减轻立堵截流难度措施研究进展

李学海，韩继斌，程子兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

减轻立堵截流难度措施研究进展

李学海，韩继斌，程子兵

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

立堵截流难度包括抛石稳定性问题、截流规模问题、截流安全度问题。抛石稳定性涉及龙口水力因素、基础与抛投材料因素、人为因素等；截流规模涉及河道水文特性、分流条件等；截流安全度涉及堤头坍塌等。基于各影响因素及关联要素分析，归纳了减轻立堵截流难度的措施及其运用条件，包括提高导流建筑物分流能力及优化分流特性、双戗截流适用条件及落差分配控制、宽戗效应机理及其运用、增强截流块体抗冲稳定、平抛垫底提高截流安全度及其梯级调度、优化抛投方式、增大抛投强度等，探讨了深厚软基覆盖层条件下立堵截流存在的问题及其应对措施。

立堵截流；截流难度；水力参数；材料特性；床面糙度；深厚覆盖层；护底技术

1 立堵截流难度影响因素

截流是水利工程施工水流控制的关键环节，对整个工程的施工进度起着控制性作用。立堵截流以其操作简单、经济省时等特点成为目前主要的截流方式。在大江大河中，尤其在深厚覆盖层条件下截流，不仅截流流量Q、截流落差Z、龙口流速V等指标均较大，而且村子深厚覆盖层冲刷对块体稳定及戗堤稳定的不利影响，使截流难度显著增大。为确保截流工程安全，同时能够因地制宜，充分利用当地石材，实现安全经济的科学截流，在减轻深厚覆盖层条件立堵截流难度的措施研究成为备受关注的关键技术问题。

立堵截流难度包括与抛投体所受冲击力大小及所需抛投块体大小关联的抛石稳定性问题，与河道水文特性及河流宽、深相联系的抛投工程量、分流工程量大小及施工强度等关联的截流规模问题，及与截流进占过程堤头坍塌程度有关的截流安全度问题［1-3］。

影响立堵截流难度的因素很多，大体分3个方面：一是与河道及龙口水流条件关联的水力因素，主要有河道总流量Q0、分流建筑物分流量Qf、龙口流量Qn、截流戗堤的渗流量Qs、龙口最大流速Vmax、最终截流落差Zmax、龙口水深H以及河道总功率N0、龙口总功率Nn、龙口最大单宽功率Nbm等衍生指标；二是与基础、抛投材料关联的物理因素，主要有抛投材料和基础的物理力学性质（重度、尺度、形状及级配等）及床面糙度等；三是与人的决策关联的主观因素，主要有截流方案、分流建筑物型式及规模、抛投方式、抛投强度、上下游围堰的拆除程度、上下游的梯级调度措施等。

下面从上述主要影响因素入手，剖析减轻立堵截流难度的各项关键技术及适用条件。

2 改善龙口水力因素指标减轻截流难度

河道及龙口水力因素中，最根本的水力影响因素为截流流量Q0、最终截流落差Zmax、龙口最大流速Vmax和水深H。

2.1 减小截流流量以减轻截流难度

截流设计流量依据水文资料、工程特性、施工能力以及设计要求等确定。由于水文条件的不确定性，截流设计存在不同程度的风险。因此，截流实施前，需密切关注截流施工期工程当地的中短期水文气象预报信息，提高水文预报水平，以便抓住截流流量Q0较小时机实施截流以减轻截流难度；此外，对于上下游已有梯级开发电站的情况，可在截流最困难时段，通过调度减小上一梯级的下泄流量，从而降低截流难度。

2.2 提高导流建筑物分流能力以减轻截流难度

导流建筑物分流能力取决于泄水建筑物的布置与规模、导渠的平面和断面尺寸、上下游围堰的拆除情况以及下游水位等，是决定截流落差和截流难度的控制因素。截流总流量Q0一定时，分流能力愈大，截流最终落差Zmax愈小，截流难度也越小。分流建筑物的分流能力总体由分流建筑物规模决定，规模越大，分流能力越大，但工程造价也越大。导流建筑物规模需依据功能要求、经济比选确定。在总体规模确定后，如何提高截流期的分流能力，对减轻截流难度十分重要。

