降低截流難度及江河護堤拋投材料研究

蔡 瑩，黃國兵，車清權(quán)，楊文俊

降低截流難度及江河護堤拋投材料研究

蔡 瑩，黃國兵，車清權(quán)，楊文俊

（長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

優(yōu)化拋投物料的性狀、選擇實用性好的拋投材料是降低截流難度的措施之一。根據(jù)圓柱體的物理特性分析和截流水工模型試驗成果，順坡面拋投圓柱線體材料截流，材料可一次滾入龍口深槽，且在水下穩(wěn)定性好。拋投圓柱線體材料截流可保護戧堤坍塌、阻止截流材料流失。在節(jié)省材料、制作、存放、運輸?shù)确矫鎴A柱形體材料也具有明顯的優(yōu)點。圓柱線體拋投材料還可在江河堤防、水庫大壩緊急搶筑、支護中發(fā)揮作用。

拋投材料；截流難度；江河護堤；圓柱線體；坍塌；流失

1 概 述

橫跨江河修建水利工程需要提前修筑圍堰截斷水流，然后才能在圍堰的保護下在基坑內(nèi)進行旱地施工。在水深、流急的江河中利用土石材料截流過程中，水流紊亂、水下地形和戧堤形狀急劇變化，填筑圍堰的土石料處在松散狀態(tài)，此時要爭取時間搶筑戧堤存在巨大的困難和風(fēng)險，施工險情隨時都有可能發(fā)生。

長江葛洲壩水利工程大江截流時龍口寬度203 m，水深10.7 m，截流流量 4 800～4 400 m3／s，最大落差3.23 m，最大流速 7 m／s，合龍歷時 36 h，日拋投量72 000 m3／d，其中有25 t混凝土四面體及四面體串（3～4塊一串總重75～100 t）、3～5 t大塊石及大塊石串（3～4塊一串總重10～20 t）。長江三峽工程大江截流最大水深達60 m，龍口寬度130 m，截流流量11 600～8 480 m3／s，創(chuàng)造了日拋投強度19.4×104m3／d的世界記錄。三峽明渠截流是第3次在長江上截流，采用雙向進占上、下游雙戧立堵方式，截流流量為10 300～8 600 m3／s，上戧堤承擔(dān)最大落差1.73 m，下戧堤承擔(dān)最大落差1.12 m［1］。金沙江向家壩電站截流龍口寬度為79.1 m，最大流量2 350 m3／s，最大水深20 m，最大流速6.1 m／s，最大水位落差2.34 m，最大小時拋投強度3 225 m3／h，共拋投材料5.6×104m3，其中特大石、鋼筋石籠、混凝土四面體等特種材料約500 m3［2］。

工程實踐表明，戧堤坍塌和拋投料流失是截流施工過程中的主要困難［3］。戧堤大面積突然坍塌會給正在緊張施工的人員及機械造成極大的安全威脅，拋投料流失會加劇戧堤坍塌、增加填筑工程量、影響施工進度，這些困難因素都可能會導(dǎo)致工程截流投資增加。改善工程截流措施、優(yōu)化施工條件可降低工程截流難度。降低截流難度有多種途徑，優(yōu)化截流材料特性是重要措施之一。

江河堤防和水庫大壩長期在水流沖刷和雨水浸泡下，常會發(fā)生崩岸險情，導(dǎo)致重大工程安全事故。為保護大堤安全、預(yù)防堤防坍塌，有時需要拋石保護堤岸，研究實用性好的拋投材料可以增強應(yīng)急護岸效果。

2 散粒體填筑材料坍塌和流失分析

如圖1所示，利用散粒體土石材料沿坡面填筑的過程中，在材料自重G、顆粒間的咬合摩擦力f等力的作用下，拋投材料形成自然堆積邊坡，在穩(wěn)定狀態(tài)下堆積邊坡的坡面與水平面之間所形成的夾角φ為休止角。休止角的大小與散粒體粒徑、形狀及重度等因素有關(guān)［4］。在坡面高差較大情況下填筑時，由于顆粒間的咬合摩擦力f和自重G引起的下滑力G sinφ等的作用使得部分拋投料不能一次滑移到坡底，在坡面上形成一個暫時處于非穩(wěn)定狀態(tài)的堆積體。當(dāng)堆積體受到偶然作用失去平衡，處于休止角以上的堆積體就會突然坍塌下滑，坡面又處在一個新的平衡狀態(tài)。因此，在邊坡填筑土石散粒體，材料不能一次就位，即會導(dǎo)致坍塌現(xiàn)象發(fā)生。

