三峡导流明渠双戗堤截流上下游协调进占研究.docx
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三峡导流明渠双戗堤截流上下游协调进占研究
三峡导流明渠双戗堤截流上下游协调进占研究
摘要：
三峡工程导流明渠截流，具有流量大、落差大、水深大、流速高等特点，综合截流难度为世界上所罕见。
为了能安全、可靠、高效、科学地实施截流，采用施工水力学计算的手段，辅之以截流现场实地观测考察，对此次截流中可能出现的各种情况进行计算分析，特别是应对上下戗堤在进占过程中的协调作了详细的计算研究。
关键词：
三峡；双戗堤；协调；研究
1概述
1.1截流方案
三峡工程导流明渠截流，具有流量大、落差大、水深大、流速高等特点，其设计流量达10300m3/s，龙口计算最大落差达4.11m，计算最大平均流速达5～6m/s，其综合难度是世界截流工程中罕见的。
经过详细的科研论证，三峡导流明渠截流采用双戗堤立堵截流，右岸单向进占（上戗左岸小规模配合进占）,要求按上游戗堤承担2/3落差，下游戗堤承担1/3落差控制上、下游口门进占宽度。
并且因为导流明渠渠底部分为混凝土衬砌，糙率较小，在截流时不利于截流材料的稳定，故在截流前对上下戗堤龙口位置采取了平抛垫底的措施，其中上戗龙口垫底材料为2.5m×2.5m×2.5m的钢架石笼，垫底高2.5m，宽120m，沿流向长15m；下戗龙口为合金网兜，单体重约10t，垫底高3m，宽90m，沿流向长15m。
在实际施工时，又将二期围堰开挖料全部平抛在下戗龙口。
平抛垫底的具体位置参见图1。
2双戗协调研究
双戗协调计算包括上下戗堤进占配合计算和上戗困难时下戗及时壅水为上戗“解危”的壅水时间计算。
2.1双戗进占配合计算
双戗进占协调配合计算原理与龙口参数的计算大致相同，本文对各种工况下困难区段（上戗龙口口门宽度80～20m）的上下戗堤进占协调关系进行了研究。
双戗堤立堵截流配合计算示意图见图2。
2.1.1计算模型
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：
一是双戗堤之间怎样分配落差才算合理？
另一个是在实际截流施工中，怎样按照预定的计划做到合理分配？
这就是落差的分配与控制问题。
要按预定计划分配落差，有时是不容易办到的。
这主要是因为影响落差分配的因素很多，如截流河段的比降、可冲河床的情况、护底的条件及可靠性、，两个戗堤之间的距离及水下的复杂地形、两个戗堤进占的速度配合、截流的总落差大小和两个戗堤之间的岸坡条件及流态的变化等。
因此，在选定一种落差分配方式后的上、下戗堤口门水力计算时，就应综合考虑以上因素。
但从理论推导及现场观测方面来看，落差的控制主要还是表现为上、下游戗堤口门宽度配合比上。
总的说来，当两龙口均为淹没流时，两龙口平均水面宽度比值可表示为：
B1，B2―上、下戗过水断面平均宽度；
P1，P2―上、下戗龙口护底部程；
hd1，hd2―上、下戗龙口底部高程；
Z1，Z2―上、下戗龙口落差；
Ht―下游水位；
Qn1、Qn2―上、下游龙口过流量
当两龙口流态不确定时，可用下面一般式表示：
式中，m、H0分别为流量系数和堰顶上游水头。
2.1.2计算内容
上下游戗堤是否协调地进占，牵涉到截流难度度的分担，影响到截流能否顺利地实施。
从理论上讲，上下戗堤平均分担落差是最理想的方案，因为在这种分担方式下，上下戗堤所承受的最大落差减至最小，截流困难度被最大程度地降低。
但是在实际截流施工中，不可能保证在整个合龙过程中完全将落差平均分配，于是考虑多种落差分配方案就很有必要了，在本次研究中共考虑了上戗分别承担1/3，1/2，2/3，3/4四种情况下的双戗进占协调问题，且由于落差的分担难以精确保证，故对上戗龙口流速关于口门宽度的敏感性也作了研究。
2.1.3计算结果及分析
在各种落差分配比下的上下戗堤进占协调配合关系计算表明，在上戗承担1/3落差时，下戗领先进占得较多，在上戗口门宽80m时下戗领先达29m左右，即使在上戗口门宽50m时，下戗领先也达18m左右；在两戗平分落差时，下戗只需领先进占8～15m左右即可；而上戗承担2/3情况下，上下戗堤进占基本上同步，仅在上戗进入40m区段后，下戗领先5m左右；当上戗承担3/4时，大流量下，40～80m区段反而由上戗领先进占，进入40m后，下戗渐渐领先。