2.2.1 优化分流特性指标S

前苏联伊兹巴斯教授与列别捷夫教授提出了一个“排水质量指标”，即分流特性指标［4］：

式中F为图1所示阴影面积。

图1 分流特性指标示意图Fig.1 Schematic illustration of diversion property parameters

根据截流实测资料统计，S值一般在0.4～0.7之间，S值愈大，F所占面积愈大，即截流过程能在较长时间里处于较小截流落差获得较大分流能力状态，落差只在最后较短的时间内急剧增长，使得困难段时间缩短。这种泄水规律对截流过程十分有利，一般认为只要S值大于0.5以后，即为较好分流规律。因此，使分流建筑物具有好的分流规律是减轻截流难度的有效措施。

2.2.2 优化分流建筑物体型、尺寸提高分流能力

常见的分流建筑物有明渠、隧洞、导流底孔、永久泄水闸孔及其辅助消能设施、混凝土坝体的预留缺口、未完全拆除的前期围堰处的缺口和遗留堰埂等，其水流属性可分为明渠流、有压流及堰流三类，实际的分流建筑物多为上述单一类型及其组合。

（1）明渠流。明渠的分流能力取决于过水断面（形状、尺寸、高程）、湿周、底坡、糙率系数大小等，与转弯半径、进出口高程及水面衔接方式也密切相关。渠道底坡i愈大、糙率系数n愈小、过水面积A愈大，过流能力也愈大。当渠道底坡i、糙率系数n及过水面积A一定时，湿周χ愈小，通过的流量就愈大。提高明渠分流能力，需综合考虑以下方面：①过水断面确定需结合功能要求和经济比选进行，考虑明渠材料类型、有无通航要求及防冲防淤等问题，实施方案不一定是水力最佳断面，但应是兼顾各因素的最佳断面；②渠道开挖、衬砌力求平整，使糙率值尽可能减小；③进出口水流顺畅，衔接条件好，如能满足进出口水流与原河床水流夹角小于30°则更好；④进出口距离上下游土石围堰堰脚宜大于30～50 m；⑤明渠转弯半径R≥3B（B为渠道水面宽）；⑥渠道上下游口门前若有子堰，必须拆除干净，特别水下部分的拆除不能留下残埂；⑦在土质河岸，渠道过水时的最高水面，与基坑抽水到最低水位时，渠边与基坑之间的最短距离以小于2.5H为宜（H为渠水面与基坑水面的高差）等。

（2）有压流。有压流的分流能力大小，主要取决于分流建筑物的体型及有效作用水头。提高流量系数、扩大控制断面尺寸、提高有效作用水头均可增大分流量，从而减小截流落差，达到降低截流难度的目的。流量系数大小主要与导流建筑物的体型和建筑物边壁糙率及洞身长度（决定局部损失和沿程损失大小）有关。因而，体型优化可有效减小局部损失；洞壁施工水平的提高可适当降低糙率，减小沿程损失；扩大控制断面尺寸，可增大分流能力，达到降低截流难度的目的，但是要以增加分流建筑物的工程造价为代价，故需进行综合经济比选。

（3）堰流。分流建筑物中永久闸孔、溢流堰以及未完全拆除的围堰处一般都会出现堰流。淹没堰流的泄水规律优于非淹没堰流。对于因围堰拆除不干净而残存的垂直堰坎，淹没堰流较好的泄水规律是以水下开挖深度的显著增加和技术复杂化换来的。因此，在研究增大分流能力措施时，应作系统的综合比选。此外，广泛使用的WES剖面曲线型实用堰，堰顶附近存在负压区，负压的存在可加大了作用水头，增大过流能力，但堰面负压过大又会形成空蚀破坏和水舌颤动。在WES顶部曲线面上，溢流过程是缓流到急流的过程，负压增大过流能力是通过增大控制断面的泄流能力实现的。因而，可将负压发生点设计在临界水深发生的控制断面，并在该处设置掺气减蚀孔，使负压控制在允许范围，可达到既增大了泄流能力，又不致因过大负压产生空蚀破坏堰面。

