三峽工程大江截流與明渠截流安全進(jìn)占措施

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1、前言
    長(zhǎng)江三峽水利樞紐采用“三期導(dǎo)流、明渠通航”方案，其第二期截流即大江截流實(shí)際流量為11 600~8 480 m3/s，最大水深達(dá)60 m，均居世界首位；三期截流設(shè)計(jì)流量為10 300 m3/s,截流最大水深達(dá)24m，相應(yīng)截流總落差為4.11 m。這兩次截流有一個(gè)共同的難點(diǎn)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(jìn)占問題，換言之，能否安全進(jìn)占是截流成敗的關(guān)鍵。
    根據(jù)大量的理論研究、物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算成果，結(jié)合大江截流施工實(shí)際，在進(jìn)占過程中，采取河床預(yù)平拋墊底、防護(hù)性進(jìn)占、誘導(dǎo)坍塌及坍塌預(yù)報(bào)等一系列工程措施對(duì)于防止或減少堤頭坍塌，保障安全進(jìn)占具有十分顯著的作用。
    2、安全進(jìn)占工程措施
    2.1 預(yù)平拋墊底
    預(yù)平拋墊底即是在戧堤進(jìn)占前，向戧堤基礎(chǔ)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(yù)平拋墊底可以降低水深、減小進(jìn)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(yù)平拋墊底實(shí)施之前，進(jìn)行了有關(guān)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船拋投試驗(yàn)等研究，研究成果表明：當(dāng)水深由41 m減至27 m時(shí)，相應(yīng)的坍塌面積、坍塌邊與堤邊的平均距離（即坍塌長(zhǎng)度）、最大單次坍塌體積分別減少35%、27%、36%，當(dāng)水深減至20 m時(shí)，上述各值分別減少64%、49%、55%。上述試驗(yàn)成果可見，平拋墊底可以有效地減少坍塌范圍、長(zhǎng)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(yù)平拋墊底再立堵進(jìn)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(shí)的施工強(qiáng)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(yù)平拋墊底后，有效地減少了覆蓋層的沖刷，相應(yīng)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(shè)置墊底加糙攔石坎，可以十分有效地減小截流水深，進(jìn)而減小進(jìn)占堤頭的坍塌規(guī)模，提高截流施工的安全度。
    2.2 防護(hù)性進(jìn)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(shè)計(jì)特點(diǎn)，在戧堤進(jìn)占時(shí)，向上游角或同時(shí)向上、下游角凸出進(jìn)占，挑開急流，形成戧端緩流區(qū)，以保護(hù)堤頭拋填進(jìn)占，同時(shí)戧堤兩側(cè)的堰體跟進(jìn)尾隨拋填，以防護(hù)進(jìn)占戧堤側(cè)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(jìn)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(jìn)現(xiàn)象；10月15日2∶00~4∶00，由于當(dāng)時(shí)流量和流速都較大，分別達(dá)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(jìn)占填筑中，1997年10月26日當(dāng)龍口寬度縮窄至100 m左右時(shí)，左上戧堤連續(xù)拋投近3個(gè)小時(shí)毫無進(jìn)展，使截流進(jìn)占陷入停滯狀態(tài)等。對(duì)此，果斷采取了動(dòng)用大塊石或特大石，在戧堤上游側(cè)（或下游側(cè)）集中拋投以形成挑角的工程措施；經(jīng)過實(shí)施，效果非常明顯，堤頭在挑角的防護(hù)下繼續(xù)向前推進(jìn)，有效地推動(dòng)了進(jìn)占的正常延伸。與此同時(shí)，三峽工程大江截流的上下左右四個(gè)進(jìn)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(hù)了截流戧堤的側(cè)向坍塌，同時(shí)，還為截流戧堤進(jìn)占提供了較寬的作業(yè)平臺(tái)，對(duì)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(jìn)占措施，并在進(jìn)占的過程中，運(yùn)用堤頭挑流和堰體尾隨拋投的進(jìn)占方式以順利推進(jìn)戧堤合龍。
