截流

截流

在施工導流中,截斷原河床水流,最終把河水引嚮導流泄水建築物下泄,在河床中全面開展主體建築物的施工,就是截流。截流是在河床中修築橫向圍堰工作的一部分。

概述

2002年11月6日,三峽工程導流明渠截流成功2002年11月6日,三峽工程導流明渠截流成功

截流是堵截河道水流迫使其流向預定通道的工程措施。截流工程包括進占、龍口範圍的加固、合龍和閉氣等項工作。為堵截河流,向流水中拋投料物。填築戧堤的工作稱進占。進占後預留的河道泄流口門稱龍口。為防止龍口河床和戧堤端部被沖刷或毀壞,需要對龍口範圍進行防沖加固。閉合龍口,最終攔斷水流的過程稱合龍。合龍後在戧堤迎水面採取防滲措施封堵滲流通道稱閉氣。截流是水利工程施工中的關鍵控制項目,並有一定風險,需周密計畫、充分準備,要有足夠的拋投強度。

在中國的歷史上,曾利用土石麥草稻草秸料柳枝等當地材料,進行堤防堵口和截流工程,有豐富的傳統經驗。中華人民共和國成立後,又採用了新技術和新材料在許多工程中截流成功,取得了在岩基和軟基河床截流的經驗,尤以長江葛洲壩水電樞紐大江截流的規模最大。

方式

截流方式可歸納為戧堤法截流和無戧堤法截流兩種。戧堤法截流主要有平堵、立堵及混合堵截流;無戧堤法截流主要有建閘截流、水力沖填法、定向爆破截流、浮運結構截流等。在工程實際中應根據當地水文氣象地形地質、施工條件以及材料等條件選擇截流方法。

戧堤法截流

平堵

平堵,是先在龍口建造浮橋或棧橋,由自卸汽車或其他運輸工具運來拋投料,沿龍口前沿投拋。先下小料,隨著流速增加,逐漸拋投大塊料,使堆築戧堤均勻地在水下上升,直至高出水面,截斷河床。一般說來,平堵比立堵法的單寬流量為小,最大流速也小,水流條件較好,可以減小對龍口基床的沖刷。所以特別適用於易沖刷的地基上截流。由於平堵架設浮橋及棧橋,對機械化施工有利,因而投拋強度大,容易截流施工;但在深水高速的情況下,架設浮橋,建造棧橋比較困難。

立堵

立堵是用自卸汽車或其他運輸工具運來拋投料,以端進法拋投(從龍口兩端或一端下料)進占戧堤,直至截斷河床。立堵在截流過程中所發生的最大流速,單寬流量都較大,加以所生成的楔形水流和下游形成的立軸漩渦,對龍口及龍口下遊河床將產生嚴重沖刷,因此不適用於地質不好的河道上截流,否則需要對河床作妥善防護。立堵法無需架設浮橋或棧橋,簡化了截流準備工作,因而贏得了時間,節約了投資,在許多水利工程(岩質河床)廣泛套用。

混合堵

混合堵是採用立堵與平堵相結合的方法,有立平堵和平立堵兩種。1、立平堵。為了充分發揮平堵水力條件較好的優點,降低架橋的費用,工程中可採用先立堵、後架橋平堵的方式。前蘇聯布拉茨克水電站,在截流流量3600m3/s、最大落差3.5m的條件下,採用先立堵進占,縮窄龍口至100m,然後利用管柱棧橋全面平堵合龍。2、平立堵。對於軟基河床,單純立堵易造成河床沖刷,往往採用先平拋護底,再立堵合龍的方案。此時,平拋多利用駁船進行。青銅峽、丹江口、大化及葛洲壩等工程均採用此方式。

無戧堤法截流

建閘截流

建閘就是在泄水道中預先修建閘墩,並建截流閘分流,降低戧堤水頭,待拋石截流後,再下閘截流。該方法在三門峽烏江渡工程中曾成功採用,該法可克服7—8m以上的截流落差,雖然建閘截流可以減小戧堤進占時的落差,待進占合龍後再下閘截流。但這種方法需具備建造截流閘的地形地質條件。