2.2.3 合理确定上下游围堰拆除高程及宽度提高分流能力

理论上讲，上下游围堰拆除愈彻底，对提高分流能力愈有利。但实际工程中，往往要兼顾围堰拆除的费用和工期。围堰水下拆除难度较大，费用也较高，时间也很紧迫，因此，需通过研究合理确定上下围堰拆除高程，使之既可获得较大的分流能力，又可节省工程投资并缩短工期。

2.2.4 在导流洞进口下游设置丁坝提高分流能力

在截流工程中，可利用丁坝的壅水作用，在导流洞进口下游侧合适位置修筑堆石丁坝，提高导流洞的分流能力。如：官地水电站截流试验［5］，在导流洞进口下游、戗堤上游设置丁坝，有效地壅高了导流洞进口水位，提高导流洞的分流能力，从而有效降低截流难度。

2.3 采用双戗堤分担截流落差减轻截流难度

在立堵截流中，当截流流量、落差都很大时，可采取双戗堤同时进占分担截流落差，达到减轻截流难度的目的。要使双戗堤立堵截流的优越性充分发挥出来，必须解决好两个问题：一是依据工程具体情况，首先判别是否具备采用双戗堤立堵截流条件，其次能够依据截流河段的断面形状、底坡坡度以及水文条件及其他综合因素，按落差分配原则确定合理的双戗间距，使之满足双戗截流的水力控制条件，即两个戗堤各自的最大截流难度小于单戗截流的最大截流难度，同时下戗堤壅水达到能够改善上戗堤合龙时的最大截流难度；二是在实际施工中的落差分配与控制问题，其关键点为落差分配的敏感度问题。影响落差分配的因素，如截流河段的比降、水下地形及冲淤变化、护底条件及可靠性、两戗间距、两戗进占速度配合、岸坡条件及流态变化等，都会导致双戗堤立堵截流落差分配的随机性和敏感性增大。双戗堤截流的运用条件及落差分配与控制的关键技术有待深入研究。

2.4 运用宽戗效应降低截流难度

戗堤顶宽达30 m以上者，可称为宽戗堤。戗堤加宽，能够分散龙口落差，增加龙口水流沿程摩阻损失，显著降低龙口流速，减小抛投块体尺寸、重量，增大抛投强度，减少抛投块体流失，从而降低了截流难度。研究表明［6］：当龙口平均糙率珔n＝±0.05，流量及底宽一定时，行近水头总是随戗堤宽度变化而变化。当戗堤顶宽A与行近水头H0之比A／H0≤2～3时，水面线呈单降，仅有一次跌落，戗堤中心线处水深hc大于临界水深hk，此种流态与顶宽不足的宽顶堰流态类似；当A／H0＞2～3时，水面线有2次跌落，且当A／H0较小时，戗堤中心线水深hc较单降水面线时的hc有所降低，但仍大于临界水深hk，且（hc-hk）／hk随A／H0的增加而增加，类似于短明渠非均匀渐变流。其形态如图2所示。

由于戗堤和围堰的造价不同，一般而言，应尽量减小戗堤的工程量。但是，当截流工程的龙口落差和流速均较大，减小截流难度成为主要控制因素，且宽戗堤能成为坝身或围堰的一部分时，选用宽戗堤不会太大地增加工程造价，可结合备料情况、运输道路、施工设备、截流期限、抛投总量和抛投强度等因素综合比较选定。选择原则是采用的宽戗堤能有效降低截流难度，不影响总的进度要求，经济上比较合理。

当截流落差和龙口流速均较大，截流困难段历时较长。截流难度较大，但又不具备采用宽戗堤的条件时，可利用宽戗堤水力特性，采用水下“宽戗堤”降低截流难度。当戗堤进占进入困难段后，需改用大料进占，但当大料都难以稳定时，允许口门出现一定的流失，仍用中料和大料进占，这样势必在龙口后形成舌状体，随着舌状体的向下延伸，舌状体也开始堆积，逐渐形成舌状体平台。当舌状体延伸到一定长度后，舌状体不再延伸。此时，由于舌状体的存在，龙口水流沿程摩阻损失增大，分流量增加，龙口落差开始分散，加上舌状体平台起到了平抛垫底加糙的作用，块石稳定性提高，且舌状体两侧无戗堤约束，水流发生扩散，有效降低了流速，从而降低了截流难度，成功实现了合龙。由于舌状体平台降低截流难度的机理与宽戗堤类似，并处于水下，故称之为水下“宽戗堤”。在大渡河瀑布沟的截流试验中，就成功运用了水下“宽戗堤”降低了截流难度。