而敏感性分析表明，在下戗未进入三角形区段时，流速对宽度不太敏感，例如在上戗口门宽度为70m，超进占或欠进占3m对流速的影响一般在5％内；在梯形区段向三角形区段过渡时，由于此时流速处于高速区段，宽度的影响更加小，大都在3％内（40±3m）；但进入三角形区段以后，宽度的影响迅速加大，最大可达10.4％（20±3m，上戗承担3/4落差，来流量为8000m3/s），这就提醒我们，在此区段应该严格按照上下游配合关系协调进占，同时做好备料工作，施工车辆和人员也应注意安全（流速突然增大时对戗堤底部的淘刷可能会引起堤头坍塌）。
上下戗堤进占配合图（10000m3/s）见图3，上戗龙口流速对口门宽度敏感性（±3m）简表见表1。
表1 一戗龙口流速对口门宽度敏感性简表（±3m）上戗宽度（m）704020工况原流速
（m/s）敏感性
（%）敏感性
（%）原流速
（m/s）敏感性
（%）敏感性
（%）原流速
（m/s）敏感性
（%）敏感性
（%）1/3，100003.631.4-1.75.032.2-2.24.87-4.17.01/3，85003.161.6-1.34.302.3-2.14.40-7.04.81/2，90003.871.8-1.85.562.0-2.54.92-7.76.71/2，85003.671.9-1.65.262.3-2.54.74-8.47.02/3，90004.342.3-2.16.300.6-1.95.13-9.06.62/3，85004.111.9-2.26.001.3-2.24.94-9.37.13/4，85004.292.3-2.16.280.5-1.95.01-10.27.43/4，80004.042.2-2.05.971.5-2.34.82-10.47.7var_userid='';var_siteid=2230;var_istoken=1;var_model='Model03';WebPageSpeed=422;UrchinTrack（）;
2.2壅水时间计算
双戗堤截流的最大优点是两戗共同分担截流落差，特别是当上戗堤龙口水力条件非常困难时，下戗是否能及时进占，争取承担更多的落差，及时改善上戗龙口水力条件，则是评价双戗截流是否成功的关键。
上戗困难区段一般出现在龙口平均流速超过4m/s后，此时由于龙口流速较大，较小的抛投材料难以稳定，而且湍急的水流淘刷戗堤堤脚，可能使堤头发生坍塌，因此如果准备不足，很有可能会出现戗堤不进反退的情况。
如果此时下戗能够及时地快速进占，壅高上戗下游水位，则可以降低上戗龙口流速和落差，使上戗顺利渡过困难段。
2.2.1计算模型及方法
上下戗堤协调进占的另一个关键问题就是研究当上戗进入困难段时，下戗如何及时进占，以便在最短时间内改善上戗龙口水力条件问题。
下戗从开始进占至上戗龙口水力条件达到改善的时间称为壅水时间，壅水时间分为两部分――下戗的进占时间，称之为进占时间，其与进占的强度和方量有关；水波自下戗龙口传播至上戗龙口的时间，称之为水波传播时间，与下戗龙口水深和两戗间距等有关。
进占时间容易得到，而水波传播时间则需详加研究，现推导如下：
假设上戗堤的下游不存在任何别的建筑物，水流就很自然地扩散流向下游，正是由于下戗堤的存在，改变了上戗龙口的水流特性，因此下戗可视为上戗龙口边界条件的改变而对水流产生了干扰。
可用干扰波理论对雍水的实质进行解释。
干扰波是水流由波源处开始以单个小波的形式传播的，看起来是一个大的波体，这是由于相邻波的快速移动形成的，它表现为水体的水位、流速变化。
波是向四周传播的，由于我们研究的是两道戗堤之间的水体变化情况，长度方向相对于河宽大得多，水体横向坡降忽略不计，波的横向传播也不计。
水波由下游传到上游属于逆行波，因此可以用波速理论来计算雍水时间，波源就是下游戗堤龙口。
波速：
h指下游龙口水深，则干扰波向上游传播的速度为
υ=c-υ0
υ0为两戗堤之间水流流速（除去回流区），下面来推导雍水时间计算式：
如图4，回流边界曲线近似为抛物线，方程为：
由上式可知，只要知道龙口水面宽、两戗间距等参数即可求出传播时间。
2.2.2计算结果及分析
壅水时间包括水波传递时间和下戗进占时间，计算结果表明水波传递时间较短，一般在2～3min左右，而下戗进占时间则影响因素很多，除主要因素抛投强度和进占长度外，还与流失量、抛投材料的粒径与浸润角等有关，为计算简便起见，根据经验将流失量统一定为10％，堤头进占坡角1∶1.2，下戗龙口平抛垫底至50m高程。
本文计算工况为下戗进占以使上戗承担落差由2/3减至1/2的情况，计算结果参见表2，需要说明的是壅水是一个渐进的过程。
