深厚覆盖层条件下施工导截流关键技术问题研究

郭熙灵，黄国兵，李学海

深厚覆盖层条件下施工导截流关键技术问题研究

郭熙灵a，黄国兵b，李学海b

（长江科学院 a.院长办公室；b.水力学研究所，武汉 430010）

分析了不同类型覆盖层的特点及导截流存在的问题，通过理论分析和模型试验，对深厚覆盖层条件下导截流工程存在的覆盖层稳定特性、覆盖层防护、截流块体稳定计算、人工块体稳定性问题以及淤积型覆盖层河床预防戗堤坍塌措施等关键技术问题进行了研究，完善了块体稳定计算实用计算公式，拟合了六面体钢筋笼的稳定计算经验公式，首次提出相同重量的四面体钢筋笼的止动稳定性明显高于正六面体，而起动稳定性相差不大。

深厚覆盖层；导截流；护底措施；块体稳定；钢筋笼；稳定计算

1 概 述

水利水电建设中，导截流及围堰工程作为水流控制的关键工程，其安全控制问题一直得到建设各方的高度关注。前苏联伊兹巴斯教授基于前苏联的工程经验在20世纪40年代率先提出了导截流的相关理论［1］，我国肖焕雄教授在对众多导截流工程的实践与总结基础上，于80年代出版了中国第一本《施工水力学》［2］，进一步推动了该学科的发展。长江水利委员会设计和科研人员，在葛洲坝、三峡工程等特大型水利工程的诸多导截流工程实践中，也创造性地解决了许多设计施工中存在的技术难题，取得了一系列处于国际领先水平的科研成果［3－6］，积累了很多成功的经验，并形成了系统、可靠的设计理论。

为了充分开发利用水利水电资源，世界上越来越多的工程建在了深厚覆盖层河床上。以往经验和理论还不足以完全解决覆盖层条件下导截流工程出现的一些新问题，有待进一步的完善与发展。本文结合长江科学院主持承担的国家“十一五”科技支撑项目“深厚覆盖层条件导截流及围堰安全控制技术”，论述深厚覆盖层河床施工导截流的关键技术问题的相关研究成果。

2 覆盖层分类及存在的导截流问题

2.1 覆盖层分类

河谷深厚覆盖层在全球范围的河流中都有分布。按覆盖层河床成因大体分为2类：

一类为淤积型覆盖层，由泥沙淤积形成，多由泥质粉细砂、泥质砂砾石、淤泥质粘土、淤泥以及中粗沙等组成，其抗冲能力极差，多分布于河道坡降较缓的中下游河段及沟槽较多的河段。

另一类为堆积型覆盖层，由全球气候变化、海平面升降、地壳运动等综合因素形成，其颗粒较粗、结构较复杂，多为砂卵砾石层、砂层、含崩（块）石的砂卵砾石层、粗粒土层、含漂卵砾石层等，且孤石分布较多，多分布于各大河流坡降较陡的上游河段。国内外典型工程见表1。

2.2 存在的导截流问题

覆盖层条件下的导流问题，最为突出的是与覆盖层冲刷关联的导流方案选择、围堰安全及边坡防护等问题。若设计不当，会因覆盖层的冲刷变形而发生稳定破坏，进而危及整个工程安全。

淤积型覆盖层河床截流，会因覆盖层的低抗冲能力及高渗透性等特点，在截流过程中形成戗堤坡脚的冲刷性破坏、戗堤渗漏管涌破坏、龙口护底体系的自身稳定破坏等，并延长截流困难段时间，如备料不足或不满足抗冲要求，甚至会导致截流失败。

堆积型覆盖层河床截流，因多分布于山势陡峭、河道狭窄、水面比降较大的山区河道，一般具有截流流量大、截流落差大、龙口流速高、施工强度大等特点，会因河道狭窄、水流湍急而造成护底施工困难。在不护底条件下，戗堤堤头会因覆盖层冲刷或淘刷导致堤头坍塌，危及施工人员和机械的安全。

表1 国内外覆盖层河床典型工程Table 1 Typical projects built on covering layer riverbed in China and abroad

因此，无论是导流还是截流，均存在与覆盖层冲刷关联的一些新的技术难题，如覆盖层的抗冲稳定特性、覆盖层的有效防护措施、覆盖层条件下的截流抛投料稳定特性及降低截流难度措施等，以往的经验和理论均有待进一步完善和发展。