水力沖填

河流在某種流量下有一定的挾砂能力,當水流含砂量遠大於該挾砂能力時,粗顆粒泥砂將沉澱河底進行沖填。基於這一原理,沖填開始時,大顆粒泥沙首先沉澱,而小顆粒則沖至其下游逐漸沉落。隨著沖填的進展,上游水位逐步壅高,部分流量通過泄水通道下泄。隨著河床過水斷面的縮窄,某些顆粒逐漸達到抗沖極限值,一部分土體仍向下游移動,結果使戧堤下游坡繼續向下游擴展,一直到沖填體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,圍堰坡腳才不再擴展,而在高度方向急劇增長,直至露出水面。

定向爆破

在壩址處於峽谷地區、岩石堅硬、岸坡陡峻、交通不便或缺乏運輸設備時,可採用定向爆破截流。利用定向爆破,將大量岩石拋入河道預定地點,瞬時截斷水流。在合龍時,為了瞬間拋入龍口大量材料封閉龍口,除了用定向爆破岩石外,還可在河床上預先澆築巨大的混凝土塊體,將其支撐體用爆破法炸斷,使塊體落入水中,將龍口封閉。

1971年3月,碧口水電站在流量105m/s情況下,將龍口縮窄到⒛m寬,利用左岸陡峻岸坡,設計布置了三個藥包,一次定向爆破堆築了6800m',平均堆積高度為10m,成功地截斷了水流。

浮運結構截流

浮運結構截流就是將各種浮運結構拖至龍口,在埽捆、柴排護底下,裝載置砂料,充水使其沉沒水中,一次截斷水流。其後進一步發展浮運結構成為封閉式鋼筋混凝土浮箱,在浮箱之間留出缺口形成“梳齒孔”過流,由於縮窄龍口水流不大,浮箱容易沉放,最後,將缺口閘閥放下,即可達到截斷水流的目的。截流用浮運結構包括舊駁船、鋼筋混凝土等箱型結構。木籠也是一種浮運結構,我國新安江水電站曾採用這種方式截流。
浮運結構截流的優點是成戧斷面較小,用料較少;缺點是製作需大型設備,耗用鋼材(鋼纜和金屬閘門)多,造價高,護底標準高,基床面要求平整,施工也受氣候、水文等條件影響。

時間和設計流量

截流時間的選擇:1、宜選在枯水期。為使來年汛前對圍堰和基坑內水工建築物施工能有較充裕的期限,力爭在枯水期的前期截流。2、儘量避開冰期和冰凌期。3、對於有通航、漂木要求的河道,儘量選擇較少礙航和過木的時間。

截流設計流量隨工程的重要性與可能造成的損失大小來選定設計頻率,通常參照截流期20年一遇或10年一遇的月或旬的平均流量作為標準,並據以進行截流施工準備。有的工程根據歷年實測資料採用統計分析法確定設計流量。

技術措施

立堵法截流立堵截流法

截流工程是整個水利樞紐施工的關鍵,它的成敗直接影響工程進度。截流工程的難易程度取決於河道流量、泄水條件、龍口的落差、流速、地形地質條件、材料供應情況及施工方法、施工設備等因素。減少截流難度的主要技術措施包括加大分流量,改善分流條件;改善龍口水力條件;增大拋投料的穩定性,減少塊料流失;加大截流施工強度等。

加大分流量,改善分流條件

分流條件好壞直接影響到截流過程中龍口的流量、落差和流速。分流條件好,截流就容易,反之就困難。改善分流條件的主要措施有:

1)合理確定導流建築物尺寸、斷面形式和底高程。導流建築物不僅要滿足導流要求,而且應滿足截流的需要。

2)確保泄水建築物上下游引渠開挖和上下游圍堰拆除的質量。這是改善分流條件的關鍵環節,不然泄水建築物雖然尺寸很大,但分流卻受上下游引渠或上下游圍堰殘留部分控制,泄水能力受到限制,增加截流工作的難度。

3)在永久泄水建築物泄流能力不足時,可以專門修建截流分水閘或其他形式泄水道幫助分流,待截流完成後,藉助於閘門封堵泄水閘,最後完成截流任務。

4)增大截流建築物的泄水能力。當採用木籠、鋼板樁格式圍堰時,也可以間隔一定距離安放木籠或鋼板樁格體,在其中間孔口宣洩河水,然後以閘板截斷中間孔口,完成截流任務。另外也可以在進占戧堤中埋設泄水管幫助泄水,或者採用投拋構架塊體增大戧堤的滲流量等辦法減少龍口溢流量和溢流落差,從而減輕截流的困難程度。