水下堆積土石料除受重力和摩擦力作用外還受水力作用，填筑土石散粒料的穩(wěn)定過程與水上的穩(wěn)因此，拋投圓柱線體材料截流可獲得較好的到位和穩(wěn)定效果，此外在節(jié)省材料、制作、存放、運輸?shù)确矫鎴A柱形線體材料也有明顯的優(yōu)勢。定過程基本相似。在流水中拋投填筑料，水流沖刷會導(dǎo)致部分材料流失，水流動能愈強，材料流失量愈多。束窄龍口進占過程中，存在一個水流動能逐漸增強的區(qū)間，在這個區(qū)間內(nèi)水流對拋投料的擾動強烈，當(dāng)材料密度與幾何形狀等條件不能滿足抗沖要求時，拋投料可能會失去穩(wěn)定被沖出龍口范圍，造成拋投料流失。因此，拋投料流失的原因主要是材料的穩(wěn)定性不足。

圖1 散粒堆積體坍塌示意圖Fig.1 The collapse of granular deposit

為增強截流材料的抗沖能力，減少材料流失，確保截流的安全和成功，在龍口困難段截流時常拋投大體積人工預(yù)制塊體。人工預(yù)制拋投材料主要有混凝土四面體和鋼筋石籠等。

3 人工預(yù)制拋投材料

根據(jù)工程截流和江河應(yīng)急護堤要求，人工預(yù)制拋投材料應(yīng)能更好地在急流中一次就位并且具有較好的穩(wěn)定性，能有效防護坡面坍塌和阻止材料流失，并可提高施工拋投強度、節(jié)省工程材料。此外，在預(yù)制、存儲、吊裝、運輸和拋投等多方面應(yīng)具有較好的可操作性，力求總體降低工程成本。

在葛洲壩大江、三峽工程導(dǎo)流明渠等工程截流時采用人工截流材料有混凝土四面體（即邊長相等的三棱錐）。根據(jù)截流實施效果，拋投混凝土四面體截流施工程序繁瑣，不易提高截流材料的拋投強度，混凝土四面體在水下的迎流面積較大、材料密度偏低，不利于材料在水下的穩(wěn)定，此外混凝土四面體在制作、堆存、裝運等方面存在諸多問題，采用混凝土四面體截流成本高［5］。實踐表明，混凝土四面體截流效果不理想。有的工程在截流困難段采用了鋼筋石籠，鋼筋石籠防流失的效果較好，但拋投時存在材料不易滾落坡底就位的問題。

從物體滾動與滑動原理可知，相同材料在同一接觸面上滾動摩擦力小于滑動摩擦力，物體沿坡面滾動比滑動到位效果好。同體積物體，迎流面積小、接觸面積大、重心低的物體抗滑和抗傾覆能力強。與塊體或球體材料比較，同體積線體材料可獲得較大觸地面積并且重心低，順?biāo)鲯佂毒€體材料，迎流面積小、材料抗沖能力強；圓柱線體材料沿坡面滾動容易一次就位，能保護坡面坍塌和阻止材料流失。

4 圓柱線體拋投材料

4.1 材料結(jié)構(gòu)

用于截流或護堤的圓柱線體拋投材料是指長度大于直徑的實心圓柱體或管道，如圖2，采用鋼筋混凝土預(yù)制或鋼管制作。其長度和直徑等幾何尺寸應(yīng)綜合考慮施工拋投強度、預(yù)制、吊裝和運輸?shù)纫蛩亍榻档退鞯臎_擊力、提高材料在水下的穩(wěn)定效果，實心圓柱線體材料迎流端為流線形錐頭，空心圓柱線體材料的迎流端為薄壁銳緣體型；為避免橫向漂移，在圓柱體的側(cè)向預(yù)制穿孔可增強材料的透水性；為增強材料觸地摩擦力提高抗沖能力，柱體外壁可設(shè)置加糙肋［6］。拋投材料的就位和穩(wěn)定與材料的密度有關(guān)，材料密度過大可能會陷入前置填筑材料導(dǎo)致拋投料不能滾動就位，密度過小則容易被水流沖失。