3 覆盖层的抗冲稳定问题研究

3.1 覆盖层稳定影响因素

河床覆盖层稳定性的影响因素主要有覆盖层特性、水流条件及边界条件等。覆盖层特性包括覆盖层组成、颗粒大小及级配、厚度、表面粗化结构、排列以及板结特性等；水流条件包括水深、流速及其垂线流速分布等；边界条件包括河床束窄程度、导流明渠的尺度、型式以及截流戗堤尺度、进占方式（单向还是双向进占）、堤头形态、覆盖层变形影响、抛投料的流失及堆积形态（抛投料是否形成舌体）等。覆盖层的起动流速及冲刷深度与上述因素密切相关。

3.2 覆盖层的起动流速

（1）淤积型覆盖层：颗粒较为均匀，可采用均质沙公式计算。起动系数K值选择需综合考虑覆盖层级配、水深以及流速分布等特性及各公式的适用条件。

（2）堆积性覆盖层：属于非均匀沙。级配较窄时可依据覆盖层中值粒径d50，选用卵石推移质均匀沙起动流速进行近似计算。当级配较宽时，覆盖层表层在水流作用下会产生粗化现象，形成较粗颗粒或卵砾石粗化层，其起动流速计算十分复杂，简单采用覆盖层中值粒径计算d50，则会与实际产生较大误差。

3.3 覆盖层的冲刷深度

对于导流中的冲刷问题及截流龙口下游河床的溯源冲刷，可采用一般冲刷深度公式计算，当水流平行于岸坡时，采用（1）式计算；当水流斜冲防护岸坡时，采用（2）式计算。

式中：hB为局部冲刷深度；hp为冲刷处的深度；珔V为平均流速；V允为河床面上允许不冲流速；n与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n＝0.25。

式中：Δhρ为从河底算起的局部冲刷深度；α为 水流流向与岸线间夹角；m为防护建筑物迎水面边坡系数；d为河床覆盖层粒径；υi为局部冲刷流速。

对于截流龙口可采用局部冲刷深度计算公式进行估算。当河床覆盖层级配不均匀时，在水流作用下会出现表层粗化现象，而使得实际冲刷深度减小。淤积型沙质河床粗化后河床冲刷与否，主要以是否形成稳定的沙波为准；堆积型卵石夹沙河床冲刷与否主要与表面粗化结构有关，一旦表层粗化结构被破坏，如被挖去或被更强水流冲刷破坏，其下层或周围的细颗粒又会被冲走，新的粗化又将开始。

4 覆盖层的防护问题研究

4.1 导流工程的覆盖层防护措施

覆盖层河床上的导流工程关注的防护问题主要是围堰堰脚、两岸边坡以及导流建筑物出口消能工的安全问题［7］。

4.1.1 优化导流方案，减小防护难度

覆盖层条件下的导流方案拟定，需依据覆盖层分布及其特性，综合考虑河道允许束窄程度、围堰安全、边坡防护等因素予以调整。束窄河床导流方案，需重点考虑围堰束窄程度及纵向围堰安全问题。围堰束窄过大会导致河道流速增大而引起河床冲刷变形，给纵向围堰堰脚保护及河床通航带来困难。如：前苏联萨阳－舒申斯克工程，第一期围堰将河床束窄至原河道宽度的42%，河道最大流速达10 m／s，使纵向土石围堰堰脚保护较为困难。有些工程虽然地形条件适合束窄河床导流，但因河床有深厚覆盖层使得纵向围堰基础防渗防冲处理困难，不得不采用明渠导流方案，在岸边台地挖明渠，修建纵向围堰。如：水口水电站，河床覆盖层深厚且水深较大，不利于修建纵向围堰，初期导流采用右岸大明渠方案。

4.1.2 “守点护线”防护，确保围堰安全

我国北江飞来峡工程，为满足通航条件，采取束窄河床导流，为确保纵向围堰安全，经试验研究，对纵向围堰采取上、下游裹头，迎水面、局部易冲区铺设铅丝笼块石或砼柔排的“守点护线”的防护方式，使导流河床和纵向围堰经受住了4年导流期中接近20年一遇设计洪水流量的考验。

4.1.3 “扩宽挖深”明渠，减轻防护难度

铜街子水电站采用明渠导流，出口段砂卵石覆盖层厚15～24 m，其下为软弱粘土岩，为此扩大了出口过水断面以降低速度，设置挑流墙将主流挑向右岸主河槽，还采取降低明渠出口底板高程等措施，使水流以波状水跃与下游水面衔接，有效防止了明渠出口段的冲刷。

