三峽工程大江截流與明渠截流安全進占措施

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1、前言
    長江三峽水利樞紐采用“三期導流、明渠通航”方案，其第二期截流即大江截流實際流量為11 600~8 480 m3/s，最大水深達60 m，均居世界首位；三期截流設計流量為10 300 m3/s,截流最大水深達24m，相應截流總落差為4.11 m。這兩次截流有一個共同的難點就是由水深引起的大規(guī)模堤頭坍塌以及由于大規(guī)模的堤頭坍塌而引發(fā)的堤頭安全進占問題，換言之，能否安全進占是截流成敗的關鍵。
    根據(jù)大量的理論研究、物理模型試驗以及數(shù)值計算成果，結合大江截流施工實際，在進占過程中，采取河床預平拋墊底、防護性進占、誘導坍塌及坍塌預報等一系列工程措施對于防止或減少堤頭坍塌，保障安全進占具有十分顯著的作用。
    2、安全進占工程措施
    2.1 預平拋墊底
    預平拋墊底即是在戧堤進占前，向戧堤基礎深槽部位從水面拋投砂卵石或塊石等物料，以使戧堤底部河床高程整體抬高的工程措施。通過預平拋墊底可以降低水深、減小進占戧堤的高度，因此，在三峽工程大江截流中被選為防止堤頭坍塌的最主要措施。
    在預平拋墊底實施之前，進行了有關模型試驗、現(xiàn)場實船拋投試驗等研究，研究成果表明：當水深由41 m減至27 m時，相應的坍塌面積、坍塌邊與堤邊的平均距離（即坍塌長度）、最大單次坍塌體積分別減少35%、27%、36%，當水深減至20 m時，上述各值分別減少64%、49%、55%。上述試驗成果可見，平拋墊底可以有效地減少坍塌范圍、長度和坍塌體積，但是，坍塌的次數(shù)、頻率未見有明顯的降低。
    三峽工程大江截流采用預平拋墊底再立堵進占的方案，一方面大大減少了坍塌的范圍和規(guī)模；另一方面，由于平拋墊底，使一部分工程量提前施工，減少了截流時的施工強度；第三是減小了戧堤的底寬，防滲墻軸線與戧堤軸線的距離由126 m減至81.3 m，使二期圍堰的斷面減小，從而減少圍堰填筑量約159萬m3；第四是預平拋墊底后，有效地減少了覆蓋層的沖刷，相應也減少了因覆蓋層被沖增加的填筑工程量。
    三峽工程三期截流采用雙戧雙向立堵截流方式，上、下游截流龍口部位均設置墊底加糙攔石坎，可以十分有效地減小截流水深，進而減小進占堤頭的坍塌規(guī)模，提高截流施工的安全度。
    2.2 防護性進占
    (1)堤頭挑流和堰體尾隨拋投
    堤頭挑流和堰體尾隨拋投是利用戧堤和堰體的設計特點，在戧堤進占時，向上游角或同時向上、下游角凸出進占，挑開急流，形成戧端緩流區(qū)，以保護堤頭拋填進占，同時戧堤兩側的堰體跟進尾隨拋填，以防護進占戧堤側面坍塌的措施。
    在三峽工程大江截流施工過程中，無論是在非龍口段，還是在龍口段，均出現(xiàn)了頻繁坍塌致使拋投進占迂回不前的情況。如在非龍口段填筑中，1997年10月14日右上戧堤出現(xiàn)連拋130車石料僅延伸0.1~0.2 m的滯進現(xiàn)象；10月15日2∶00~4∶00，由于當時流量和流速都較大，分別達17 000 m3/s和3.27 m/s，連續(xù)拋投200余車石料，戧堤幾乎沒有延伸；又如，在龍口段進占填筑中，1997年10月26日當龍口寬度縮窄至100 m左右時，左上戧堤連續(xù)拋投近3個小時毫無進展，使截流進占陷入停滯狀態(tài)等。對此，果斷采取了動用大塊石或特大石，在戧堤上游側（或下游側）集中拋投以形成挑角的工程措施；經過實施，效果非常明顯，堤頭在挑角的防護下繼續(xù)向前推進，有效地推動了進占的正常延伸。與此同時，三峽工程大江截流的上下左右四個進占堤頭均采用了堰體材料尾隨填筑的措施，它十分有效地防護了截流戧堤的側向坍塌，同時，還為截流戧堤進占提供了較寬的作業(yè)平臺，對于三峽工程大江深水截流堤頭起到了安全保障作用。
