水利水电施工组织设计专项方案模块46河道截流.docx
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水利水电施工组织设计专项方案模块46河道截流
河道截流
第一节截流时段和截流流量
1.截流时段的选择
1.1截流时段选择原则
截流时段的选择，不仅关系到截流流量的确定，而且影响整个工程的施工部署。
选择截流时段应遵循的原则如下：
（1）截流时段宜选在河道枯水期较小流量时段。
大流量河道枯水期按水文特性一般可分为三个时段：
汛后退水时段（枯水期前段）、稳定枯水时段（枯水期中段）、汛前迎水时段（枯水期后段）。
在稳定枯水时段，河道流量较小。
截流时段宜选在枯水期较小流量时段，必须全面考虑河道水文特性和截流前后应完成的各项控制性工程要求，综合权衡分流建筑物、截流及围堰施工难度，合理利用枯水期，以选择最优的截流时段。
（2）截流时段的选择应考虑围堰施工工期，确保围堰安全度汛。
河道截流是围堰施工的第一道工序，为围堰施工创造了条件，但在截流后必须在汛前将围堰修筑至设计要求的形象断面，以确保围堰度汛安全。
通常，大流量河道围堰工程量较大，为满足围堰施工工期要求，宜将河道截流时段选择在枯水期前段，但需研究落实分流建筑物施工方案，尤其是分流建筑物引水渠进口处预留的围堰及其下压的石埂开挖措施。
（3）截流时段的选择应考虑对河流的综合利用影响最小。
对有通航、灌溉、供水等综合利用的河流，截流时段的选择应全面兼顾，使截流对河道综合利用的影响最小。
（4）有冰情的河道截流时段不宜在冰凌期截流。
我国北方河流有冰凌期，河道截流时段应避开流冰及封冻期，以利截流及闭气施工。
1.2截流时段选择实例
大流量河道截流时段通常以旬计。
葛洲坝工程大江截流时段选定为1980年12月下旬至1981年1月上旬。
按施工总进度安排，大江截流在1980年冬至1981年春枯水期进行。
根据坝区宜昌水文站100年（从1877年起）实测水文资料统计，12月中旬至次年3月中旬最大流量均在9000m3/s以下，最枯流量出现在1月下旬至2月下旬，流量6100~2950m3/s（见表6-1-1），在此时段截流,流量最小。
但选择截流时段，还需考虑截流之后上、下游土石横向围堰在汛前能否修筑至度汛高程。
大江上、下游土石围堰填筑工程量达586万m3，施工期短，堰体在6月份填筑到设计高程难度较大，据此，截流时间愈早对围堰施工愈有利；其次，考虑在截流之间要有足够的时间完成二江导渠开挖（包括二江围堰拆除）及大江截流戗堤非龙口段进占施工，过早截流各项准备工作来不及。
经综合分析截流时间与围堰施工的矛盾，截流合龙时段定在1980年12月下旬至1981年1月上旬。
表6-1-1宜昌站实测11-3月分旬流量特征值
月份
上旬
中旬
下旬
流量（m3/s）
流量（m3/s）
流量（m3/s）
最大
最小
平均
最大
最小
平均
最大
最小
平均
11
26500
6550
13100
30600
5900
10500
17500
5250
8300
12
12400
4250
7100
8950
4050
6000
7750
3850
5200
1
7250
3450
4700
7300
3250
4300
5650
3100
4100
2
6100
2950
3900
5350
2950
3200
5750
3100
4000
3
8020
3320
4590
7780
3280
4890
11700
3010
5670
三峡工程大江截流时段的选择主要考虑右岸导流明渠分流及具备通航条件的时间和二期土石横向围堰施工工期等因素。
根据坝址下游宜昌站100多年实测水文资料，长江流量最枯时段在1月下旬至2月下旬。
若在此时截流，则截流流量最小。