4.1.4 消能防护结合，确保出口安全

采用隧洞导流方案，需考虑导流洞出口消能设施及下游岸坡的安全及防护措施问题。出口消能设施需采取足够标号的砼保护，为防止覆盖层的溯源冲刷和回淘，需在消能设施尾部及边岸设立与基岩连接的砼齿墙。

4.2 截流工程的覆盖层防护措施

对覆盖层河床截流龙口实施护底或平抛垫底，不仅可提高龙口河床的抗冲能力，减少龙口河床冲刷及后续截流的工程量，而且可增大河床糙度，提高后续抛投料的稳定性，减少抛投料流失量。确保护底措施的有效性，需对护底材料粒径、护底范围及厚度进行合理选择。

4.2.1 护底材料

常见的护底材料有钢丝笼、四面体、杩杈体、透水六面体以及大石、特大石等。护底材料粒径计算，为起动问题，其相关计算参数选择应按可能遭遇的水流条件及边界条件确定。

4.2.2 护底范围及厚度

护底长度可依据龙口中心线上“戗堤轴线以上为上大下小，轴线以下呈上小下大”的垂线流速分布特性确定，需考虑护底下游端覆盖层的溯源冲刷对护底体系的安全影响。护底宽度可按戗堤束窄后覆盖层产生大幅度起动时的口门宽，结合截流程序、进占各阶段的龙口水流条件以及覆盖层的抗冲能力计算确定，需考虑护底两侧覆盖层淘刷对护底体系的安全影响。护底厚度应不小于2倍材料厚度，即至少形成双层铺护，采用双层或多层铺护，除可增大相对糙度Δ／d，还可下压底层护底材料，有利于护底稳定。

4.2.3 护底措施的实施技术

在通航河道实施护底，可采用底开驳或船舶吊装定位抛投等，较为容易；而在河道狭窄、水流湍急的不通航河段实施护底，则显得十分困难。1997年大朝山工程截流，水下抛投钢筋石笼采取了自制的双拼翻板浮筒取得成功。此外，为提高护底块体的稳定性，往往需先铺护一层中石或大石，再抛投钢筋笼。

5 截流块体稳定性计算研究

截流块体稳定计算是截流安全控制的核心环节，是确保截流成功的重要理论基础。

5.1 经典公式的适用条件

基于块体在平底河床起动概念的临界平衡条件，可推得块体稳定的基本表达式：

式中：H，α，ξ，γs，η，β，f分别为水深、垂线流速分布系数、绕流系数、化引球体直径、块体比重、块体形状系数、迎水面积修正系数和摩擦系数。

块体稳定计算的最经典公式为伊兹巴什公式

肖焕雄公式基于止动流速观点和立堵截流，分单体、群体均匀料、群体混合料以及部分人工块体对（4）式中的K值进行了修正，和伊氏公式一样，均将（3）式中的项归结为综合稳定系数K表达。实践表明：截流材料稳定还与H，α及相对糙度Δ／d（Δ为床面糙度，f连续依赖于相对糙度Δ／d）等有关。当截流进入困难段时，龙口戗堤轴线水流垂线流速分布接近矩形分布，龙口段河床底部为护底材料或先期抛投的截流材料，当抛投相同或相近材料时，Δ／d接近于 1，则（4）式和（3）式是一致的。伊氏公式和肖氏公式用于截流困难段的截流块体稳定计算，已被众多截流工程实践验证是合适的，且公式形式简单，被广泛采用。然而，在截流非龙口段或龙口覆盖层被冲刷形成冲坑等口门水流的垂线流速分布并非矩形分布时，引用伊氏公式和肖氏公式进行计算，则会与实际情况出入较大。

5.2 块体稳定实用公式研究

5.2.1 公式基本形式

长江科学院基于f连续依赖于相对糙度Δ／d值的研究成果，即f＝p＋q（）n，将基本关系式（3）中的项概化为A＋B（）n，得到

式中 A，B，n为待定系数。

5.2.2 平堵情况待定系数的确定

取光滑基面 dp＝Δ＝0，令 η＝β，则 A＝，查询一般计算手册得 f＝0.15～0.2、ξ＝1.1（立方体）、ξ＝0.6～1.1（四面体和块石），代入得A＝0.3～0.7，取0.4；正常河道分布取 α＝1／7；假设块体为正方体，边长为 b，由力矩平衡得 Vd＝，化成球体直径 D，有 b＝D·，绕流系数 ξ＝0.6～1.1，则 A＋B＝0.897×（0.95～1.29）＝0.85～1.13，当 Δ＝D时，即 A＋B＝0.85～1.13，将 A＝0.4代入得 B＝0.45～0.73，平均值为 B＝0.59，取 B＝0.60；n＝1／2。由此可得到平堵、垂线流速分布成正常河道分布时的止动流速公式。同理可得到平堵、立堵的系列实用公式。