圖2 圓柱線體拋投材料示意圖Fig.2 Cylindrical wire dumping materials

4.2 拋投方式

拋投截流材料時圓柱線體軸線應(yīng)順?biāo)鞣较?。根?jù)圓柱線體拋投材料的構(gòu)造特征，材料可用于工程立堵、平堵截流和平拋墊底，也可用于江河堤防、大壩缺口堵水以及堤防護岸等。具體工程實施前應(yīng)結(jié)合工程水力條件、土石填筑料的粒徑以及材料預(yù)制、存放、裝運等條件，參考模型試驗效果確定圓柱線體材料的幾何尺寸和其他物理參數(shù)（包括：直徑、長度、壁厚和密度等）。

用于工程立堵截流實施步驟如下：

（1）工程截流前，按要求預(yù)制圓柱線體材料。

（2）填筑土石料出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌和流失、截流進占受阻時，順流拋投圓柱線體材料在水下保護堤頭坡面，防止戧堤坍塌、阻止截流材料流失，如圖3。拋投材料時迎流端應(yīng)向上游。

圖3 龍口拋投圓柱線體材料示意圖Fig.3 Dumping cylindrical wire materials at the closure gap

（3）在圓柱線體截流材料的支撐作用下，在龍口上游拋投土石截流材料，當(dāng)跨越截流困難斷面后，可全斷面填筑土石截流材料合龍閉氣。如條件容許，也可采用圓柱線體材料填筑至水面，然后填筑土石截流材料閉氣。

4.3 效果分析

圓柱線體拋投材料截流預(yù)期效果包括應(yīng)用效果和經(jīng)濟性。應(yīng)用效果反映在應(yīng)用范圍和實現(xiàn)的功能效果；經(jīng)濟性應(yīng)從全過程、多方位比較。具體分析包括以下幾方面。

4.3.1 功效分析

根據(jù)材料的物理性能，圓柱線體拋投材料比塊體材料更容易到達龍口深槽部位，具有較好的到位效果和穩(wěn)定性，較強的抵抗水流沖刷的能力，可有效保護坡面坍塌、防止材料流失，并且可提高截流拋投強度。4.3.2 經(jīng)濟性分析

利用圓柱體拋投料截流，有利于提高截流效率，加快截流進度，保障截流安全和降低截流成本。一般混凝土四面體重約10～30 t，若用相同的材料制作空心圓柱體拋投料，可以獲得更多的填筑工程量，提高截流效率、節(jié)省原材料的用量。材料可回收重復(fù)使用，有利于實現(xiàn)專業(yè)化施工。

4.3.3 材料預(yù)制、吊裝、存放和運輸

相對塊體混凝土材料，圓柱體管材已有廣泛應(yīng)用。圓柱體材料預(yù)制、吊裝等操作技術(shù)成熟；預(yù)制成型的材料可橫向分層疊放，節(jié)省占地面積；使用自卸卡車運輸和傾倒截流材料也比較容易。

4.3.4 適用范圍

圓柱線體拋投材料可在圍堰、堤防和土石壩的緊急搶筑、支護中發(fā)揮作用，方便從岸坡拋投施工，可為缺少大石料的工程提供新的截流和護岸材料。

5 試驗驗證

為驗證圓柱線體拋投材料的截流效果，利用梨園水電站水力學(xué)截流模型對碎石、混凝土四面體、鋼筋石籠、圓柱線體材料的截流效果進行了初步比較試驗。

5.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

梨園電站位于云南省金沙江中游河段，上游與2家水電站相銜接，下游為阿海水電站，為我國西部大型水電梯級開發(fā)電站之一。梨園電站截流模型比尺為60，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。模型任務(wù)是為工程截流提供經(jīng)濟合理的截流方案，并指導(dǎo)截流工程順利實施。

5.2 試驗戧堤和龍口

電站為單戧單向立堵截流，戧堤頂寬25 m，水深約15 m。結(jié)合下游已實施截流的溪洛渡電站（單戧立堵雙向進占，戧堤寬40 m，水深約20 m）和向家壩電站（單戧立堵雙向進占，戧堤寬25 m，水深20 m）考慮，試驗采用單戧立堵雙向進占的截流方式，戧堤寬度25 m，水深控制在20 m左右。

