重量。 25混凝土块体和串体抛投的稳定计算对于混凝土块体和串体抛投的立堵截流计算式仍用式（3）。由于对混凝土块体的稳定系数K尚缺乏系统的研究，根据葛洲坝工程部分模型试验资料整理得到的K值不是常数：当龙口水深h保持不

11、变时，位于相对光滑基础上的四面体，其当量直径d的变化幅度很大，而抗冲流速相差不大，但当dh045以后，K值急剧增大，稳定性大大提高。表3提供了不同糙率岩基面上混凝土块体的抗滑稳定系数。 串体的稳定情况比单个体稳定复杂得多，除了单个体的因素外，还取决于串联方式和每个块体入水后在不均匀流速场中位置，以及不等重块体的排列顺序等因素。工程实践中的串体可分两种情况：（1）葡萄串。由石块串联而成，如万家寨用35个大块石用钢筋连接而成，尺寸为1m×1m×2m，漫湾用46个铅丝笼（23m3个）串在一起。（2）混凝土块串体。如葛洲坝用2个混凝土四面体，用钢筋串联。块体直径估算仍按式（3）进行

12、，v采用龙口戗堤轴线断面平均流速，d是单个块体的化引直径，稳定系数K可参考表4的试验资料选用。 注：1）试验模型比尺1/80，立堵龙口糙率0.057-0.074，试验用的混凝土四面体和大块石的单个重量折合原型为542t。2）表中K值是止动试验的平均值，串体质心在上游角45°675°范围内抛投。表中单个块体的K值是在同样条件下得出的，列入供比较。3截流施工技术措施31减少龙口流量、流速、落差和改善水流的措施减少龙口流量的方法有：应用梯级电站控制下泄流量（如莲花）、开挖导流明渠或隧洞、增建截流闸（如三门峡）、堤下埋管或用框架作抛料（如前苏联高尔基电站）等。另外，漫湾用钢三角架及

13、成串的铅丝笼或大块石、四面体集中抛入缺口；还有用稳定性好、透水性强的异形块体增大戗堤透水性，加大渗透流量等。减少单宽流量的方法可采用宽龙口平堵，如斯大林格勒龙口宽300m。减小龙口流速的方法可用宽戗堤以增大龙口的沿程阻力，减缓龙口水力比降，如奥阿希戗堤宽273m。亦可用梯级电站控制增大龙口水深，如天生桥一级电站在合龙中将下游二级电站运行水位提高约4m，流速由505ms降至413ms。减少落差的方法可采用双戗、三戗以分散落差，如白山、隔河岩、莲花为双戗，二滩、卡搏拉巴萨、苏汉太等均为三戗截流；巴西伊泰普工程分流前采用四戗进占，分流后用双戗截流。为改善龙口流态，可改进抛投位置和方法，如立堵困难段采

14、用上游角突出或上、下游角同时突出进占，用大块料抛投上游角，挑开急流，造成堤端缓流区，使一般石料能抛投进占。32龙口的防冲措施为保护软基河床或覆盖层免遭冲刷，一般采用护底。护底范围目前尚无实用公式计算，一般由模型试验决定。根据前苏联的经验，护底上、下游长度分别为龙口最大流速处水深的23（上游）倍和34倍，即上下游护底总长度为水深的56倍，宽度为大于4 ms流速范围。护底材料常用的为块石（如古比雪夫）、砂卵石（三峡大江截流）、铅丝笼块石（如铜街子、梅林堤）、竹笼（如大化）、沉排（如波兰沃茨瓦维克）、化纤软体排（如大化、荷兰东席尔德）及柔性连接混凝土板（如武汉市天兴洲护岸）等。为增加河床抗滑稳定，在

15、龙口预抛各种块料加糙河床，形成拦石坎（如葛洲坝工程）。亦有设钢管或钢管混凝土拦石棚（如三门峡、青铜峡、岩滩、百龙滩），使用锚览（如大约瑟夫）或串体（如百龙滩、前苏联的乌斯特伊里姆斯克）等。对于深水河床，抛投砂卵石的堤头坡度，水下11或更陡，小于自然坡度113时，当其摩擦力小于卡车或大料扰动的自身重力时将产生下滑形成崩塌。为此必须预垫河床，减少水深，防止戗堤进占崩塌，如三峡大江截流水深接近60m，用砂卵石预垫河床至高程400m、水深约为20m左右时，达到顺利合龙截流。33特殊抛投料的选择增加块体自重常采用重型块（如葛洲坝、铁门用25t混凝土块）、大比重石料（如布拉茨克用比重为30的辉绿岩块）、各

16、种石笼（如葛洲坝为30t钢筋笼）、串块（如漫湾电站用15t四面体或铅丝笼双串）、甚至用巨型混凝土沉箱和沉船（九江干堤决口最大沉船长75m，满载1 650t煤，其他均为70150t船舶）。采用有利稳定的异形体，如重心低的四面体、框架或扭工字体等，高强度抛投，或先在戗堤头堆积大量块料，用推土机推入龙口，充分利用抛投料的群体作用，迅速实现截流（如龙羊峡仅用4h45min就进占合龙），这在山谷枢纽工地运输不便条件下更常采用。 4截流工程的发展趋势41立堵逐渐代替平堵用立堵逐渐代替平堵，即使是软基河床也较多采用立堵，这是由于采用护底措施和使用大型机械，使抛投重量和抛投强度大大提高，平堵建桥耗资费时，不如