但二期土石横向围堰填筑量达1032万m3，混凝土防渗墙达9.2万m2，从二期土石围堰施工工期的紧迫性和围堰度汛的重要性考虑，大江截流宜提前在11月进行，因为截流愈提前，对围堰抢工期愈有利。
技术设计阶段拟定大江截流时段为11月下旬至12月上旬，较初步设计阶段大江截流时段拟定12月上旬至中旬有所提前。
1995年进行招标设计时，根据三峡工程施工实际进展情况，一期施工进度较初步设计进度略有提前，特别是右岸明渠开挖和混凝土纵向围堰施工进度有较大提前，从而为提前截流创造了十分有利的条件。
经分析研究后认为，由于导流明渠是按通航要求设计的，其分流过水能力大，即使在较大流量条件下截流，截流水头也不大。
据1/100和1/80水力学模型试验成果，在截流流量不超过20000m3/s的条件下，截流落差可以控制在1.3m以内，因此，截流时段适当提前是可行的。
大江截流时段选择的另一个控制因素是截流期施工通航条件，二期导流期的通航建筑物临时船闸直至1998年5月初才能通航。
为了不因截流施工而造成长江航运的中断，在初步设计阶段，截流时段选定于12月上中旬，主要是因为施工计划安排导流明渠在10月过流，11月才能通航。
因此，从确保截流期不断航，截流时间不能早于12月，同时，因为明渠分流前长江流量从主河道宣泄，而11月以前导流明渠不能通航，所有船舶只能从主河道通行，故1997年汛前和汛末截流戗堤预进占长度需受到限制，大部分预进占只能在汛后10~11月施工，以保证当年汛期和10~11月主河道束窄口门留有足够的宽度，确保船舶安全通行。
根据以上分析，在大江截流与二期围堰招标设计阶段，将大江截流合龙期提前至1997年11月中旬，截流设计流量14000~19400m3/s（相应于11月下旬及中旬5%频率旬最大日平均流量）。
具体截流合龙日期，将根据1997年汛后各项施工项目的实际进展情况，以及届时的水文气象条件和长江流量的实际情况，相机确定，尽量争取提前截流龙口合龙。
根据坝址下游宜昌水文站1877年至1996年共120年实测水文资料统计分析，10月26日至31日和11月1日至5日出现小于20000m3/s的年份分别为96年和111年，所占比例分别为80%和92.5%（见表6-1-2），说明大江截流龙口合龙时段提前到10月底至11月上旬是有可能的。
1997年11月8日，成功实现了大江截流。
表6-1-2宜昌站1877至1996年10月下旬~11月上旬实测流量统计分析
时间
项目
10月
21日~25日
10月
26日~31日
11月
1日~5日
11月
6日~10日
小于20000m3/s的年数
80
96
111
119
所占百分比（%）
66.7
80.0
92.5
99.2
2.截流流量的选定
《水利水电工程施工组织设计规范（试行）》（SDJ338-89）规定“截流标准可采用截流时段重现期5~10年的月或旬平均流量，也可用其它分析方法确定”。
其它方法主要包括多年实测水文资料统计分析法、水文预报法等。
截流时段拟定以后，根据水文特性，可采用以下方法（或结合使用）确定截流设计流量。
2.1频率法
考虑到截流设计流量主要用以确定在截流期间的戗堤高程、备料数量及抛投等有关参数。
由此出发，截流设计流量无需按最大瞬时流量考虑。
一旦遇到洪峰流量，截流时间可允许推迟数日，故只需按月或旬平均流量的频率设计即可满足要求。
根据规范“SDJ338-89”的规定，截流设计流量采用截流时段频率10%~20%当月或旬平均流量。
考虑到水文特性，当在汛后退水期截流时，如遇到实际洪水大于设计洪水时，尚可允许推后一段时间截流而不致酿成延误工期的后果。
因此，设计流量允许选得小一些。
大化水电站设计中考虑截流时间选在11月至12月之间，设计流量定为10%的旬平均流量，通过水文资料分析，不同频率的旬平均流量成果如表6-1-3。
表6-1-3大化水电站不同频率的旬平均流量（m3/s）
时间
频率（%）
