降低截流难度及江河护堤抛投材料研究

蔡 莹，黄国兵，车清权，杨文俊

降低截流难度及江河护堤抛投材料研究

蔡 莹，黄国兵，车清权，杨文俊

（长江科学院水力学研究所，武汉 430010）

优化抛投物料的性状、选择实用性好的抛投材料是降低截流难度的措施之一。根据圆柱体的物理特性分析和截流水工模型试验成果，顺坡面抛投圆柱线体材料截流，材料可一次滚入龙口深槽，且在水下稳定性好。抛投圆柱线体材料截流可保护戗堤坍塌、阻止截流材料流失。在节省材料、制作、存放、运输等方面圆柱形体材料也具有明显的优点。圆柱线体抛投材料还可在江河堤防、水库大坝紧急抢筑、支护中发挥作用。

抛投材料；截流难度；江河护堤；圆柱线体；坍塌；流失

1 概 述

横跨江河修建水利工程需要提前修筑围堰截断水流，然后才能在围堰的保护下在基坑内进行旱地施工。在水深、流急的江河中利用土石材料截流过程中，水流紊乱、水下地形和戗堤形状急剧变化，填筑围堰的土石料处在松散状态，此时要争取时间抢筑戗堤存在巨大的困难和风险，施工险情随时都有可能发生。

长江葛洲坝水利工程大江截流时龙口宽度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，合龙历时 36 h，日抛投量72 000 m3／d，其中有25 t混凝土四面体及四面体串（3～4块一串总重75～100 t）、3～5 t大块石及大块石串（3～4块一串总重10～20 t）。长江三峡工程大江截流最大水深达60 m，龙口宽度130 m，截流流量11 600～8 480 m3／s，创造了日抛投强度19.4×104m3／d的世界记录。三峡明渠截流是第3次在长江上截流，采用双向进占上、下游双戗立堵方式，截流流量为10 300～8 600 m3／s，上戗堤承担最大落差1.73 m，下戗堤承担最大落差1.12 m［1］。金沙江向家坝电站截流龙口宽度为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，最大小时抛投强度3 225 m3／h，共抛投材料5.6×104m3，其中特大石、钢筋石笼、混凝土四面体等特种材料约500 m3［2］。

工程实践表明，戗堤坍塌和抛投料流失是截流施工过程中的主要困难［3］。戗堤大面积突然坍塌会给正在紧张施工的人员及机械造成极大的安全威胁，抛投料流失会加剧戗堤坍塌、增加填筑工程量、影响施工进度，这些困难因素都可能会导致工程截流投资增加。改善工程截流措施、优化施工条件可降低工程截流难度。降低截流难度有多种途径，优化截流材料特性是重要措施之一。

江河堤防和水库大坝长期在水流冲刷和雨水浸泡下，常会发生崩岸险情，导致重大工程安全事故。为保护大堤安全、预防堤防坍塌，有时需要抛石保护堤岸，研究实用性好的抛投材料可以增强应急护岸效果。

2 散粒体填筑材料坍塌和流失分析

如图1所示，利用散粒体土石材料沿坡面填筑的过程中，在材料自重G、颗粒间的咬合摩擦力f等力的作用下，抛投材料形成自然堆积边坡，在稳定状态下堆积边坡的坡面与水平面之间所形成的夹角φ为休止角。休止角的大小与散粒体粒径、形状及重度等因素有关［4］。在坡面高差较大情况下填筑时，由于颗粒间的咬合摩擦力f和自重G引起的下滑力G sinφ等的作用使得部分抛投料不能一次滑移到坡底，在坡面上形成一个暂时处于非稳定状态的堆积体。当堆积体受到偶然作用失去平衡，处于休止角以上的堆积体就会突然坍塌下滑，坡面又处在一个新的平衡状态。因此，在边坡填筑土石散粒体，材料不能一次就位，即会导致坍塌现象发生。

