三峽工程深水截流堤頭坍塌規(guī)律分析

作者：周厚貴　　評論：　更新日期：2009年04月18日

1　概述

　　三峽工程大江截流是最典型的深水截流工程，其最大水深達(dá)60m，設(shè)計截流流量19 400～14 000m^³/s，均居世界首位。

　　由于截流水深大，進(jìn)占堤頭的坍塌與穩(wěn)定問題成為截流實施過程中首當(dāng)其沖的關(guān)鍵問題。因此，圍繞這一技術(shù)難點(diǎn)廣泛深人開展了理論、試驗分析研究。本文擬根據(jù)截流堤頭坍塌理論模型求解計算及預(yù)報研究成果，并參考截流堤頭坍塌物理模型試驗成果，分析深水截流堤頭坍塌的一些基本規(guī)律，并由此提出對深水截流難度的新認(rèn)識。

2堤頭坍塌的基本規(guī)律

2.1　引發(fā)坍塌的主要原因

　　從力學(xué)平衡角度建立的堤頭坍塌的數(shù)學(xué)模型研究可知,在深水截流中，由于水深坡長，拋投塊體在水流的沖擊作用下往往難以一次最終到位；加之戧堤坡面粗糙，C值增大．使塊體諒落到一定距離后就近止功，形成較陡的堆積體。當(dāng)繼續(xù)拋投，被面坡度增加到一定程度后，使塊體在坡面的下滑力超過了堆體坡面的摩阻力，在上部加載、振動及其他人為因素影響下。使塊石C值急劇降低，從而誘發(fā)堤頭部位突然坍塌。水愈深，堆體愈高，坍塌也就愈劇烈和頻繁，直到穩(wěn)定邊坡的基礎(chǔ)堆體隨著坍塌而不斷加寬增高，其頂部水深逐漸變淺，坍塌才會減緩和停止。可見，材料的穩(wěn)定坡角對坍塌起著控制作用。

2.2深水提頭坍塌和多次性

　　在深水截流的堤頭坍塌中，大多出現(xiàn)不先全坍塌，在多次不完全坍塌的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生一輪完全坍塌。其過程描述為：當(dāng)?shù)赝读贤迫胨袝r，拋投料滾落到約5～10m水深處停止?jié)L動，隨著進(jìn)占繼續(xù)，戧堤進(jìn)占而為5～l9m水深以上堆料坡度逐漸變陡，當(dāng)達(dá)到1:1.1或更陡時。即發(fā)生坍塌。一般首次坍塌尚不能使拋投料滾落到底，而往往在坡中水深約10～20m處又一次停止?jié)L動，形成暫時穩(wěn)定，拋投坡度達(dá)到1:1.1左右時，一旦受到外界的擾動(如大粒徑拋投料的滾動，個別拋投體失穩(wěn)及水流沖刷作用等)，即帶動拋投料群體下滑滾動，形成第二次坍塌；水深較深時，還可能形成第三次或更多次坍塌。發(fā)生大坍塌后形成的坡度較緩，一般為1:1.4或更緩。通常首次坍塌面積較小，第二次面積加大，再后次數(shù)的面積更大。

　由此可見。水深與堤頭坍塌的多次性有著密切的關(guān)系，正是水深決定了一輪完全坍塌中的坍塌次數(shù)。水越深。—次完全坍塌中的個完全坍塌次數(shù)就越多。

2.3坍塌規(guī)模的規(guī)律性

　在對堤頭坍塌數(shù)學(xué)模型的建立與求解中，坍塌規(guī)模用堤頂坍塌長度L、坍塌體積Vs等量來表示。研究分析表明，坍塌長度和體積均與水深、流量、拋投材料的臨界坡度和穩(wěn)定坡度、戧堤外形尺寸等有關(guān)，其中，水深對坍塌規(guī)模起著關(guān)鍵作用。在無水流沖刷條件下，對于給定的拋投材料，其穩(wěn)定坡角即給定。當(dāng)水深h達(dá)到2B0/ctana₂后，坍塌體積V_s隨h的變化呈現(xiàn)正增長，表明了坍塌規(guī)模存在著一個水深臨界值，當(dāng)水深超出該臨界值時，坍塌規(guī)模(體積)將顯著增大，對于三峽工程大江截流，計算得出該水深臨界值為28.6m。

　　三峽工程大江截流施工龍口分區(qū)圖如圖l所示，在截流水深恒定的條件下，當(dāng)龍口寬度為80m左右時，龍口水深處于(從最深處轉(zhuǎn)向與戧堤底部相接)由深變淺的轉(zhuǎn)折部位，坍塌規(guī)模最大的時段就發(fā)生在戰(zhàn)堤底部即將與戧堤底部相接前的龍門最深部價進(jìn)占期間，亦即深水截流進(jìn)占的最困難階段。