图2 不同戗堤宽度时的水面线实测形态Fig.2 M easured water surface line forms for different embankment w idths

3 提高截流块体抗冲稳定性以减轻截流难度

基于以上块体稳定的影响因素分析，可从以下方面提高截流块体稳定性。

3.1 增加块体重度提高块体稳定性

由式（2）可知，提高块体重度γ′，可两个方面提高块体抗冲能力。一是直接作用，二是当块体重量一定时，重度增大，体积减小，重心降低，因底部流速相对较小，更利于稳定。三峡明渠截流前作为后备措施对大重度四面体的稳定性进行了研究。研究表明［8］：在大石垫底情况下，30 t大重度四面体（γ′＝3.25 t／m3）的止动流速均值为8.64 m／s，30 t普通四面体（γ′＝2.40 t／m2）的止动流速均值为6.73 m／s，前者的止动流速明显大于后者，约提高28%。由于人工大重度抛投材料往往造价较高，一般只在截流难度很大的工程最困难段使用。

3.2 增大相对糙度提高块体稳定性

由式（2）可知，摩擦系数f越大，块体抗冲流速越大。依据日本学者岩恒雄一对球状体在不同糙度Δ的基面上的摩擦系数f的研究成果，f是连续依赖于Δ／D值的，f＝p+q（Δ／D）n。因此，提高相对糙度，可以有效增强块体稳定性。研究表明［3］：30 t大重度四面体（γs＝3.25 t／m3）的止动流速均值在光滑底板上为6.28 m／s，而在大石垫底时为8.64 m／s，由于抛投材料与床面的相对糙度Δ／D增加，材料与垫底大石的咬合作用加强，接触面上摩擦系数增大，使得相同块体的止动流速显著提高。

常用的工程措施有护底加糙、拦石坎、平抛垫底等。护底加糙，有保护软基河床和增加相对糙度作用。拦石坎可起到防止较小石料流失及加糙河床作用，通常在导流建筑物兴建之初即为将来的截流修建加糙墩（坎）；或在截流工程实施前通过打桩、设置拦石栅（桩）；或在截流工程实施前和实施过程中通过抛投大体积、大重度的块体形成拦石坎，加糙河床减少抛投材料的流失。平抛垫底除有增大相对糙度作用外，还起到减小水深预防堤头坍塌的作用。

3.3 通过优化块体形状提高块体稳定性

在葛洲坝大江截流前，曾对四面体、扭工字体、多角体和空心六面体4种体型材料的稳定性进行了研究，块重均为15 t，重度γ′＝2.4 t／m3。研究表明，在无覆盖层情况，块体稳定性主要取决于自身的形状特点，扭工字体和多角体较好，四面体较差；在有覆盖层时，块体稳定主要取决于覆盖层的稳定。在同一覆盖层上4种块体的稳定情况差别不大，但块型不同，其对覆盖层的适应性不同，因而最终抗冲效果仍有某些差别：四面体周围覆盖层易被带动冲走，故四面体起动最早但它重心低，滚动几下又停下来，并易使部分埋入砂中，不会冲得很远，框架大部分冲光，多角体也冲走不少，而四面体则大部分仍留在龙口附近。故此认为，在有覆盖层时，四面体适应性最好，其次为扭工字体。

3.4 采用块石串和四面体串提高块石稳定性

在无覆盖层情况下，串联比不串联好；3个捆成整体比串而不紧更好些。在有覆盖层情况下，未发现串而不紧，串联有助于稳定的作用。相反，动一个就牵动另一个（或另几个）失稳，反而增加了被牵动机率，破坏得更快更彻底些。块石串或四面体串的稳定性与抛投方式关系较大，如采用在戗堤45°上游角或戗堤轴线＂一＂字型抛投，稳定性较差，而采用在戗堤65°上游角抛投，并且保证有一块大块石或四面体落于低流速区，可对另外几块起到牵制作用，可大大增强四面体串的整体稳定性。