水下堆积土石料除受重力和摩擦力作用外还受水力作用，填筑土石散粒料的稳定过程与水上的稳因此，抛投圆柱线体材料截流可获得较好的到位和稳定效果，此外在节省材料、制作、存放、运输等方面圆柱形线体材料也有明显的优势。定过程基本相似。在流水中抛投填筑料，水流冲刷会导致部分材料流失，水流动能愈强，材料流失量愈多。束窄龙口进占过程中，存在一个水流动能逐渐增强的区间，在这个区间内水流对抛投料的扰动强烈，当材料密度与几何形状等条件不能满足抗冲要求时，抛投料可能会失去稳定被冲出龙口范围，造成抛投料流失。因此，抛投料流失的原因主要是材料的稳定性不足。

图1 散粒堆积体坍塌示意图Fig.1 The collapse of granular deposit

为增强截流材料的抗冲能力，减少材料流失，确保截流的安全和成功，在龙口困难段截流时常抛投大体积人工预制块体。人工预制抛投材料主要有混凝土四面体和钢筋石笼等。

3 人工预制抛投材料

根据工程截流和江河应急护堤要求，人工预制抛投材料应能更好地在急流中一次就位并且具有较好的稳定性，能有效防护坡面坍塌和阻止材料流失，并可提高施工抛投强度、节省工程材料。此外，在预制、存储、吊装、运输和抛投等多方面应具有较好的可操作性，力求总体降低工程成本。

在葛洲坝大江、三峡工程导流明渠等工程截流时采用人工截流材料有混凝土四面体（即边长相等的三棱锥）。根据截流实施效果，抛投混凝土四面体截流施工程序繁琐，不易提高截流材料的抛投强度，混凝土四面体在水下的迎流面积较大、材料密度偏低，不利于材料在水下的稳定，此外混凝土四面体在制作、堆存、装运等方面存在诸多问题，采用混凝土四面体截流成本高［5］。实践表明，混凝土四面体截流效果不理想。有的工程在截流困难段采用了钢筋石笼，钢筋石笼防流失的效果较好，但抛投时存在材料不易滚落坡底就位的问题。

从物体滚动与滑动原理可知，相同材料在同一接触面上滚动摩擦力小于滑动摩擦力，物体沿坡面滚动比滑动到位效果好。同体积物体，迎流面积小、接触面积大、重心低的物体抗滑和抗倾覆能力强。与块体或球体材料比较，同体积线体材料可获得较大触地面积并且重心低，顺水流抛投线体材料，迎流面积小、材料抗冲能力强；圆柱线体材料沿坡面滚动容易一次就位，能保护坡面坍塌和阻止材料流失。

4 圆柱线体抛投材料

4.1 材料结构

用于截流或护堤的圆柱线体抛投材料是指长度大于直径的实心圆柱体或管道，如图2，采用钢筋混凝土预制或钢管制作。其长度和直径等几何尺寸应综合考虑施工抛投强度、预制、吊装和运输等因素。为降低水流的冲击力、提高材料在水下的稳定效果，实心圆柱线体材料迎流端为流线形锥头，空心圆柱线体材料的迎流端为薄壁锐缘体型；为避免横向漂移，在圆柱体的侧向预制穿孔可增强材料的透水性；为增强材料触地摩擦力提高抗冲能力，柱体外壁可设置加糙肋［6］。抛投材料的就位和稳定与材料的密度有关，材料密度过大可能会陷入前置填筑材料导致抛投料不能滚动就位，密度过小则容易被水流冲失。

图2 圆柱线体抛投材料示意图Fig.2 Cylindrical wire dumping materials

4.2 抛投方式

抛投截流材料时圆柱线体轴线应顺水流方向。根据圆柱线体抛投材料的构造特征，材料可用于工程立堵、平堵截流和平抛垫底，也可用于江河堤防、大坝缺口堵水以及堤防护岸等。具体工程实施前应结合工程水力条件、土石填筑料的粒径以及材料预制、存放、装运等条件，参考模型试验效果确定圆柱线体材料的几何尺寸和其他物理参数（包括：直径、长度、壁厚和密度等）。