17、立堵简单，经济合理。42趋向较高落差截流较高水头截流，可减少导流洞或导流明渠工程量。现代运输和吊装机械的发展及钢管柱或钢筋混凝土拦石栅的使用，使更大块重、更高抛投强度实现高水头截流成为可能。如在前苏联安加拉河上，1956年伊尔库茨克截流落差217m、1959年布拉茨克296m、1969年乌斯伊里姆38m、1987年鲍谷昌截流设计落差43m就显示了这一趋势。为实现高落差截流，中国三门峡鬼门河采用下闸门截流，落差708m，百龙滩用钢筋混凝土拦石栅截流，落差1329m，中国援建伊拉克的底比斯工程截流，落差85m。也有采用双戗或多戗截流的。43加大抛投强度，不用或少用大料由于施工机械容量不断增大，有尽

18、量利用一般石料的趋势。如我国1989年水口电站使用工地石渣加粒径0407m的大中石顺利截流；1997年三峡大江截流采用石渣混合料及以粒径0305m的中小石为主获得成功；伊太普用山场混合料（直径0612m）80万m3，抛投强度140 000m3d，二戗截流，落差6m；卡搏拉巴萨用400kg以下块石30万m3，三戗截流，总落差70m。在场地狭小、交通不便的山区河道上，还常采用在龙口边分层堆积石料，用推土机推入龙口，以加大强度，迅速合龙（如前苏联的英古里恰瓦克）。44有降低截流设计标准趋势通常一般按当月频率为105流量设计，但实践表明总是比实际偏大得多。据对我国24个工程的设计和实际流量统计，发现Q

19、pQ0（Qp为设计流量，Q0为实际流量）其平均为206。前苏联对15个工程设计频率为5流量的统计平均为207。据此看来，适当降低截流设计流量标准是合理的，且水文预报的进展，可为安排错过洪峰和调整施工计划提供条件。 5不同截流方式的典型工程实例51立堵截流（葛洲坝大江）葛洲坝大江采用立堵截流，预留龙口实际宽203m，用拦石坎护底，分流渠道为二江泄水闸和上、下游导流渠道。1981年1月2日开闸泄水，来流量4 720m3s，龙口落差由143m下降至10m。开始合龙时下导渠子硬缺口仅135m左右，与设计断面相差较大。但合龙进占顺利，速度很快，左右岸堤头平均推进速度30mh；至当晚20时30分，龙口缩窄

20、至127m，实测分流量966 m3s，下导渠子硬缺口处落差集中为092m，流速增大，口门冲深扩宽173m，深6m，泄流能力比预期的大，实测渠道粗糙系数为00250030，随着龙口不断缩窄，落差、流速增大。下导渠子硬缺口冲宽达317m，在合龙过程中，按设计要求进行了水力观测，测量了水位、龙口流速、流量和抛投料等，龙口合龙过程中的抛投料情况和水力条件与设计值相近。现对设置的四区分述如下：第一区段，龙口宽度由203m缩窄至120m，龙口落差099159 m，实测最大流速（02 H处）为3860ms，抛投料为大、中块石投上挑角，也用了少量特大块石和混凝土四面体，进占比较顺利。第二区段，龙口宽度由120

21、m缩窄至70m，龙口落差159214m，龙口实测最大流速（02 H处）为6065ms。该区段已进入拦石坎护底范围，抛投料为块石和混凝土四面体，挑角进占仍比较顺利。第三区段，龙口宽度由70m缩窄至20m，落差214307m，龙口实测流速为7075ms，流速过大，流态也坏，为合龙进占困难段，进占速度慢，使用了较多的1525t混凝土四面体和特大块石挑角才能进占，历时85h。第四区段，龙口宽度由20m缩窄至0m，落差307323m，最大表面流速75ms，两岸戗堤坡脚已连接，龙口形成三角形，水深、流速和单宽能量逐渐减小，但实际施工中仍比较困难，左、右岸都抛投了34串25t混凝土四面体。从1981年1月3

22、日7时上游龙口由左、右两岸戗堤并进合龙，至1月4日19时胜利合龙，历时56h23min。抛投料1062万m3。52深水河道立堵截流（三峡工程大江截流）三峡工程大江截流，设计流量14 00019 400m3s，河道最大水深60m。在模型试验中发现，在戗堤进占过程中，堤头抛投料有坍塌现象。原型施工中，在没有预先抛填时抛投石渣，风化砂堰体均发生坍塌。由于抛投料沿坡面滚落难以进入约90m长的河底，形成进占的累积抛投料坡面变成11或更陡，给截流带来困难。这就是深水河道截流的特点。为解决这一问题，经模型试验采用了预抛填底的办法。最后确定在龙口宽度为130m时，平抛垫底范围为顺水流向宽度140m、沿河床高程