5.3 試驗流量

梨園水電站截流試驗最大的流量為11月中旬P＝10%的平均流量1 260 m3／s，根據(jù)已完成的試驗成果分析該工程截流過程相對簡單。為盡可能反映圓柱線體拋投材料的截流效果，應(yīng)加大截流試驗流量。根據(jù)本工程的地形及水文特征，結(jié)合溪洛渡和向家壩電站截流實際最大流量3 650 m3／s和2 350 m3／s考慮，驗證試驗流量為 3 000 m3／s。

5.4 龍口拋投材料

驗證試驗拋投材料包括石渣、四面體、鋼筋石籠和多種類型的圓柱線體拋投材料，截流材料的規(guī)格、尺寸及其他參數(shù)見表1和表2。

表1 截流困難段試驗拋投材料及規(guī)格Table 1 Specifications and parameters of testing materials

結(jié)合戧堤堤頂寬度和施工交通需要考慮，試驗比較了長度為6 m，9 m和12 m（模型長度分別為10 cm，15 cm和20 cm）的不同材質(zhì)的圓柱線體材料的截流效果。

5.5 試驗過程

通過比較試驗成果，龍口寬度約30 m時，截流水力學(xué)指標(biāo)較高，拋投大石進占困難。比較試驗在拋投20～30 t四面體和18 t鋼筋石籠進占全部流失的極限情況下，改拋投圓柱線體材料，觀察不同圓柱線體材料的試驗效果。

表2 圓柱線體拋投料及規(guī)格Table 2 Specifications and parameters of cylindrical wire dumping materials

為便于比較各種圓柱線體材料的試驗效果，同一型號材料以10根為一組分別在堤頭軸線上、下游單根拋投，觀察材料的流失和就位情況。拋投料最終沖出戧堤下游坡腳以外即為流失，反之則為就位狀態(tài)。材料在堤頭就位分坡中以下（深槽至坡中）和坡中以上（坡頂至坡中）2種位置。表3是同一組次各種圓柱淺體材料拋投試驗到位情況的統(tǒng)計表。不同組次試驗結(jié)果稍有差異。

表3 不同拋投料的試驗效果統(tǒng)計表（每種材料各10根）Table 3 Cylindrical wire materials at the closure gap

5.6 試驗成果

通過水力學(xué)截流模型比較試驗，在拋投大石截流困難、拋投四面體和鋼筋石籠全部流失的極限水力條件下，拋投圓柱線體材料截流獲得的試驗成果如下：

（1）在截流困難段選擇適當(dāng)?shù)膱A柱線體拋投材料，可改善材料就位，減少截流材料流失，有利于戧堤穩(wěn)定，增強截流效果，加快截流進度。

（2）在試驗條件下，圓柱線體材料截流效果與材料的幾何尺度及物理指標(biāo)有關(guān)。圓柱線體拋投料長度為9 m和12 m、直徑約為前置材料粒徑的2倍、密度在2.0～3.0 t／m3之間，到位效果和水下穩(wěn)定性較好。長度較短（6 m）、密度較小（小于2.0 t／m3）的拋投料容易流失。直徑較?。ㄅc石渣粒徑之比小于1.5∶1）、密度較大（大于7.0 t／m3）的拋投料不容易沿坡面滾動到位。

（3）具體工程中應(yīng)用應(yīng)結(jié)合工程地形、水文和水流等條件與施工技術(shù)因素進行綜合研究。

6 結(jié) 論

截流龍口水力學(xué)指標(biāo)、龍口地形條件、截流拋投物料的性狀、截流進占方式和施工強度都是影響截流難度的因素。為突破“截流險工不計效益”的模式實現(xiàn)科學(xué)化截流，應(yīng)結(jié)合具體工程條件研究合適的對策，有助于降低工程截流難度和投資。優(yōu)化拋投物料的性狀、選擇實用性較好的拋投材料是降低截流難度的措施之一。

土石料是填筑圍堰的基本材料，在深水中沿坡面拋投土石料會造成戧堤坍塌，導(dǎo)致截流材料流失，戧堤坍塌和截流材料流失會影響截流進度、增加截流難度。為順利實施工程截流，常拋投大體積混凝土四面體或鋼筋石籠，實踐表明這些人工材料的操作性、截流效果和經(jīng)濟性并不理想。