用于工程立堵截流实施步骤如下：

（1）工程截流前，按要求预制圆柱线体材料。

（2）填筑土石料出现严重坍塌和流失、截流进占受阻时，顺流抛投圆柱线体材料在水下保护堤头坡面，防止戗堤坍塌、阻止截流材料流失，如图3。抛投材料时迎流端应向上游。

图3 龙口抛投圆柱线体材料示意图Fig.3 Dumping cylindrical wire materials at the closure gap

（3）在圆柱线体截流材料的支撑作用下，在龙口上游抛投土石截流材料，当跨越截流困难断面后，可全断面填筑土石截流材料合龙闭气。如条件容许，也可采用圆柱线体材料填筑至水面，然后填筑土石截流材料闭气。

4.3 效果分析

圆柱线体抛投材料截流预期效果包括应用效果和经济性。应用效果反映在应用范围和实现的功能效果；经济性应从全过程、多方位比较。具体分析包括以下几方面。

4.3.1 功效分析

根据材料的物理性能，圆柱线体抛投材料比块体材料更容易到达龙口深槽部位，具有较好的到位效果和稳定性，较强的抵抗水流冲刷的能力，可有效保护坡面坍塌、防止材料流失，并且可提高截流抛投强度。4.3.2 经济性分析

利用圆柱体抛投料截流，有利于提高截流效率，加快截流进度，保障截流安全和降低截流成本。一般混凝土四面体重约10～30 t，若用相同的材料制作空心圆柱体抛投料，可以获得更多的填筑工程量，提高截流效率、节省原材料的用量。材料可回收重复使用，有利于实现专业化施工。

4.3.3 材料预制、吊装、存放和运输

相对块体混凝土材料，圆柱体管材已有广泛应用。圆柱体材料预制、吊装等操作技术成熟；预制成型的材料可横向分层叠放，节省占地面积；使用自卸卡车运输和倾倒截流材料也比较容易。

4.3.4 适用范围

圆柱线体抛投材料可在围堰、堤防和土石坝的紧急抢筑、支护中发挥作用，方便从岸坡抛投施工，可为缺少大石料的工程提供新的截流和护岸材料。

5 试验验证

为验证圆柱线体抛投材料的截流效果，利用梨园水电站水力学截流模型对碎石、混凝土四面体、钢筋石笼、圆柱线体材料的截流效果进行了初步比较试验。

5.1 试验模型

梨园电站位于云南省金沙江中游河段，上游与2家水电站相衔接，下游为阿海水电站，为我国西部大型水电梯级开发电站之一。梨园电站截流模型比尺为60，按重力相似准则设计。模型任务是为工程截流提供经济合理的截流方案，并指导截流工程顺利实施。

5.2 试验戗堤和龙口

电站为单戗单向立堵截流，戗堤顶宽25 m，水深约15 m。结合下游已实施截流的溪洛渡电站（单戗立堵双向进占，戗堤宽40 m，水深约20 m）和向家坝电站（单戗立堵双向进占，戗堤宽25 m，水深20 m）考虑，试验采用单戗立堵双向进占的截流方式，戗堤宽度25 m，水深控制在20 m左右。

5.3 试验流量

梨园水电站截流试验最大的流量为11月中旬P＝10%的平均流量1 260 m3／s，根据已完成的试验成果分析该工程截流过程相对简单。为尽可能反映圆柱线体抛投材料的截流效果，应加大截流试验流量。根据本工程的地形及水文特征，结合溪洛渡和向家坝电站截流实际最大流量3 650 m3／s和2 350 m3／s考虑，验证试验流量为 3 000 m3／s。

5.4 龙口抛投材料

验证试验抛投材料包括石渣、四面体、钢筋石笼和多种类型的圆柱线体抛投材料，截流材料的规格、尺寸及其他参数见表1和表2。

表1 截流困难段试验抛投材料及规格Table 1 Specifications and parameters of testing materials

结合戗堤堤顶宽度和施工交通需要考虑，试验比较了长度为6 m，9 m和12 m（模型长度分别为10 cm，15 cm和20 cm）的不同材质的圆柱线体材料的截流效果。

5.5 试验过程

通过比较试验成果，龙口宽度约30 m时，截流水力学指标较高，抛投大石进占困难。比较试验在抛投20～30 t四面体和18 t钢筋石笼进占全部流失的极限情况下，改抛投圆柱线体材料，观察不同圆柱线体材料的试验效果。