5
10
20
10月下旬
5500
3000
2000
11月上旬
4500
2770
1900
11月中旬
3190
2320
1640
11月下旬
1710
1500
1270
12月上旬
1530
1320
1100
由表6-1-3可知，11月中旬与下旬相差悬殊，以频率10%为例，相差达820m3/s；而截流最终落差，前者为3.7m，后者为2.19m，相差达1.51m。
以11月下旬与12月上旬相比，则频率10%的流量相差180m3/s，落差相差仅0.14m，而施工期却相差10d。
因此，设计选定11月下旬为截流时间，截流设计流量按频率10%的旬平均流量定为1500m3/s。
黄河盐锅峡工程确定在1960年4月截流，处于汛前迎水期，截流设计流量为860m3/s，系根据频率10%的4月上旬平均流量确定的，而实际截流流量为400~447m3/s。
2.2统计分析法
考虑到截流戗堤不同于围堰挡水，而采用频率法确定的设计流量又往往大于实际流量，有的甚至相差悬殊，因此，有的工程采用统计分析法确定设计流量。
这种方法的实质是根据历年水文资料统计出该时段（月或旬）的历年最大、最小及平均流量，也可以根据该年的水文特性按典型年（丰水年、平水年、或枯水年等）求出该时段的流量。
然后，通过综合分析，确定其设计流量。
也可以根据历年实测资料统计结果，选取几个可能流量，分析在其时段内出现的天数，最后确定设计流量。
对于水文系列长的河流可考虑独立使用此法，一般总是和频率法配合使用。
葛洲坝工程大江截流工程根据实测资料统计，12月中旬至次年3月中旬最大流量均在9000m3/s以下，最枯流量出现在1月下旬至2月下旬，此时段实测流量为6100~2950m3/s。
根据选定的截流时间，12月下旬至次年1月上旬的实测和计算的旬平均流量列于表6-1-4。
表6-1-4葛洲坝工程12~1月流量单位：
m3/s
项目
12月
1月
上旬
中旬
下旬
上旬
中旬
下旬
统计的平均流量
7030
5950
5170
4670
4300
4050
频率5%的平均流量
9010
7500
6220
5850
5340
5020
通过综合分析，确定设计流量为7300~5200m3/s，分别相当于12月和1月份5%频率的月平均流量。
在100多年实测资料中，12月下旬至次年1月上旬，出现设计截流流量的次数，见表6-1-5。
考虑截流合龙时间提前或推迟的可能性，截流设计和水工模型试验研究将截流流量的范围扩大到10300m3/s（相当于11月月平均流量）和3900m3/s（相当于2月月平均流量）。
表6-1-512月下旬至1月上旬流量7300～5200m3/s出现次数
流量（m3/s）
大于7300
7300~5200
小于5200
12月下旬
3
66
31
1月上旬
1
27
73
2.3预报法
目前水文预报科学日臻成熟，特别在枯水期，流量稳定，预报值有较高的准确性。
青铜峡、刘家峡、龚嘴等工程都曾采用预报法确定截流设计流量。
以青铜峡水电站为例，确定截流设计流量时，既分析了实测水文资料，又考虑了预报值。
根据水文预报，1960年为中水年，2月份流量为210~320m3/s，结合实测资料的统计分析，确定设计流量为300m3/s。
龚嘴水电站原根据12月下旬预报确定按截流流量660m3/s进行准备，其后选定2月下旬截流，又根据预报确定截流设计流量为420m3/s，实际截流时，流量为448~420m3/s，与设计值相近。
采用预报法可取得较接近实际的结果，但是由于水文气象条件影响因素复杂，特别是长期预报尚难做到准确无误。
因此，一般都是配合其它方法，通过综合分析，确定截流设计流量。
国内外若干截流工程设计流量与实际流量对比见表6-1-6和表6-1-7。
表6-1-6国外若干截流工程设计流量与实际流量对比
国家
工程名称
河流名称