    (2)高強(qiáng)度進(jìn)占拋投
    高強(qiáng)度進(jìn)占拋投是從施工組織的角度所采取的一種防護(hù)性工程措施。它主要是在截流進(jìn)占水力學(xué)條件最不利的情況下，加大拋填強(qiáng)度，突擊進(jìn)占，從而闖過水力學(xué)難關(guān)的截流方法。 在三峽工程大江截流中，運(yùn)用優(yōu)化堤頭進(jìn)占行車線路、采用大噸位運(yùn)輸車輛等措施大大提高了堤頭進(jìn)占的拋投強(qiáng)度。如在非龍口段實(shí)戰(zhàn)演習(xí)中，實(shí)現(xiàn)了晝夜拋投強(qiáng)度19.4萬m3；在龍口段截流進(jìn)占最困難段的突擊進(jìn)占中，實(shí)現(xiàn)了晝夜拋投12.8萬m3等，拋投強(qiáng)度都非常高。
    利用高強(qiáng)度進(jìn)占拋投在三峽工程大江截流中產(chǎn)生了良好的效果，在1997年10月14~15日的晝夜高強(qiáng)度進(jìn)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(cè)，其坍塌面積僅為44m2；左下堤頭僅坍塌2次。這與模型試驗(yàn)的頻繁大規(guī)模坍塌結(jié)論相比有顯著地改善，因此，高強(qiáng)度拋填對(duì)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(xué)難關(guān)的關(guān)鍵時(shí)刻采取高強(qiáng)度進(jìn)占拋投方式，不僅能加快拋填進(jìn)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(yīng)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(jìn)占拋投作業(yè)的機(jī)械和人員也在堤頭頂部，因此，對(duì)于堤頭頂部設(shè)備及人員的安全除了制定一套嚴(yán)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(shí)間內(nèi)，不會(huì)有坍塌發(fā)生，這時(shí)就采取自卸汽車直接卸料拋投的方法。隨著拋投的推進(jìn)，堤頭邊坡逐漸變陡，汽車直接拋投已不安全，這時(shí)就改用汽車堤頭集料，長(zhǎng)臂推土機(jī)趕料拋投的方法。隨著堤頭邊坡的進(jìn)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(shí)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(yùn)用了上述拋投方法，一方面保證了施工過程中機(jī)械和人身的安全，另一方面也保證了截流進(jìn)占的順利推進(jìn)。在截流進(jìn)占過程中，未發(fā)生機(jī)械和人身死亡事故。 三峽工程三期截流采用寬戧進(jìn)占時(shí)，非常適宜采用變換堤頭拋填方法拋投，這樣可以不失時(shí)機(jī)地?fù)屨加欣M(jìn)占勢(shì)態(tài)，保障截流戧堤科學(xué)地推進(jìn)。
    2.3 誘導(dǎo)坍塌
    誘導(dǎo)坍塌是因勢(shì)利導(dǎo)人為引發(fā)戧堤堤頭坍塌從而保障進(jìn)占安全的一項(xiàng)工程措施。由于深水截流中堤頭坍塌的產(chǎn)生是一種必然現(xiàn)象，既然如此，與其被動(dòng)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(duì)坍塌實(shí)行安全預(yù)防，從而避免坍塌造成的損失。通常，當(dāng)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(shí)，即可實(shí)施誘導(dǎo)坍塌措施。
    誘導(dǎo)坍塌的工程措施有很多種，主要包括機(jī)械擾動(dòng)、流體擾動(dòng)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(jìn)程等多方面原因，主要采用了機(jī)械擾動(dòng)輔助措施來誘導(dǎo)坍塌。其中，運(yùn)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(jìn)行水下擾動(dòng)。實(shí)施情況表明，每一次的誘導(dǎo)坍塌只要能夠掌握時(shí)機(jī)，都能使誘導(dǎo)坍塌獲得成功，從而避免自然坍塌可能造成的機(jī)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(dǎo)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(yù)報(bào)與預(yù)防