4 平抛垫底减小水深预防堤头坍塌提高截流安全度

在深水立堵截流戗堤堤头坍塌问题十分突出，如三峡大江截流，堤头坍塌直接危及堤头施工人员及施工机械的安全，成为了深水截流的关键技术问题。在深水截流中，堤头坍塌的主要影响因素为水深、水流作用、抛投料性质、浸水湿化作用、堤头机械荷载、地形因素、覆盖层厚度、抛投方式与强度等。研究表明：当水深由41 m减少至27 m时，其相应的平均坍塌面积、坍塌边离堤边平均距离最大值、最大单次坍塌面积分别减少35%，27%，36%；当水深进一步减少至20 m时，上述指标分别减少达64%，49%，55%。由此可见，对于深水截流，水深是影响坍塌规模和频率的一个最重要因素，减少水深可有效抑制堤头坍塌。实践中采用了平抛垫底措施，不仅可减少抛填部位水深及地形的陡变以预防堤头坍塌，还起到了加糙河床利于截流块体稳定作用。

5 深厚覆盖层条件下截流存在的问题及应对措施

以往研究表明，在有覆盖层河床条件下截流，抛投块体稳定主要取决于覆盖层的稳定。一般河床覆盖层由淤泥和中细砂组成，其起动流速远小于截流各阶段的龙口流速，在截流口门段河床未经护底时，随着口门的束窄，流速逐步增大，龙口附近河床势必形成巨大冲坑，带来抛投量的增加和截流施工时间的延长，还潜在以下破坏性影响：一是戗堤堤头基础的冲刷或淘刷，形成堤头坍塌，危及施工人员和施工机械的安全；二是在戗堤高度较大时，在渗透水压力作用下，戗堤下游边坡覆盖层基础沙层会形成管涌破坏，导致戗堤失稳和破坏，形成坍塌下游坡面滑坡。金沙江向家坝工程大江截流，覆盖层厚度达61 m，自上而下依次为砂卵砾石层、砂层、含崩（块）石的砂卵砾石层，截流河段未进行护底，现场观测和地形测量表明：龙口附近河床形成局部较大冲坑，导致戗堤堤头坍塌，截流难度增大。

潮州供水枢纽工程西溪截流实践表明［9］，截流河段护底是减轻深厚覆盖层基础条件截流难度的有效措施，其有效的前提是护底体系自身稳定。护底方案制定涉及护底范围、厚度选择及护底材料选择问题，需通过动床模型试验予以论证。此外，高水头深厚沙质覆盖层截流中，护底前铺设土工布，有显著的减压保沙作用，可减小管涌破坏，值得深入研究及推广。

6 其他措施

降低立堵截流难度的人为因素措施有上下游的梯级调度、围堰拆除高程控制、抛投方式、抛投强度、堤下埋管或用框架作抛料等，其中，上游的梯级调度、围堰拆除高程控制已在前面讨论。

对于处于下游梯级回水区的截流工程，可在截流时，适当抬高下游梯级库水位，以降低截流落差，降低截流难度。

在抛投方式上，可采用上挑角进占法，即先用较大石料在戗堤上游角进占，使戗堤上游角突出形成挑流，在挑流作用下，戗堤轴线及下挑角断面的流速会显著降低，有利于较小石料跟进。这种方法在实际截流中经常运用，效果较好。

增大抛投强度可有效抑制龙口抛投材料流失。极端地说，只要抛投强度远大于流失速度，任何材料都能够完成截流。但实际截流中人们能够实现的抛投强度是有限度的，需通过优化料场距离，充足备料、通畅道路、增加机械设备运载能力及数量等来增大抛投强度。

堤下埋管或用框架作抛料：如苏联高尔基电站，采用框架作抛料，增大戗堤透水性，加大渗流量，降低了龙口流量。

具体降低截流难度措施的选取，应结合工程的具体情况，因地制宜，注意每种措施的使用条件，使选取的措施具有科学性、有效性、实用性、经济性。

［1］ 肖焕雄，周克己.对截流理论与实践中几个问题的初步讨论［J］.水力发电学报，1984，（2）：90-100（XIAO Huan-xiong，ZHOU Ke-ji.Preliminary discussion on several problems of the theory and practice of river closures［J］.Institute of Hydraulic and Electric Engineering，1984，（2）：90-100.（in Chinese））

