三峡工程大江截流与明渠截流安全进占措施.doc

三峡工程大江截流与明渠截流安全进占措施1 前言长江三峡水利枢纽采用“三期导流、明渠通航”方案，其第二期截流即大江截流实际流量为11 6008 480 m3/s，最大水深达60 m，均居世界首位；三期截流设计流量为10 300 m3/s,截流最大水深达24m，相应截流总落差为4.11 m。这两次截流有一个共同的难点就是由水深引起的大规模堤头坍塌以及由于大规模的堤头坍塌而引发的堤头安全进占问题，换言之，能否安全进占是截流成败的关键。根据大量的理论研究、物理模型试验以及数值计算成果，结合大江截流施工实际，在进占过程中，采取河床预平抛垫底、防护性进占、诱导坍塌及坍塌预报等一系列工程措施对于防止或减少堤头坍塌，保障安全进占具有十分显著的作用。2 安全进占工程措施2.1 预平抛垫底预平抛垫底即是在戗堤进占前，向戗堤基础深槽部位从水面抛投砂卵石或块石等物料，以使戗堤底部河床高程整体抬高的工程措施。通过预平抛垫底可以降低水深、减小进占戗堤的高度，因此，在三峡工程大江截流中被选为防止堤头坍塌的最主要措施。在预平抛垫底实施之前，进行了有关模型试验、现场实船抛投试验等研究，研究成果表明：当水深由41 m减至27 m时，相应的坍塌面积、坍塌边与堤边的平均距离（即坍塌长度）、最大单次坍塌体积分别减少35%、27%、36%，当水深减至20 m时，上述各值分别减少64%、49%、55%。上述试验成果可见，平抛垫底可以有效地减少坍塌范围、长度和坍塌体积，但是，坍塌的次数、频率未见有明显的降低。三峡工程大江截流采用预平抛垫底再立堵进占的方案，一方面大大减少了坍塌的范围和规模；另一方面，由于平抛垫底，使一部分工程量提前施工，减少了截流时的施工强度；第三是减小了戗堤的底宽，防渗墙轴线与戗堤轴线的距离由126 m减至81.3 m，使二期围堰的断面减小，从而减少围堰填筑量约159万m3；第四是预平抛垫底后，有效地减少了覆盖层的冲刷，相应也减少了因覆盖层被冲增加的填筑工程量。三峡工程三期截流采用双戗双向立堵截流方式，上、下游截流龙口部位均设置垫底加糙拦石坎，可以十分有效地减小截流水深，进而减小进占堤头的坍塌规模，提高截流施工的安全度。2.2 防护性进占(1)堤头挑流和堰体尾随抛投堤头挑流和堰体尾随抛投是利用戗堤和堰体的设计特点，在戗堤进占时，向上游角或同时向上、下游角凸出进占，挑开急流，形成戗端缓流区，以保护堤头抛填进占，同时戗堤两侧的堰体跟进尾随抛填，以防护进占戗堤侧面坍塌的措施。在三峡工程大江截流施工过程中，无论是在非龙口段，还是在龙口段，均出现了频繁坍塌致使抛投进占迂回不前的情况。如在非龙口段填筑中，1997年10月14日右上戗堤出现连抛130车石料仅延伸0.10.2 m的滞进现象；10月15日200400，由于当时流量和流速都较大，分别达17 000 m3/s和3.27 m/s，连续抛投200余车石料，戗堤几乎没有延伸；又如，在龙口段进占填筑中，1997年10月26日当龙口宽度缩窄至100 m左右时，左上戗堤连续抛投近3个小时毫无进展，使截流进占陷入停滞状态等。对此，果断采取了动用大块石或特大石，在戗堤上游侧（或下游侧）集中抛投以形成挑角的工程措施；经过实施，效果非常明显，堤头在挑角的防护下继续向前推进，有效地推动了进占的正常延伸。与此同时，三峡工程大江截流的上下左右四个进占堤头均采用了堰体材料尾随填筑的措施，它十分有效地防护了截流戗堤的侧向坍塌，同时，还为截流戗堤进占提供了较宽的作业平台，对于三峡工程大江深水截流堤头起到了安全保障作用。三峡工程三期截流可采取宽戗（堤顶宽30 m）双向进占措施，并在进占的过程中，运用堤头挑流和堰体尾随抛投的进占方式以顺利推进戗堤合龙。(2)高强度进占抛投高强度进占抛投是从施工组织的角度所采取的一种防护性工程措施。它主要是在截流进占水力学条件最不利的情况下，加大抛填强度，突击进占，从而闯过水力学难关的截流方法。 在三峡工程大江截流中，运用优化堤头进占行车线路、采用大吨位运输车辆等措施大大提高了堤头进占的抛投强度。如在非龙口段实战演习中，实现了昼夜抛投强度19.4万m3；在龙口段截流进占最困难段的突击进占中，实现了昼夜抛投12.8万m3等，抛投强度都非常高。