截流设计流量
实际截流流量
（m3/s）
频率（%）
流量（m3/s）
巴西
巴拉圭
伊泰普
巴拉那河
5%
17000
8100
南斯拉夫
罗马尼亚
铁门
多瑙河
5%
7000
3300
波兰
符沃次瓦维克
维斯拉安河
10%月平均
1000
870～840
俄罗斯
布拉茨克
乌斯季伊里姆
古比雪夫
安加拉河
安加拉河
伏尔加河
5%月平均
5%月平均
6300
6300
12000
2800～3500
2970
3600～3800
表6-1-7国内若干截流工程设计流量与实际流量对比
工程名称
河流名称
截流设计流量
实际截流流量（m3/s）
频率（%）
流量（m3/s）
白山
第二松花江
20%旬平均
440-260
118
映秀湾
岷江
10%旬平均
1300
115
西津
郁江
10旬平均
1300
594
大化
红水河
10%旬平均
1500
139-1210
三门峡
黄河
5%中水年月平均
1000
2630
盐锅峡
黄河
10%旬平均
860
447
龚嘴
大渡河
5%最大瞬时
520
600
丹江口
汉江
5%最大瞬时
640
310
刘家峡
黄河
10%旬平均
500
220
铜街子
大渡河
750
850
岩滩
红水河
1900
1160
漫湾
澜沧江
922
636
隔河岩
清江
10%月平均
425
210
水口
闽江
1620
1133
李家峡
黄河
300
620
五强溪
沅江
1400
613
二滩
雅砻江
2000
1440
葛洲坝大江截流
长江
统计分析
7300~5200
4800-4400
三峡大江截流
长江
统计分析
19400~14000
11600～8480
三峡明渠截流
长江
统计分析
12200~10300
10300~8600
第二节截流方式
截流方式可归纳为戗堤法截流和无戗堤法截流两种。
戗堤法截流主要有立堵、平堵及混合截流；无戗堤法截流主要有建闸截流、定向爆破、浮运结构截流等。
根据当地水文气象、地形地质、施工条件以及当地材料等条件，通常多采用以下方式进行截流。
1.立堵截流
立堵截流是指利用自载汽车配合推土机等机械设备，由河床一岸向另一岸，或由两岸向河床中间抛投各种物料形成戗堤，逐步进占束窄过水口门，直至合龙截断水流。
由于抛投进占系在戗堤顶面的干地上进行，有利于采取适宜的抛投技术。
但龙口单宽流量随龙口缩窄而增大，流速也相应增高，直至最后接近合龙时方急剧下降，故水力学条件较之平堵截流为差。
另外，由于端部进占，工作面相对较小，故施工强度受到限制。
立堵截流是我国水利工程堵口的传统方法。
我国一些大型水利水电工程，如三门峡、丹江口、葛洲坝、三峡、漫湾、水口、小浪底、大朝山等工程截流都采用立堵，国内有较多的实践经验。
它具有施工简单、快速经济和干扰小等明显优点。
鉴于目前大容量装载、运输机械在国内大型水利工地比较普遍地使用，抛投施工强度及块体粒径大小已不是制约因素，单戗立堵截流被优先研究和采用。
葛洲坝工程大江截流是我国长江干流上第一次进行的规模巨大的截流工程。
设计深入研究比较了上游单戗堤立堵截流、上、下游双戗立堵截流、浮桥平堵截流、栈桥平堵截流等四个方案，最后选定上游单戗堤立堵截流方案。
根据葛洲坝大江截流工程设计和施工的成功经验，对于截流最终落差约3.5m，最大流速约7.5m/s的截流工程，只要采取一些可靠的技术措施，如龙口护底、加糙措施，配备足够数量的大型机械，尽管流量大、水深大，龙口单宽流量和单宽能量超过一般水平，单戗立堵仍然有把握胜利截流。
2.平堵截流
平堵截流是指沿戗堤轴线，在龙口处设置浮桥或栈桥，或利用跨河设备如缆机等，沿龙口全线均匀地抛筑戗堤，逐层上升，直至戗堤最后露出水面，河床断流。
由于平堵截流过程中龙口宽度未缩窄，故单宽流量在戗堤升高过程中逐步减小，水力学条件良好。
但此方式准备工作量大，造价昂贵。