［2］ 樊元富.降低截流施工难度的对策分析［J］.中国水运（理论版），2007，（12）：18-19.（FAN Yuan-fu.The countermeasure analysis of reducing river closure construction difficulty［J］.China Water Transport，2007，（12）：18-19.（in Chinese））

［3］ 刘永悦，贺昌海，付文军，等.河道立堵截流难度的衡量指标研究［J］.水电能源科学，2009，27（4）：94-96.（LIU Yong-yue，HEChang-hai，FUWen-jun，etal.Research on index of end-dumping difficulty in river closure［J］.International Journal Hydroelectric Energy，2009，27（4）：94-96.（in Chinese））

［4］ 伊兹巴斯C B.河道截流水力学［M］.北京：中国工业出版社，1964.（Isbash C B.River Closure Hydraulics［M］.Beijing：Chinese Industry Publishing House，1964.（in Chinese））

［5］ 周宜红，邓锐敏，贾鸿益.丁坝对官地水电站截流影响试验研究［J］.人民长江，2008，39（8）：70-71.（ZHOU Yi-hong，DENG Rui-min，JIA Hong-yi.Experimental study about the effect of groyne on river closure in Guandi Hydropower Station［J］.Yangtze River，2008，39（8）：70-71.（in Chinese））

［6］ 肖焕雄，夏明耀，王年云.立堵截流龙口戗堤宽度效应的研究［J］.水利学报，1983，（4）：60-65.（XIAO Huan-xiong，XIA Ming-yao，WANG Nian-yun.Embankmentwidth effect study of the closure gap area in enddumping closure［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1983，（4）：60-65.（in Chinese））

［7］ 汪定扬.立堵截流实用水力学计算［J］.水利学报，1983，（9）：11-18.（WANG Ding-yang.Practical hydraulics computation of end-dumping closure［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1983，（9）：11-18.（in Chinese））

［8］ 李学海，唐祥甫，刘力中.明渠截流抛投体稳定性研究［J］.中国三峡建设，2002，（10）：26-27.（LIXue-hai，TANG Xiang-fu，LIU Li-zhong.Dumped riprap stability study for open channel closure［J］.China Three Gorges Construction，2002，（10）：26-27.（in Chinese））

［9］ 黄智敏，陈灿辉，罗 岸，等.潮州供水枢纽工程西溪截流试验研究与实施［J］.长江科学院，2003，（5）：21-24.（HUANG Zhi-min，CHEN Can-hui，LUO An，et al.Experimental study on west channel closure of Chaozhou Water Supply Project and its practice［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research，2003，（5）：21-24.（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Research Progress in Technology of Reducing Difficulty of Vertical Closure

LIXue-hai，HAN Ji-bin，CHENG Zi-bing
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The vertical closure difficulty can be divided into three key problems such as dumped rock-block stability，river closure scale and safety degree of river closure.Dumped rock-block stability involves several hydraulic parameters，such as closure gap，river foundation and closurematerials，human elements etc.River closure scale involves the river hydrology peculiarity and diversion condition etc.Degree of safety primarily relates to the embankment head collapse etc.In this article，by analyzing all influencing factors and their correlation degrees，themeasures to reduce the difficulty of vertical closure are summarized such as the optimization of diversion capacity，head fall distribution and control of river closurewith double embankments，wide banch effectand application，strengthening anti-scour stability of closure blocks，enhancing closure safety degrce by dumping cushion layer on the river bed，aswell as cascade reservoir regulation，dumpingmethod optimization and increasing dumping intensity etc.In addition，related problems and countermeasures of vertical closure under the condition of deep soft-foundation coverage layer are discussed.

vertical closure；difficulty of river closure；hydraulic parameter；material peculiarity；bed surface roughness；deep thick covering layer；bottom protection technology

TV551.21

A

1001-5485（2010）08-0029-05

2009-12-11

国家“十一五”科技支撑项目（2008BAB29B02）

李学海（1966-），男，湖南宁乡人，教授级高级工程师，博士，主要从事水工水力学模型试验研究工作，（电话）027-82829903（电子信箱）65689＠sina.com。