利用高强度进占抛投在三峡工程大江截流中产生了良好的效果，在1997年10月1415日的昼夜高强度进占抛投期间，左右岸截流戗堤仅坍塌7次，其中规模最大的一次发生在左上戗堤迎水侧，其坍塌面积仅为44m2；左下堤头仅坍塌2次。这与模型试验的频繁大规模坍塌结论相比有显著地改善，因此，高强度抛填对于减轻堤头坍塌程度有着直接作用。三峡工程三期截流可在左右两岸提前备料，并在突破水力学难关的关键时刻采取高强度进占抛投方式，不仅能加快抛填进度，而且还能缩减坍塌规模。(3)变换堤头抛填方法抛投变换堤头抛填方法是根据截流龙口的宽度、水深、流量、流速以及填料特性等，相应采取的防止或躲避堤头坍塌的灵活抛投方法。由于坍塌的部位发生在堤头，而进占抛投作业的机械和人员也在堤头顶部，因此，对于堤头顶部设备及人员的安全除了制定一套严格的操作规程之外，采取灵活的防范坍塌的抛填措施十分重要。三峡工程大江截流在不同的条件下采取了不同的堤头抛填方法，主要为：在坍塌刚刚发生过后，形成了新的稳定边坡，在此往后的一段时间内，不会有坍塌发生，这时就采取自卸汽车直接卸料抛投的方法。随着抛投的推进，堤头边坡逐渐变陡，汽车直接抛投已不安全，这时就改用汽车堤头集料，长臂推土机赶料抛投的方法。随着堤头边坡的进一步变陡，虽已陡于临界坡度，但在颗粒的咬合作用下仍未坍塌，这时即改用汽车载大块石或特大石冲砸抛投的方法。由于灵活地运用了上述抛投方法，一方面保证了施工过程中机械和人身的安全，另一方面也保证了截流进占的顺利推进。在截流进占过程中，未发生机械和人身死亡事故。 三峡工程三期截流采用宽戗进占时，非常适宜采用变换堤头抛填方法抛投，这样可以不失时机地抢占有利进占势态，保障截流戗堤科学地推进。2.3 诱导坍塌诱导坍塌是因势利导人为引发戗堤堤头坍塌从而保障进占安全的一项工程措施。由于深水截流中堤头坍塌的产生是一种必然现象，既然如此，与其被动地遭受坍塌，不如在它即将坍塌之前创造条件引发它坍塌，这样，就可以做到对坍塌实行安全预防，从而避免坍塌造成的损失。通常，当戗堤堤头坡度陡于填料的自然稳定坡度并接近于临界坡度时，即可实施诱导坍塌措施。诱导坍塌的工程措施有很多种，主要包括机械扰动、流体扰动和水下爆破等。三峡工程大江截流施工中，由于考虑到施工条件和保障截流进程等多方面原因，主要采用了机械扰动辅助措施来诱导坍塌。其中，运用得较多和较好的是大块石或特大石抛投卸料冲砸和通过工程船舶进行水下扰动。实施情况表明，每一次的诱导坍塌只要能够掌握时机，都能使诱导坍塌获得成功，从而避免自然坍塌可能造成的机毁人亡安全事故。鉴于三峡工程三期截流上、下游龙口宽度分别仅为150 m和140 m，因此比较适合于采取大块石卸料冲砸的诱导坍塌措施，直接从岸上改善堤头坡度，将事故消灭于萌芽之中。2.4 坍塌预报与预防坍塌预报与预防是通过对可能坍塌的预测，使施工进入预先防备坍塌产生的状态，最终做到在坍塌实际发生的过程中，不伤亡任何设施和人员，从而保障进占安全顺利进行的措施。具体预报方法有以下几种：(1)理论模型计算预报通过建立坍塌计算的模型，计算出不同流量、不同口门宽度和不同抛投料粒径下的堤头坍塌长度、高度和体积，并绘成图表，以利工程人员在现场直接查用，作出坍塌预报。(2)戗堤纵断面测图预报在戗堤进占过程中，实时对戗堤纵断面进行测图，以了解堤头坡度的现状和变化情况，并根据测图成果和抛填进占的水深、强度等各项参数，对照抛填材料的稳定坡度与临界坡度，进行堤头坍塌预报。(3)堤顶裂缝监测预报通常堤头坍塌的发生都是有征兆的。通过对堤头所出现的沉降和裂缝特征参数及其变化的监测，再对照根据现场各项条件所制定的判别标准作出坍塌预报。除以上3种预报方法之外，还有经验方法推测预报，即以大量模型试验、统计规律和工程实际经验为基础，通过对堤头现实状况的分析、判别作出坍塌预报，等等。在三峡工程大江截流施工中，截流进占的上、下、左、右四个堤头的12个工作面均采用了理论模型计算预报、戗堤纵断面测图预报、堤顶裂缝监测预报和经验方法推测预报等方法，有时同时利用多种方法预报以便相互映证。实施结果表明，凡规模较大、较典型的坍塌均得到了较及时的测报，坍塌时间预报的精度相差在一个小时以内。坍塌的预防工作以预报成果为基础，果断采取资源撤离、诱导坍塌等措施，使堤头坍塌不造成任何损失，对于整个截流进占过程中无安全事故起到了重要保障作用。三峡工程三期截流可广泛采取上述各种监测预报方法，通过理论计算和经验推测提前做出堤头坍塌的准确判断，使坍塌事故得到有效地预防。