改善龍口水力條件

龍口水力條件是影響截流的重要因素,改善龍口水力條件的措施有雙戧截流、三戧截流、寬戧截流、平拋墊底等。

雙戧截流

雙戧截流採取上下游兩道戧堤,協同進行截流,以分擔落差。通常採取上下戧堤立堵。常見的進占方式有上下戧輪換進占、雙戧固定進占和以上兩種進占方式混合使用。也有以上戧進占為主,由下戧配合進占一定距離,局部壅高上戧下游水位,減少上戧進占的龍口落差和流速。
雙戧進占,可以起到分攤落差,減輕截流難度,便於就地取材,避免使用或少使用大塊料、人工塊料的好處。但兩線施工,施工組織較單戧截流複雜;雙戧堤進度要求嚴格,指揮不易;軟基截流,若雙線進占龍口均要求護底,則大大增加了護底的工程量;在通航河道,船隻需要經過兩個龍口,困難較多,因此雙戧截流應謹慎採用。

三戧截流

三戧截流是利用第三戧堤分擔落差,可以在更大的落差下用來完成截流任務。

寬戧截流

平堵截流法平堵截流法

寬戧截流是增大戧堤寬度,以分散水流落差,從而改善龍口水流條件。
但是進占前線寬,要求投拋強度大,工程量也大為增加,所以只有當戧堤可以作為壩體(土石壩)的一部分時,才宜採用,否則用料太多,過於浪費。

平拋墊底

對於水位較深,流量較大,河床基礎覆蓋層較厚的河道,常採取在龍口部位一定範圍拋投適宜填料,抬高河床底部高程,以減少截流拋投強度,降低龍口流速,達到降低截流難度的目的。

增大拋投料的穩定性,減少塊料流失

增大拋投料的穩定性,減少塊料流失的主要措施有採用特大塊石、葡萄串石、鋼構架石籠、混凝土塊體等來提高投拋體的本身穩定。也可在龍口下游平行於戧堤軸線設定一排攔石坎來保證拋投料的穩定,防止拋投料的流失。

加大截流施工強度

加大截流施工強度,加快施工速度,可減少龍口的流量和落差,起到降低截流難度的作用,並可減少投拋料的流失。加大截流施工強度的主要措施有加大材料供應量、改進施工方法、增加施工設備投入等。

倍數

合流排水系統在降雨時截留的雨水量與旱流污水量之比值。合流制排水系統截流倍數(n0)的確定,直接影響工程規模和工程環境效益。若n0偏小, 在地表徑流高峰期混合污水將直接排入水體而造成污染;若n0過大,則截流乾管和污水廠的規模就要加大,基建投資和運行費用也將相應增加。

與截流倍數相關的主要因素有:合流水量,包括污水總變化係數及當地水文氣象條件的不同形成暴雨強度的區別;合流水質, 包括污水水量和雨水水量的比值,合流水的各項污染物指標;受納水體衛生排放要求及受納水體的自淨能力等。

技術發展趨勢

以立堵為主並逐漸取代平堵,這是截流技術的發展趨勢。在立堵前,不少工程還採用先拋投護底或平拋墊底措施,但其目的卻各不相同。如葛洲壩工程截流時,先用30噸鋼筋石籠和17噸混凝土四面體護底,其目的是防止河床被沖;三峽工程大江截流時,採用了平拋墊底的技術,其目的是減小截流水深;導流明渠流墊底,其目的是加糙人工河床,起攔石坎作用。

現代運輸和吊裝機械的發展,使採用更大塊重、更高拋投強度實現高水頭截流成為可能。加大拋投強度,不用或少用大料。由於施工機械容量不斷增大,有儘量利用一般石料的趨勢。如中國的水口電站在截流時,就使用工地石渣與粒徑為0.4米至0.7米的大、中石料順利實現截流。

趨向降低設計標準。據統計,設計流量往往比實際流量偏大。因此,適當降低截流的設計流量是合理必要的。

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