2.4　坍塌頻率規(guī)律性

　　坍塌頻率是指一定的進(jìn)占長度內(nèi)的坍塌總次數(shù)，它是坍塌依賴于時間的某種關(guān)系。因此，對于停止進(jìn)占情況下的戧堤，其坍塌主要取決于水力和拋填材料的特性；而對處于進(jìn)占狀態(tài)下的戧堤。則還要取決于進(jìn)占拋填施工強(qiáng)度。

24t(1).gif (3503 bytes)

圖1 龍口分區(qū)圖

　　下面來推求兩輪坍塌之間的時間間隔。假定堤頭進(jìn)占拋填強(qiáng)度為：

R＝V_t/t

(1)

式中V_t—拋填體積，m^³；

　t—時段長，h。

　若每輪坍塌均為二次坍塌,于是，在兩輪坍塌之間的填筑料總量則為前一輪坍塌后從穩(wěn)定坡度填筑到臨界坡度的填筑體積Vs與后—輪坍塌體積V之和，即

　　V_k＝V_s十V

　(2)

式中V_s(如圖2)可由下式求得

V_s＝B₀H₀^²/2sina₁sina₂·sin(a₁－a₂)

(3）

V可由下式求得

V＝(ctana₂－ctana₁)(B₀/2＋1/3Hctana₂)H^²+(B₀+H₁ctana₂)H₁D/sina₁

（4）

式中：B₀為堤頂寬度；

　H₀為戧堤高度(或水深)；

　H_l為凸體長度；

D為凸體高度；

25t(2).gif (1727 bytes) 圖2 拋填進(jìn)占體積計算示意圖

a₁為臨界坡度；

a₂為穩(wěn)定坡度。

當(dāng)V_k＝V_t時，聯(lián)立式(1)和式(2)求解得

t＝1/R(V_s+V)

(5)

由上式即可求得坍塌的時間間隔，進(jìn)而求出坍塌頻率。

　以長江三峽工程大江截流的進(jìn)占拋投為例，其計算條件為a₁＝45°，a₂＝35.5°，B₀＝20m，H＝10m，H₁＝8m，D＝2m，R_設(shè)＝3500m^³/h ，由此即可計算出不同水深下的每一輪坍塌時間間隔，見表l。

　從上表可知，每一輪的坍塌時間間隔是隨著水深的減小而縮短的。但這并不意著水深越大，坍塌的次數(shù)就越少，因為在每一輪的坍塌過程中，水深越大，它所經(jīng)

表l 不同水深下每一輪坍塌時間間隔計算值表

水深H₀/m	拋投體積V_y+V/m	坍塌間隔t/h

41	7525	2：09
27	3705	1：04
20	2653	0：41

歷的不完全坍塌的次數(shù)就越多。比如。在水深20～27m的情況下，一般會出現(xiàn)二次坍塌，則相應(yīng)的坍塌時間間隔將分別縮為21～32min左右。通過模型試驗也得出了深水截流戧堤坍塌頻率的類似結(jié)果，見表2。

表2 不同水深下堤頭坍塌試驗成果


水深 H₀/m	試驗項目	龍口口門寬/m
水深 H₀/m	試驗項目	120～110	110～110	100～90	90～80	80～70	70～60	60～50

41	坍塌次數(shù)	8	7	7	8	10
	坍塌間隔/min	59	54	50	44	35
	最大單次坍塌面積/m²	216	250	232	228	242
27	坍塌次數(shù)	—	5	7	5	8	9
	坍塌間隔/min	—	63	45	57	38	33
	坍塌間隔/min	—	63	45	57	38	33
	最大單次坍塌面積/m²	—	110	150	160	135	120
20	坍塌次數(shù)	6	8	9	7	7	9	6
	坍塌間隔/min	26	25	20	25	28	22	31
	最大單次坍塌面積/m²	60	50	30	90	90	92	113

從表2可以看出，與單次坍塌面積相對應(yīng)的龍口寬度正處于戧堤坡底即將對接的位置，此時龍口水深正處于由深變淺的轉(zhuǎn)變時期，這說明，坍塌規(guī)模隨著水深的變化而變化。同時，與單次坍塌最大面積相對應(yīng)的坍塌間隔也最大，這說明，間隔的時間越長，就預(yù)示著即將坍塌的規(guī)模就越大。

3　深水截流難度的新認(rèn)識

　以往，人們衡量截流難度。往往是從截流的水力學(xué)指標(biāo)來考慮。與立堵截流有關(guān)的水力因素一般有總流量Q、總落差Z、最大流速ν、河寬B、龍門寬度b、河道水深、龍口單寬流量q、龍口中寬能量N、河道總能量N₀等。這些參數(shù)中，究竟哪個是截流難度的判別標(biāo)準(zhǔn)呢?最早人們采用水流比能強(qiáng)度，即拋投體所受沖擊力的大小。因而將拋投塊體大小的程度作為“截流難度”，而拋投塊體的大小與落差Z及最大流速ν息息相關(guān)，因此多是用Z和ν來衡量立堵截流難度。