由于壅水时间的人为控制因素较多，故本次计算结果仅供参考。
通过结果可知，而抛投强度对进占时间的影响很大，为节约时间，在上戗困难时及时壅高水位，建议下戗采用降低堤顶高程以加速推进的方案，渡过困难区段后再加高至设计高程。
表2 困难区段下戗配合壅水时间表来流量
（m3/s）上戗口门宽度
（m）706050403020下戗进占区段（m）
抛投方量（m3/s）
水波传播时间（分）69.3～55.1
14325
2.457.7～46.3
11513
2.545.7～37.6
8196
2.636.0～31.2
4879
2.622.7～21.0
1774
2.714.1～13.5
147
2.910000进占时
间（分）4000（方/时）
3000（方/时）
2000（方/时）215
287
430173
230
345123
164
24673
98
14627
35
532
3
4下戗进占区段（m）
抛投方量（m3/s）
水波传播时间（分）67.2～54.2
13146
2.356.1～45.6
10625
2.444.4～36.9
7531
2.535.5～30.6
4869
2.522.0～20.4
1623
2.613.2～12.6
134
2.79000进占时
间（分）4000（方/时）
3000（方/时）
2000（方/时）197
263
394159
213
31911.
151
22673
97
14624
32
492
3
4下戗进占区段（m）
抛投方量（m3/s）
水波传播时间（分）65.0～53.3
11815
2.154.4～44.8
9607
2.243.1～36.3
6795
2.334.6～28.0
6643
2.322.0～19.9
2067
2.412.3～11.7
122
2.58000进占时
间（分）4000（方/时）
3000（方/时）
2000（方/时）177
236
354144
192
288102
136
204100
133
19931
41
622
2
4var_userid='';var_siteid=2230;var_istoken=1;var_model='Model03';WebPageSpeed=422;UrchinTrack（）; 3结论及建议
经本次对三峡三期双戗堤截流上下游进占协调配合的各种问题进行研究后，可以得到如下结论：
（1）在各种落差分配比下的上下戗堤进占协调配合关系计算表明，在上戗承担1/3落差时，下戗领先进占得较多，在上戗口门宽80m时下戗领先达29m左右，即使在上戗口门宽50m时，下戗领先也达18m左右；在两戗平分落差时，下戗只需领先进占8～15m左右即可；而上戗承担2/3情况下，上下戗堤进占基本上同步，仅在上戗进入40m区段后，下戗领先5m左右；当上戗承担3/4时，大流量下，40～80m区段反而由上戗领先进占，进入40m后，下戗渐渐领先。
而敏感性分析表明，在下戗未进入三角形区段时，流速和落差对宽度不太敏感，但进入三角形区段以后，宽度的影响迅速加大，这就提醒我们在此区段时，应该严格按照上下游配合关系协调进占，同时做好备料工作，施工车辆和人员也应注意安全（流速突然增大时可能会引起堤头坍塌）。
（2）由于壅水时间的人为控制因素较多，故本次计算结果仅供参考。
通过计算结果可知，水波传播时间基本上可以忽略不计（2～3min），而抛投强度对进占时间的影响甚大，为节约时间，在上戗困难时及时壅高水位，建议下戗采用降低堤顶高程以加速推进的方案，渡过困难区段后再加高至设计高程。
（3）落差分配方案的选择牵涉到各种因素，单从截流困难度的分担来说，选择平分落差最好；但下戗平抛垫底后，下戗龙口处水深较小（13～18m），同样流速下同粒径抛投材料更容易稳定，流失量较小，且戗堤断面积也较小，故其具备快速领先进占的条件，可以分担更多落差，以利截流的顺利完成。
至于上戗承担3/4落差的情况，只有在极端情形下才会出现，建议不予考虑。
三峡导流明渠截流已经顺利完成，本文的前期研究成果已经应用于实际截流工程，从应用的效果和与实测参数的对比，可以看出此项研究成果是基本符合实际的，但由于导流底孔的泄流能力比计算值和试验值大，且部分时间段内下戗承担落差甚至超过了2/3，故上戗的流速比预计的稍小。
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