    坍塌預(yù)報(bào)與預(yù)防是通過對(duì)可能坍塌的預(yù)測(cè)，使施工進(jìn)入預(yù)先防備坍塌產(chǎn)生的狀態(tài)，最終做到在坍塌實(shí)際發(fā)生的過程中，不傷亡任何設(shè)施和人員，從而保障進(jìn)占安全順利進(jìn)行的措施。具體預(yù)報(bào)方法有以下幾種：
    (1)理論模型計(jì)算預(yù)報(bào)
    通過建立坍塌計(jì)算的模型，計(jì)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(zhǎng)度、高度和體積，并繪成圖表，以利工程人員在現(xiàn)場(chǎng)直接查用，作出坍塌預(yù)報(bào)。
    (2)戧堤縱斷面測(cè)圖預(yù)報(bào)
    在戧堤進(jìn)占過程中，實(shí)時(shí)對(duì)戧堤縱斷面進(jìn)行測(cè)圖，以了解堤頭坡度的現(xiàn)狀和變化情況，并根據(jù)測(cè)圖成果和拋填進(jìn)占的水深、強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)照拋填材料的穩(wěn)定坡度與臨界坡度，進(jìn)行堤頭坍塌預(yù)報(bào)。
    (3)堤頂裂縫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)
    通常堤頭坍塌的發(fā)生都是有征兆的。通過對(duì)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(cè)，再對(duì)照根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)條件所制定的判別標(biāo)準(zhǔn)作出坍塌預(yù)報(bào)。
    除以上3種預(yù)報(bào)方法之外，還有經(jīng)驗(yàn)方法推測(cè)預(yù)報(bào)，即以大量模型試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)規(guī)律和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過對(duì)堤頭現(xiàn)實(shí)狀況的分析、判別作出坍塌預(yù)報(bào)，等等。
    在三峽工程大江截流施工中，截流進(jìn)占的上、下、左、右四個(gè)堤頭的12個(gè)工作面均采用了理論模型計(jì)算預(yù)報(bào)、戧堤縱斷面測(cè)圖預(yù)報(bào)、堤頂裂縫監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和經(jīng)驗(yàn)方法推測(cè)預(yù)報(bào)等方法，有時(shí)同時(shí)利用多種方法預(yù)報(bào)以便相互映證。實(shí)施結(jié)果表明，凡規(guī)模較大、較典型的坍塌均得到了較及時(shí)的測(cè)報(bào)，坍塌時(shí)間預(yù)報(bào)的精度相差在一個(gè)小時(shí)以內(nèi)。坍塌的預(yù)防工作以預(yù)報(bào)成果為基礎(chǔ)，果斷采取資源撤離、誘導(dǎo)坍塌等措施，使堤頭坍塌不造成任何損失，對(duì)于整個(gè)截流進(jìn)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(cè)預(yù)報(bào)方法，通過理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)推測(cè)提前做出堤頭坍塌的準(zhǔn)確判斷，使坍塌事故得到有效地預(yù)防。
    3、結(jié)語
    三峽工程大江截流于1996年下半年開始試驗(yàn)段填筑，經(jīng)過平拋墊底、非龍口段、龍口段進(jìn)占，于1997年11月8日勝利實(shí)現(xiàn)戧堤合龍，實(shí)現(xiàn)了“高速、安全、正點(diǎn)”的目標(biāo)。在截流實(shí)施過程中，共遭遇坍塌44次，最大坍塌面積達(dá)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(shí)現(xiàn)進(jìn)占合龍，我們完全有理由相信，在大江截流成功經(jīng)驗(yàn)的借鑒下，每一個(gè)截流進(jìn)占目標(biāo)都一定能安全、圓滿地實(shí)現(xiàn)。