浮桥平堵截流是前苏联20世纪40~50年代采用较多的一种截流方式。
根据葛洲坝工程大江截流设计的研究成果，认为对于水头较高（截流落差超过3m）、架桥流速较大（超过4m/s），浮桥运行期水位变幅较大的截流工程，其浮桥架设和运行的技术安全性尚无把握，加之在浮桥上抛投重型块体的桥面结构及锚定设备复杂，费用较高，针对我国实际情况，浮桥方案一般不作为设计重点研究的截流方案。
栈桥平堵截流具有施工安全可靠，技术把握性较大等优点，适用于大流量，高落差（如大于3.5m）的河道截流，按我国通用的建桥方式，往往施工工期长，投资大。
特别是在通航河道上进行栈桥施工，与通航的矛盾不易解决，因此认为，如无特殊必要亦不宜作为研究的重点。
当水力学条件许可和具有设备的情况下，可以研究采用船舶平抛作为截流的辅助措施。
3.混合截流方式
（1）立平堵。
为了充分发挥平堵水力条件较好的优点，同时又要降低架桥的费用，有的工程采用先立堵、后架桥平堵的方式。
前苏联布拉茨克水电站，在截流流量3600m3/s、最大落差3.5m的条件下，采用先立堵进占，缩窄龙口至100m，然后利用管柱栈桥全面平堵合龙。
（2）平立堵。
对于软基河床，单纯立堵易造成河床冲刷，采用先平抛护底，再立堵合龙，往往是合理的方案。
此时，平抛多利用驳船进行。
我国青铜峡、丹江口、大化及葛洲坝等工程均采用此方式。
显然，立平堵方式系利用平堵最后截流，仍属于平堵范畴；而平立堵方式则利用立堵最后合龙，仍属于立堵范畴。
4.其它截流方式
以下几种截流方式只有在条件特殊、充分论证后方能使用。
（1）建闸截流。
先修建截流闸分流，以降低戗堤水头，待抛石截流后，再下闸断流。
该方法在三门峡和乌江渡工程中曾成功采用，可克服7~8m以上的截流落差，但这种方法需具备建造截流闸的地形地质条件。
（2）水力冲填。
河流在某种流量下有一定的挟砂能力，当水流含砂量远大于该挟砂能力时，粗颗粒泥砂将沉淀河底进行冲填。
基于这一原理，冲填开始时，大颗粒泥砂首先沉淀，而小颗粒则冲至其下游侧逐渐沉落。
随着冲填的进展，上游水位逐步壅高，部分流量通过泄水通道下泄。
随着河床过水断面的缩窄，某些颗粒逐渐达到抗冲极限值，一部分土体乃向下游移动，结果使戗堤下游坡继续向下游扩展，一直到冲填体表面摩阻造成上游水位更大的壅高，而迫使更多流量流向泄水通道，围堰坡脚才不再扩展，而在高度方向急剧增长，直至露出水面。
1952年美国在密苏里河上福特兰戴尔工程第一次采用了水力冲填截流方式。
原计划用河床均匀砂冲填，通过试验证明行不通，改用导流明渠处直径达76mm的砂石料（利用生产能力达3.82万m3/d的吸泥船开采，吸泥管直径达900mm）冲填。
用以冲填的输泥管设置在自行式驳船上，它可以横向移动，以便均匀地沿龙口整个宽度进行冲填（图6-2-1），成功地实现了截流。
图6-2-1福特兰戴尔工程冲填截流段平面示意图
1—吸泥船；2—压力输泥管道；3—自行式驳船；4—冲填围堰；5—泄水建筑物；6—导流明渠
这种截流方式在前苏联鲁查河、亚赫屠巴河、德涅斯特河及里昂河上若干工程都获得了成功。
（3）定向爆破。
在峡谷山区河道上截流而交通不便或缺乏运输设备时，可采用定向爆破方式截流。
利用定向爆破，将大量岩石抛入河道预定地点，瞬时截断水流。
我国碧口水电站于1971年3月，在流量105m3/s情况下，将龙口缩窄到20m宽，利用左岸陡峻岸坡，设计布置了3个药包，一次定向爆破堆筑了6800m3，堆积高度平均为10m，成功地截断了水流。
（4）预制混凝土爆破体。
通常在岸边预制混凝土爆破体，当炸除临河支撑，使块体倒卧龙口，瞬时断流。
我国三门峡水电站在神门泄流道截流中，采用了等边三角形断面的小型爆破体（图6-2-2）。
为了减小阻水面积，爆破体分层组成，分散落水，总体积为45.6m3。
图6-2-2三门峡工程预制爆破体施工图（单位：
m）