    三峽工程三期截流可采取寬戧（堤頂寬＞30 m）雙向進占措施，并在進占的過程中，運用堤頭挑流和堰體尾隨拋投的進占方式以順利推進戧堤合龍。
    (2)高強度進占拋投
    高強度進占拋投是從施工組織的角度所采取的一種防護性工程措施。它主要是在截流進占水力學條件最不利的情況下，加大拋填強度，突擊進占，從而闖過水力學難關的截流方法。 在三峽工程大江截流中，運用優(yōu)化堤頭進占行車線路、采用大噸位運輸車輛等措施大大提高了堤頭進占的拋投強度。如在非龍口段實戰(zhàn)演習中，實現(xiàn)了晝夜拋投強度19.4萬m3；在龍口段截流進占最困難段的突擊進占中，實現(xiàn)了晝夜拋投12.8萬m3等，拋投強度都非常高。
    利用高強度進占拋投在三峽工程大江截流中產生了良好的效果，在1997年10月14~15日的晝夜高強度進占拋投期間，左右岸截流戧堤僅坍塌7次，其中規(guī)模最大的一次發(fā)生在左上戧堤迎水側，其坍塌面積僅為44m2；左下堤頭僅坍塌2次。這與模型試驗的頻繁大規(guī)模坍塌結論相比有顯著地改善，因此，高強度拋填對于減輕堤頭坍塌程度有著直接作用。
    三峽工程三期截流可在左右兩岸提前備料，并在突破水力學難關的關鍵時刻采取高強度進占拋投方式，不僅能加快拋填進度，而且還能縮減坍塌規(guī)模。
    (3)變換堤頭拋填方法拋投
    變換堤頭拋填方法是根據(jù)截流龍口的寬度、水深、流量、流速以及填料特性等，相應采取的防止或躲避堤頭坍塌的靈活拋投方法。由于坍塌的部位發(fā)生在堤頭，而進占拋投作業(yè)的機械和人員也在堤頭頂部，因此，對于堤頭頂部設備及人員的安全除了制定一套嚴格的操作規(guī)程之外，采取靈活的防范坍塌的拋填措施十分重要。
    三峽工程大江截流在不同的條件下采取了不同的堤頭拋填方法，主要為：在坍塌剛剛發(fā)生過后，形成了新的穩(wěn)定邊坡，在此往后的一段時間內，不會有坍塌發(fā)生，這時就采取自卸汽車直接卸料拋投的方法。隨著拋投的推進，堤頭邊坡逐漸變陡，汽車直接拋投已不安全，這時就改用汽車堤頭集料，長臂推土機趕料拋投的方法。隨著堤頭邊坡的進一步變陡，雖已陡于臨界坡度，但在顆粒的咬合作用下仍未坍塌，這時即改用汽車載大塊石或特大石沖砸拋投的方法。由于靈活地運用了上述拋投方法，一方面保證了施工過程中機械和人身的安全，另一方面也保證了截流進占的順利推進。在截流進占過程中，未發(fā)生機械和人身死亡事故。 三峽工程三期截流采用寬戧進占時，非常適宜采用變換堤頭拋填方法拋投，這樣可以不失時機地搶占有利進占勢態(tài)，保障截流戧堤科學地推進。
    2.3 誘導坍塌
    誘導坍塌是因勢利導人為引發(fā)戧堤堤頭坍塌從而保障進占安全的一項工程措施。由于深水截流中堤頭坍塌的產生是一種必然現(xiàn)象，既然如此，與其被動地遭受坍塌，不如在它即將坍塌之前創(chuàng)造條件引發(fā)它坍塌，這樣，就可以做到對坍塌實行安全預防，從而避免坍塌造成的損失。通常，當戧堤堤頭坡度陡于填料的自然穩(wěn)定坡度并接近于臨界坡度時，即可實施誘導坍塌措施。