5.2.3 实用公式

平堵：

立堵：

（8）式中的α值，紧缩断面取1／10；扩展断面取1／7；成舌根时取1／4.5。

6 人工块体的稳定性研究

人工块体大致分为2类：一类是各种形状的混凝土块体，有四面体、六面体、扭工字体、多角体和空心六面体以及其他形状预制材料，用得较多的是四面体和六面体；另一类为利用天然石料做成的钢筋石笼、合金笼网兜等。

6.1 混凝土块体

（1）不同形状比较：四面体、扭工字体、多角体和空心六面体4种块型的试验研究表明：有覆盖层时，四面体适应性最好，其次为扭工字体；无覆盖层时，扭工字体和多角体适应性较好，四面体较差；考虑到河床多少有些覆盖层，认为四面体更好些。

（2）不同重量比较：不同重量的砼四面体试验表明：15 t以下四面体的抗冲流速随块体重量增长较快，15 t以后增长较慢的趋势，块重超过25 t，则增长更慢。

（3）不同容重比较：光滑底板时，30 t加铁四面体（rs＝3.25 m／s3）与 30 t砼四面体（rs＝2.40 m／s3）比较，前者的止动流速明显大于后者，略提高11%；大石垫底时，前者的止动流速比后者约提高28%。

（4）串联效果比较：在戗堤堤头上挑角抛投，串体中的每个块体处在不同的水流状态中，流速较小区域的块体的稳定牵制了其他块体，故体现出串体个数增加的优势。因此，在实际截流中，应确保串体中有部分块体落在流速较小区域。

6.2 钢筋笼稳定性

钢筋笼具有易于取材、透水性好特点，其稳定性明显高于现场一般石料。但到目前为止，未见有关钢筋笼稳定性的研究成果。该项研究具有较大的实用价值和学术价值。

6.2.1 六面体钢筋笼

令六面体钢筋笼的长、宽、高分别为 a，b，c。a＝b＝c为正六面体钢筋笼；a＞b＞c为条形钢筋笼，a＝b＞c为扁钢筋笼。扁度系数λ＝／c。

（1）不同重量比较：光滑水泥面时，正六面体钢筋笼的临界止动流速和临界起动流速均随块体重量增加而增大，而止动稳定系数K止和起动稳定系数K起均有随块体重量增大而减小趋势；K止均值为0.59；K起均值为0.81。d＝0.3 m石料垫底时，其临界止动流速随块体重量变化不明显，而临界起动流速在块体重量大于6.75 t后有随块体重量增加而增大的趋势；K止均值为0.75，K起值均值为1.00。

（2）不同形状比较：条形钢筋笼的K止值与抛投方式无关，块体均能自然变成长轴顺流向落到底板，临界止动流速随扁度增大而增大，K止也随扁度系数增大而增大，均值为0.69；K起则与摆放的方式有关，长轴顺流向放置的稳定性明显高于垂直于流向放置，临时起动流速随扁度系数而增大，K起顺流向随扁度系数变化差异不显著，均值为0.97，而垂直流向时则有随扁度越大而减小趋势，均值为0.71。

扁钢筋笼的临界止动流速及临界止动流速均随扁度增大而增大，K止及K起也均随扁度系数增大而增大；在光滑水泥底板上时，K止均值为0.77，K起均值为0.90；d＝0.3 m石料垫底时，K止均值为0.87；K起均值为1.09。K起均值约为K止均值的1.25倍。

（3）计算经验公式拟合：依据试验成果，先得出正六面体钢筋笼的稳定系数k值，止动0.59，起动0.81；在此基础上引入扁度系数λ（河床卵石的λ，韩其为取0.45，宾景洁取 1／3，在 1／3～1／2之间），对稳定系数K值进行修正，将钢筋笼的形状要素考虑进来，正六面体扁度系数为1，λ值止动时取1／2，起动时取1／3，即得到光滑面上的钢筋笼稳定计算公式；再引用块体稳定实用计算公式形式Vd＝［A＋B将糙度影响考虑进来，通过不同糙度试验确定A，B值，最后进行验证。公式的完整形式如下。