1—预制爆破体中心线；2—黄土垫层；3—预留炮孔；4—龙口
刚果松达工程，在截流流量600m3/s情况下，采用了高45m、重28万t的预制混凝土爆破体。
为了一次截断河流，采用了与岩基河床形状相一致的断面（图6-3-3）。
图6-2-3刚果松达工程预制爆破体施工图（单位：
m）
1—混凝土块体；2—原水位；3—截流后水位；4—制作平台
（5）浮运结构。
初期利用旧驳船、各种浮运结构，将其拖至龙口，在埽捆、柴排护底下，装载土砂料，充水使其沉没水中，一次截断水流。
其后进一步发展浮运结构成为封闭式钢筋混凝土浮箱，在浮箱之间留出缺口形成“梳齿孔”过流；由于缩窄龙口水流不大，浮箱容易沉放；最后，将缺口闸阀放下，即可达到截断水流的目的。
荷兰成功地用浮运结构堵截海堤。
木笼也是一种浮运结构，我国新安江水电站曾采用这种方式截流。
第三节截流戗堤和龙口
1.截流戗堤和龙口位置选择
1.1截流戗堤布置
截流戗堤一般作为围堰堰体的一部分，截流是修建围堰的先决条件。
戗堤轴线应根据河床和两岸地形、地质、交通条件、主流流向、通航要求等因素综合分析选定。
截流戗堤布置时，应考虑与围堰防渗体的关系，防止截流合龙时戗堤进占抛投料流失进入防渗体部位，造成防渗体施工困难，并有可能形成集中渗漏通道而影响围堰安全运行。
通常，单戗堤立堵截流戗堤布置在上游围堰，有利于围堰闭气后基坑抽水。
平堵截流戗堤轴线需考虑便于架桥的地形条件，尽量减小架桥工程量，栈桥应考虑桥墩处的地质条件。
采用双戗堤和多戗堤截流时，为使各条戗堤分担一定落差，戗堤间距需满足一定要求。
通常双戗堤截流和多戗堤截流的戗堤分别布置在上、下游围堰内。
截流戗堤在上游围堰内的位置，最好布置在围堰背水侧，其优点是：
截流戗堤兼作排水棱体，有利于围堰的渗透稳定；可减少截流过程中围堰基础覆盖层的冲刷；当围堰采用防渗墙垂直防渗时，可避免截流抛投的大块体流失到防渗轴线范围内而增加防渗墙造孔难度。
葛洲坝工程大江截流戗堤布置研究比较过在上游围堰和下游围堰两个方案，选定在上游围堰。
主要理由有：
①上游围堰截流戗堤龙口处右侧的覆盖层已冲光，左侧覆盖层厚1~4m，而下游围堰戗堤龙口处覆盖层厚5~11m，截流龙口选在覆盖层浅的位置有利；②上游围堰截流合龙抛投的大块体不需拆除，而下游围堰因大江电站运行要求全部拆除，龙口合龙抛投的大块体，水下拆除困难；③有利于提前进行上游围堰的填筑，以便于汛前抢修至度汛高程；④在下游围堰截流比在上游围堰截流增加了大江基坑初期的排水量。
三峡工程大江截流戗堤布置研究比较了设在上游围堰和下游围堰两个方案。
分析了上、下游围堰河床地形、地质条件和围堰填筑工程量、施工进度等因素，如选择下游围堰截流无显著优点。
而上游围堰高度大，堰体填筑量大，施工工期更为紧张，戗堤选在上游围堰可争取工期，为深槽段防渗墙提前施工创造条件。
截流戗堤布置在上游围堰，合龙进占抛投的大块体可不拆除，综合分析比较大江截流戗堤布置在上游围堰的下游侧，兼作围堰排水棱体。
截流戗堤轴线与围堰轴线大体平行，且控制戗堤上游坡脚外缘与防渗墙轴线距离不小于20m，以避免截流抛投的大块体流失到防渗轴线范围内而增加防渗墙造孔难度。
1.2龙口位置选择
通常龙口段在分流建筑物分流后进占，截流难度出现在龙口段抛投进占至合龙。
龙口位置选择应考虑下列因素：
（1）龙口尽量选在河床覆盖层较薄处或基岩裸露处，以免合龙过程中，河床覆盖层冲刷，引起截流戗堤塌滑失事；龙口处河床不宜有顺流向陡坡和深坑，如选在基岩面突变的河床，应采取措施，确保截流戗堤稳定。
（2）对有通航要求的河道截流，龙口宜选在河床深槽主航道处，以利于龙口合龙前的通航。
对无通航要求的河道截流，龙口选在浅滩处，可减少合龙工程量。
（3）龙口附
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