但是單純用Z或ν值不足以反映大江大河的截流難度。顯然在相同的Z值情況下，大江大河的截流比小河的截流困難，葛洲壩工程大江截流后，人們對截流的難度有了進(jìn)一步的認(rèn)識，認(rèn)為除了Z或ν以外，還應(yīng)考慮拋投的工程量、分流量及施工強(qiáng)度等因素，稱之為“截流規(guī)?！薄Ｈ龒{工程大江截流，則進(jìn)一步引起了人們對深水截流難度的新的認(rèn)識。

3.1衡量截流難度的指標(biāo)

武漢水利電力大學(xué)肖煥雄教授認(rèn)為：影響截流困難程度的因素很多，至少有下面一些：

　D＝f(Q，Z，ν，W，Q_f，h，γ_m，F(xiàn)_m，I_m，b_r，S)

其中　Q—龍口流量；

　Z—龍口落差；

　 ν—龍口流速；

　　 W—龍口寬度；

　　　　Q_f—導(dǎo)流分流量；

　　h—龍口水深；

　　γ_m—截流材料容重；

　　F_m—截流塊體形狀；

　I_m—截流材料拋投強(qiáng)度；

　B_r—河床地形；

　S—截流材料組成。

從上式可以看出。由于影響立堵截流的因素多而復(fù)雜，要想用一個綜合指標(biāo)來衡量它是很困難的。目前國際上廣泛流行的綜合指標(biāo)中以龍口水流單寬功率E較為典型，有如下表達(dá)式：

E＝γqZ＝γhνZ

(7)

式中γ—水的容重：

q—龍口水流單寬能量；

　h—龍口水深；

　　Z—龍門落差；

ν—龍口流速，

　分析式(7)不難看出，E代表了龍口水流動能。既包含了υ，又包括了Z，這是很合理的；同時平堵截流的實踐也證明了將E作為衡量平堵截流困難程度基本上是正確的，但它確又包括了一項水深因素，這就值得研究了。

　 在平堵截流中，當(dāng)出現(xiàn)E的最大值時，記為N_m。則有

　N_m＝γh_k·υ_k·Z_k

(8)

　式中H_k——平堵截流中的臨界水深，它由下式確定

　h_k≈Z_k

故(8)式可改寫為

　N_m＝γυ_k·Z^²_k＝γ/4g^²φ^²·υ_k^⁵

(9)

　由(9)式看出,平堵截流中的N_m實際上取決于龍口流速的高次方，顯然，它可以衡量流的難度。但在立堵截流中，當(dāng)N_m出現(xiàn)時，龍口水深h遠(yuǎn)比Z大，有時h要比z大若干倍,基至幾十倍(如三峽工程截流)，即

　N_m＝γqZ＝γhυZ》γZ^²υ

(10)

　由(10)式可看出，立堵截流中的Nm、實際上是突出了龍口水深的作用，這是與平堵截流顯著不同的。這就說明了N_m、不是衡量立堵截流的一個普遍綜合指標(biāo)，值得進(jìn)一步研究。

綜上所述，要從理論上導(dǎo)出一個截流難度的普遍綜合指標(biāo)是比較困難的。但就深水截流難度指標(biāo)而言，本文提出采用“坍塌強(qiáng)度R_s”(即每次的塌落方量V_s)概念。根據(jù)深水截流堤頭坍塌及穩(wěn)定性研究所建立的理論模型有：

　R_s＝V_s＝Ah^²+Bh^³

(11)

　式中，A、B均為化簡系數(shù)。

　由式(11)可見，坍塌強(qiáng)度R_s取決于龍口水深h的高次方，由于坍塌強(qiáng)度Rs越大，相應(yīng)的裁流難度就越大。因此，龍口水深決定了深水截流的截流難度。

3.2　深水截流難度的新認(rèn)識

　綜上分析，無論是從“坍塌強(qiáng)度”還是從“截流難度”的意義上。對于深水立堵截流情況而言，水深都是其中最具影響的難度指標(biāo)之一。

　根據(jù)理論模型建立及分析計算，三峽工程大江截流在龍口水深h＝28.6m時，處于水深臨界值，當(dāng)超過該值時，對施工安全的威脅性就增大，相應(yīng)府的截流難度也增大。因此，必須采取各種措施將截流水深減小到28.6m以內(nèi)，以降低截流難度。

總之，采用傳統(tǒng)的流速υ與落差Z或采用截流總能量N(或最大單寬功率N_m)的指標(biāo)衡量深水截流難度，都將使深水截流的實際難度難以得到普遍綜合衡量。而深水截流最突出的難點(diǎn)則是由水深引起的大規(guī)模堤頭坍塌問題以及由人規(guī)模堤頭坍塌而引起的堤頭進(jìn)占安全問題。