止动：

起动：

6.2.2 四面体钢筋笼

考虑到四面体中心较低，在结构上易于稳定，并考虑到钢筋笼的透水性、可充分利用当地石材增大单体尺度等特性，将二者结合起来，构成四面体钢筋笼，以能形成稳定性较好的经济实用的新型截流块体。研究成果表明：四面体钢筋笼的临界止动流速和临界起动流速均随块体重量增加而增大，而止动稳定系数和起动稳定系数均有随块体重量增大而减小趋势。光滑水泥面时，K止均值为0.71（正六面体0.57）；K起均值为0.76（正六面体0.77）；d＝0.3 m石料垫底时，K止均值为0.86（正六面体0.69），K起均值为1.06（正六面体0.95）。由此可见，对于截流抛投止动，四面体钢筋笼的稳定性明显高于正六面体，而对于护底起动，两者稳定性相差不大。

7 淤积型覆盖层河床预防戗堤坍塌措施

一般截流工程的戗堤坍塌问题是堤头坍塌问题，而深厚软基覆盖层河床截流，不仅会因覆盖层冲刷和淘刷形成大面积堤头坍塌，而且在戗堤进占过程中，戗堤会在高水头作用下使基础砂层产生管涌破坏，导致戗堤下游边坡滑坡，进而导致整体失稳。因此，对淤积型覆盖层河床截流，除需护底外，还需采取基础保沙措施和戗堤防渗措施和消能措施，以预防淤积型覆盖层河床截流所特有的多种形式的戗堤坍塌［8］。

保砂措施：在护底块石下铺设土工布，土工布铺设紧靠戗堤下游，充分发挥土工布透水、减压、保砂的工作特点，防止管涌和冲击水流带动砂层流失，保证河床基础砂层的稳定。

防渗措施：在落差较大的淤积性覆盖层上截流，戗堤存在渗透管涌破坏的潜在因素，因此，除采取铺设土工布保砂措施外，在戗堤进占过程中应同时跟进填筑抗渗性能较强的石渣、粘土等材料，以提高戗堤自身的抗渗能力和自稳能力。

消能措施：当截流落差、龙口流速都较大时，护底下游端以外区段仍将受到较大的流速冲刷而形成相应的冲坑。为减小护底体系以外的流速，需预先设置消能坑，使龙口处形成两级跌水消能形态。以保护护底体系相对完好，发挥原有的作用。

8 结论和展望

本文在前人研究基础上，结合国家“十一五”科技支撑项目，对深厚覆盖层条件下导截流工程存在的覆盖层稳定特性、覆盖层防护、截流块体稳定计算、人工块体稳定性问题以及淤积型覆盖层河床预防戗堤坍塌措施等一系列关键技术问题进行了研究，取得了一些创新究成果。由于覆盖层条件下导截流工程的复杂性，仍有一些问题还未得到很好解决，如：块体稳定计算中的绕流系数对块体稳定的影响机理及其定量分析问题、综合反映截流安全性、经济性及截流技术水平的衡量指标问题、基于截流龙口水流典型三维特性、戗堤束窄动态过程的覆盖层河床稳定理论问题等。覆盖层的冲淤变化规律对导截流工程的安全性、经济性均产生着不同程度的影响，对导截流技术水平提出了更好要求，上述问题均有待深入研究。

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

［2］ 肖焕雄.施工水力学［M］.北京：水利电力出版社.1992.（XIAO Huan-xiong.Construction Hydraulics［M］.Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1992.（in Chinese））

［3］ 《长江三峡大江截流工程》编辑委员会.长江三峡大江截流工程［M］.北京：中国水利水电出版社，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］ 郑守仁，王世华，夏仲平，等.导流截流及围堰工程［M］.北京：中国水利水电出版社，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］ 郑守仁，杨文俊.河道截流及流水中筑坝技术［M］.武汉：湖北科学技术出版社，2009.（ZHENG Shou-ren，YANG Wen-jun.River Closure and Dam Construction Technology［M］.Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2009.（in Chinese））

［6］ 饶冠生，李学海，韩继斌.实用施工水力学［M］.武汉：长江出版社，2007.（RAO Guan-sheng，LI Xue-hai，HAN Ji-bin.Practical Construction Hydraulics［M］.Wuhan：Changjiang Press，2007.（in Chinese））

［7］ 李学海，韩继斌，程子兵.减轻立堵截流难度措施研究进展［J］.长江科学院院报，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

国家“十一五”科技支撑项目（2008BAB29B02）

郭熙灵（1956-），男，河南方城人，教授级高级工程师，主要从事岩土力学与工程研究工作，（电话）027-82820006（电子信箱）guoxl＠mail.crsri.cn。

（编辑：姜小兰）