23、40m以下的深槽部位、沿戗堤轴线长180m。上游戗堤龙口宽130m，下戗堤口门束窄至202m，采用双向立堵方式。1997年10月2627日，上左右戗堤同时进占共90m，形成龙口40m，此时龙口流速39ms，落差06m，堤头用0407m的石头裹头。下戗堤尾随进占，形成宽180 m的龙口。当龙口流速小时，采用抛投中石及石渣，堤头全面推进，抛投强度达4 083m3h；当龙口流速大时，采用凸出上挑角施工，挑角宽812m，长58m，主要采用自卸汽车堤头集料、推土机赶料方式抛投。当出现堤头无进占时，改用抛投大块石和特大块石，才能继续推进。当龙口束至81m时，实测流量11 600m3s，流速42ms，落差0

24、66 m。11月8日龙口宽40m，采用凸出上挑角施工，用特大石或大、中石抛填，石渣料在下戗堤尾随抛投跟进施工，历时7h顺利合龙，下游戗堤也随后3h合龙。53双占立堵截流（太平湾水电站）太平湾水电站位于辽宁省宽甸县鼓楼子乡，鸭绿江干流下游中国一侧，截流量受水丰电站泄流控制，预计为1 085m3s，实际为750m3s，截流采用上、下游双戗立堵法。分流建筑物为左侧29号31号坝段的3孔溢流坝、23号28号未完成坝体，底板高程13m，闸墩顶已到截流水位以上，孔宽14m。下戗堤长分别为181m、183m，上戗堤从右岸向左岸进占，筑到堤顶高程18m，下戗堤左右岸同时进占，筑到高程16m。当流量为1 085

25、m3s，上戗堤龙口宽50m，下戗堤龙口宽100m，上、下戗堤龙口错开。流经上戗堤龙口水流由急流变成缓流，斜向右侧直指下龙口流向下游。来流量受水丰电站控制，由750m3s降至550m3s，导流围堰引渠清除干净，过流顺畅，给截流进占创造了有利条件。进占初期，上86游引渠、梳齿、尾渠及龙口处流态良好。双戗落差分配为，上戗占总落差的34，下戗占14。在6日13时26分至14时02分合龙过程中，龙口当时宽度为15m，抛投料42车共672m3。上游最高水位160m，落差13m，龙口流速30ms，抛投料最大粒径80100cm。上、下戗堤总抛投量为2 453车共36 946 m3，最大强度6 412m3班。工

26、程于1988年9月22日14时开始进占截流，10月6日14时完成，实际用时4天。54三戗堤截流（二滩水电站）二滩水电站位于雅砻江下游，导流建筑物为左、右岸各一条隧洞，隧洞断面尺寸175m×230m（宽×高），采用三戗堤截流。其位置：1号戗堤在上游围堰护坡处，紧邻导流洞进口；15号戗堤在围堰黏土心墙下游侧；2号戗堤位于下游排水棱体处。三个堤顶高程1020m，间距106m和31m。2号戗堤用平堵，在2号堤架设长1357m的三跨围堰钢桥，桥面宽6m，该桥由两岸桥台和“Y”型钢支架支撑。用20t自卸卡车从围堰桥向河里侧翻倾倒粒径070m的石料，对河床进行保护。当时流量1 900 m

27、3s，上下游水位差050m。1993年11月10日在围堰轴线及其上游开辟两个立堵进占，形成三个戗堤截流。2号戗堤于12日起立堵进占，至11月21日龙口抛填高程达1012710137m，至25日左导流洞分流前（11月21日右导流洞分流）龙口缩窄至50m，落差387m，龙口流速618m3s。15号戗堤在进占加宽过程中，由于2号戗堤的壅水作用，用0506m粒径石料左右同时进占顺利，留龙口宽50m。合龙选在15号（中戗堤）进行，26日下午3时25分立堵合龙。抛投块石粒径1m以上，最大超过3m。15号和2号戗堤前水位各分担落差277m、217m。来流量1 090m3s，流量分配左导流洞440m3s，右导

28、流洞600m3s，戗堤渗漏50m3s。龙口下游堆石呈陡坡状，坡比17。平堵块石堆积长约80m，表面粒径一般大于07m，大的达15m。55拦石栅截流（百龙滩水电站）百龙滩水电站位于广西马山县与都安县交界处的红水河中游，截流流量选用重现期5年、11月下旬的平均洪水流量1 270m3s。截流布置：截流段在左河槽底高程9497m，右岸分流引水渠高程1173m，两者相差23m。待截流合龙断流后水位壅高到1173m高程才能分流。戗堤长18738m，分四个区，区戗堤长9385m，为预进占段，用小于02m的石渣抛投进占；龙口段长9353m，分、区，区为合龙段。截流方式为上游单戗立堵法，从右向左单向进占，到龙口区采取左、右岸双向进占。分流建筑物为长390m、宽100m的厂房引水渠，经冲沙孔、冲沙闸及船闸、厂房尾水渠流向下游原河床。为解决龙口高落