    誘導坍塌的工程措施有很多種，主要包括機械擾動、流體擾動和水下爆破等。三峽工程大江截流施工中，由于考慮到施工條件和保障截流進程等多方面原因，主要采用了機械擾動輔助措施來誘導坍塌。其中，運用得較多和較好的是大塊石或特大石拋投卸料沖砸和通過工程船舶進行水下擾動。實施情況表明，每一次的誘導坍塌只要能夠掌握時機，都能使誘導坍塌獲得成功，從而避免自然坍塌可能造成的機毀人亡安全事故。
    鑒于三峽工程三期截流上、下游龍口寬度分別僅為150 m和140 m，因此比較適合于采取大塊石卸料沖砸的誘導坍塌措施，直接從岸上改善堤頭坡度，將事故消滅于萌芽之中。
    2.4 坍塌預報與預防
    坍塌預報與預防是通過對可能坍塌的預測，使施工進入預先防備坍塌產生的狀態(tài)，最終做到在坍塌實際發(fā)生的過程中，不傷亡任何設施和人員，從而保障進占安全順利進行的措施。具體預報方法有以下幾種：
    (1)理論模型計算預報
    通過建立坍塌計算的模型，計算出不同流量、不同口門寬度和不同拋投料粒徑下的堤頭坍塌長度、高度和體積，并繪成圖表，以利工程人員在現(xiàn)場直接查用，作出坍塌預報。
    (2)戧堤縱斷面測圖預報
    在戧堤進占過程中，實時對戧堤縱斷面進行測圖，以了解堤頭坡度的現(xiàn)狀和變化情況，并根據(jù)測圖成果和拋填進占的水深、強度等各項參數(shù)，對照拋填材料的穩(wěn)定坡度與臨界坡度，進行堤頭坍塌預報。
    (3)堤頂裂縫監(jiān)測預報
    通常堤頭坍塌的發(fā)生都是有征兆的。通過對堤頭所出現(xiàn)的沉降和裂縫特征參數(shù)及其變化的監(jiān)測，再對照根據(jù)現(xiàn)場各項條件所制定的判別標準作出坍塌預報。
    除以上3種預報方法之外，還有經驗方法推測預報，即以大量模型試驗、統(tǒng)計規(guī)律和工程實際經驗為基礎，通過對堤頭現(xiàn)實狀況的分析、判別作出坍塌預報，等等。
    在三峽工程大江截流施工中，截流進占的上、下、左、右四個堤頭的12個工作面均采用了理論模型計算預報、戧堤縱斷面測圖預報、堤頂裂縫監(jiān)測預報和經驗方法推測預報等方法，有時同時利用多種方法預報以便相互映證。實施結果表明，凡規(guī)模較大、較典型的坍塌均得到了較及時的測報，坍塌時間預報的精度相差在一個小時以內。坍塌的預防工作以預報成果為基礎，果斷采取資源撤離、誘導坍塌等措施，使堤頭坍塌不造成任何損失，對于整個截流進占過程中無安全事故起到了重要保障作用。
    三峽工程三期截流可廣泛采取上述各種監(jiān)測預報方法，通過理論計算和經驗推測提前做出堤頭坍塌的準確判斷，使坍塌事故得到有效地預防。
    3、結語
    三峽工程大江截流于1996年下半年開始試驗段填筑，經過平拋墊底、非龍口段、龍口段進占，于1997年11月8日勝利實現(xiàn)戧堤合龍，實現(xiàn)了“高速、安全、正點”的目標。在截流實施過程中，共遭遇坍塌44次，最大坍塌面積達96 m2，但卻未造成任何人身傷亡，創(chuàng)造了世界大江大河截流史上的奇跡。
    三峽工程三期截流將于2001年11月下半月實現(xiàn)進占合龍，我們完全有理由相信，在大江截流成功經驗的借鑒下，每一個截流進占目標都一定能安全、圓滿地實現(xiàn)。