根據(jù)圓柱線體材料的物理特性和水工截流模型試驗驗證效果，圓柱線體截流材料順坡面拋投容易一次滾動到坡底，材料在水下穩(wěn)定性好。拋投圓柱線體材料截流可保護戧堤坍塌、阻止堤頭材料流失，提高截流拋投強度，在節(jié)省材料、制作、存放、運輸?shù)确矫娑加忻黠@的優(yōu)點。

根據(jù)材料的構(gòu)造和功能特點，圓柱線體拋投材料還可在江河堤防和水庫大壩緊急搶筑、支護中發(fā)揮作用。在具體工程中應(yīng)用應(yīng)結(jié)合工程邊界條件、水流條件等技術(shù)因素進行研究。

［1］ 夏仲平.水利水電工程導(dǎo)截流技術(shù)［J］.水利水電施工，2006，100（4）：129－136.（XIA Zhong-ping.Diversion and Closure Technology in Water Resources and Hydropower Project［J］.Water Resources and Hydropower Construction，2006，100（4）：129－136.（in Chinese））

［2］ 孫志禹.向家壩工程大江截流技術(shù)解讀［J］.中國三峽，2009，（1）：25－28.（SUN Zhi-yu.Explains on Main River Closure Technology［J］.China Three Gorges，2009，（1）：25－28.（in Chinese））

［3］ 劉力中，郭紅民，柏 林.三峽工程大江截流戧堤坍塌問題試驗研究［J］.長江科學(xué)院院報，1997，14（4）：22－25.（LIU Li-zhong，GUO Hong-min，BO Lin.Experimental Study on Slumping Problem of TGP’s Main Channel Closure［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1997，14（4）：22－25.（in Chinese））

［4］ 詹義正，謝葆玲.散體泥沙的水下休止角［J］.水電能源科學(xué)，1996，14（1）：56－59.（ZHAN Yi-zheng，XIE Bao-ling.Under Water Angle of Rest for Non-cohesive Sediment［J］.Water Resources and Power，1996，14（1）：56－59.（in Chinese））

［5］ 蔡啟龍，嚴(yán) 毅，劉錦碧.關(guān)于混凝土四面體截流材料的探討［J］.水利水電科技進展，2006，26（6）：62－65.（CAI Qi-long，YAN Yi，LIU Jin-bi.Discussion on Tetrahedron Concrete for River Closure［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2006，26（6）：62－65.（in Chinese））

［6］ 蔡 瑩，車清權(quán)，楊 偉，等.一種減輕截流難度及江河護堤的拋投結(jié)構(gòu)［P］.中國專利：201020262637.5.2011－ 02－09.（CAI Ying，CHE Qing-quan，YANG Wei，et al.A Dumping Construction for Reducing Difficulty of River Closure and Dike Protection［P］.Chinese Patent：201020262637.5.2011－02－09.（in Chinese） ）

Dumping Materials for Reducing the Difficulty of River Closure and Dike Protection

CAI Ying，HUANG Guo-bing，CHE Qing-quan，YANG Wen-jun
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

To select applicable dumping materials and optimize their performance is one of the measures of reducing the difficulty of river closure.In light of the physical properties of cylindrical material and hydraulic model tests of river closure，the cylindrical wire materials are dumped along the slope surface，rolling down to the deep trough of the closure gap easily and remaining quite stable underwater.Cylindrical wire dumping material proves to be capable of protecting the closure dike from collapsing and preventing river closure materials from losing.Moreover，it has apparent advantages in terms of material saving，production，storage and transportation.It is also presented that cylindrical wire dumping material can be used in the emergent construction and supporting of river embankments and dams.

dumping material；river closure difficulty；dike protection；cylindrical wire material；collapse；loss

TV135.5

A

1001－5485（2011）06－0020－05

2010-08-18

國家“十一五”科技支撐課題（2008BAB29B02）

蔡 瑩（1965-），男，湖北浠水人，高級工程師，主要從事工程水力學(xué)研究，（電話）07l7-6832885（電子信箱）caiy0121＠163.com。

（編輯：劉運飛）