表2 圆柱线体抛投料及规格Table 2 Specifications and parameters of cylindrical wire dumping materials

为便于比较各种圆柱线体材料的试验效果，同一型号材料以10根为一组分别在堤头轴线上、下游单根抛投，观察材料的流失和就位情况。抛投料最终冲出戗堤下游坡脚以外即为流失，反之则为就位状态。材料在堤头就位分坡中以下（深槽至坡中）和坡中以上（坡顶至坡中）2种位置。表3是同一组次各种圆柱浅体材料抛投试验到位情况的统计表。不同组次试验结果稍有差异。

表3 不同抛投料的试验效果统计表（每种材料各10根）Table 3 Cylindrical wire materials at the closure gap

5.6 试验成果

通过水力学截流模型比较试验，在抛投大石截流困难、抛投四面体和钢筋石笼全部流失的极限水力条件下，抛投圆柱线体材料截流获得的试验成果如下：

（1）在截流困难段选择适当的圆柱线体抛投材料，可改善材料就位，减少截流材料流失，有利于戗堤稳定，增强截流效果，加快截流进度。

（2）在试验条件下，圆柱线体材料截流效果与材料的几何尺度及物理指标有关。圆柱线体抛投料长度为9 m和12 m、直径约为前置材料粒径的2倍、密度在2.0～3.0 t／m3之间，到位效果和水下稳定性较好。长度较短（6 m）、密度较小（小于2.0 t／m3）的抛投料容易流失。直径较小（与石渣粒径之比小于1.5∶1）、密度较大（大于7.0 t／m3）的抛投料不容易沿坡面滚动到位。

（3）具体工程中应用应结合工程地形、水文和水流等条件与施工技术因素进行综合研究。

6 结 论

截流龙口水力学指标、龙口地形条件、截流抛投物料的性状、截流进占方式和施工强度都是影响截流难度的因素。为突破“截流险工不计效益”的模式实现科学化截流，应结合具体工程条件研究合适的对策，有助于降低工程截流难度和投资。优化抛投物料的性状、选择实用性较好的抛投材料是降低截流难度的措施之一。

土石料是填筑围堰的基本材料，在深水中沿坡面抛投土石料会造成戗堤坍塌，导致截流材料流失，戗堤坍塌和截流材料流失会影响截流进度、增加截流难度。为顺利实施工程截流，常抛投大体积混凝土四面体或钢筋石笼，实践表明这些人工材料的操作性、截流效果和经济性并不理想。

根据圆柱线体材料的物理特性和水工截流模型试验验证效果，圆柱线体截流材料顺坡面抛投容易一次滚动到坡底，材料在水下稳定性好。抛投圆柱线体材料截流可保护戗堤坍塌、阻止堤头材料流失，提高截流抛投强度，在节省材料、制作、存放、运输等方面都有明显的优点。

根据材料的构造和功能特点，圆柱线体抛投材料还可在江河堤防和水库大坝紧急抢筑、支护中发挥作用。在具体工程中应用应结合工程边界条件、水流条件等技术因素进行研究。

［1］ 夏仲平.水利水电工程导截流技术［J］.水利水电施工，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］ 孙志禹.向家坝工程大江截流技术解读［J］.中国三峡，2009，（1）：25－28.（SUN Zhi-yu.Explains on Main River Closure Technology［J］.China Three Gorges，2009，（1）：25－28.（in Chinese））

［3］ 刘力中，郭红民，柏 林.三峡工程大江截流戗堤坍塌问题试验研究［J］.长江科学院院报，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］ 詹义正，谢葆玲.散体泥沙的水下休止角［J］.水电能源科学，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］ 蔡启龙，严 毅，刘锦碧.关于混凝土四面体截流材料的探讨［J］.水利水电科技进展，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 莹，车清权，杨 伟，等.一种减轻截流难度及江河护堤的抛投结构［P］.中国专利：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

国家“十一五”科技支撑课题（2008BAB29B02）

蔡 莹（1965-），男，湖北浠水人，高级工程师，主要从事工程水力学研究，（电话）07l7-6832885（电子信箱）caiy0121＠163.com。

（编辑：刘运飞）