三峡工程深水截流堤头坍塌规律分析
更新时间:2014-06-29 18:17:12 来源: 作者: 浏览:1408次 评论:0条
导读：1 概述 三峡工程大江截流是最典型的深水截流工程，其最大水深达60m，设计截流流量19 400～14 000m3/s，均居世界首位。 由于截流水深大，进占堤头的坍塌与稳定问题成为截流实施过程中首当其冲的关键问题。因此，围绕这一技术难点广泛深人开展了理论、试验分析..
1 概述
三峡工程大江截流是最典型的深水截流工程，其最大水深达60m，设计截流流量19 400～14 000m3/s，均居世界首位。
由于截流水深大，进占堤头的坍塌与稳定问题成为截流实施过程中首当其冲的关键问题。因此，围绕这一技术难点广泛深人开展了理论、试验分析研究。本文拟根据截流堤头坍塌理论模型求解计算及预报研究成果，并参考截流堤头坍塌物理模型试验成果，分析深水截流堤头坍塌的一些基本规律，并由此提出对深水截流难度的新认识。
2堤头坍塌的基本规律
2.1 引发坍塌的主要原因
从力学平衡角度建立的堤头坍塌的数学模型研究可知,在深水截流中，由于水深坡长，抛投块体在水流的冲击作用下往往难以一次最终到位；加之戗堤坡面粗糙，C值增大．使块体谅落到一定距离后就近止功，形成较陡的堆积体。当继续抛投，被面坡度增加到一定程度后，使块体在坡面的下滑力超过了堆体坡面的摩阻力，在上部加载、振动及其他人为因素影响下。使块石C值急剧降低，从而诱发堤头部位突然坍塌。水愈深，堆体愈高，坍塌也就愈剧烈和频繁，直到稳定边坡的基础堆体随着坍塌而不断加宽增高，其顶部水深逐渐变浅，坍塌才会减缓和停止。可见，材料的稳定坡角对坍塌起着控制作用。
2.2深水提头坍塌和多次性
在深水截流的堤头坍塌中，大多出现不先全坍塌，在多次不完全坍塌的基础上，产生一轮完全坍塌。其过程描述为：当地投料推入水中时，抛投料滚落到约5～10m水深处停止滚动，随着进占继续，戗堤进占而为5～l9m水深以上堆料坡度逐渐变陡，当达到1:1.1或更陡时。即发生坍塌。一般首次坍塌尚不能使抛投料滚落到底，而往往在坡中水深约10～20m处又一次停止滚动，形成暂时稳定，抛投坡度达到1:1.1左右时，一旦受到外界的扰动(如大粒径抛投料的滚动，个别抛投体失稳及水流冲刷作用等)，即带动抛投料群体下滑滚动，形成第二次坍塌；水深较深时，还可能形成第三次或更多次坍塌。发生大坍塌后形成的坡度较缓，一般为1:1.4或更缓。通常首次坍塌面积较小，第二次面积加大，再后次数的面积更大。
由此可见。水深与堤头坍塌的多次性有着密切的关系，正是水深决定了一轮完全坍塌中的坍塌次数。水越深。—次完全坍塌中的个完全坍塌次数就越多。
2.3坍塌规模的规律性
在对堤头坍塌数学模型的建立与求解中，坍塌规模用堤顶坍塌长度L、坍塌体积Vs等量来表示。研究分析表明，坍塌长度和体积均与水深、流量、抛投材料的临界坡度和稳定坡度、戗堤外形尺寸等有关，其中，水深对坍塌规模起着关键作用。在无水流冲刷条件下，对于给定的抛投材料，其稳定坡角即给定。当水深h达到2B0/ctana2后，坍塌体积Vs随h的变化呈现正增长，表明了坍塌规模存在着一个水深临界值，当水深超出该临界值时，坍塌规模(体积)将显著增大，对于三峡工程大江截流，计算得出该水深临界值为28.6m。
三峡工程大江截流施工龙口分区图如图l所示，在截流水深恒定的条件下，当龙口宽度为80m左右时，龙口水深处于(从最深处转向与戗堤底部相接)由深变浅的转折部位，坍塌规模最大的时段就发生在战堤底部即将与戗堤底部相接前的龙门最深部价进占期间，亦即深水截流进占的最困难阶段。
2.4 坍塌频率规律性
坍塌频率是指一定的进占长度内的坍塌总次数，它是坍塌依赖于时间的某种关系。因此，对于停止进占情况下的戗堤，其坍塌主要取决于水力和抛填材料的特性；而对处于进占状态下的戗堤。则还要取决于进占抛填施工强度。
图1 龙口分区图
下面来推求两轮坍塌之间的时间间隔。假定堤头进占抛填强度为：
R＝Vt/t (1)
式中Vt—抛填体积，m3；
t—时段长，h。
若每轮坍塌均为二次坍塌,于是，在两轮坍塌之间的填筑料总量则为前一轮坍塌后从稳定坡度填筑到临界坡度的填筑体积Vs与后—轮坍塌体积V之和，即
Vk＝Vs十V (2)
式中Vs(如图2)可由下式求得
Vs＝B0H02/2sina1sina2·sin(a1－a2) (3）
V可由下式求得
V＝(ctana2－ctana1)(B0/2＋1/3Hctana2)H2+(B0+H1ctana2)H1D/sina1 （4）
式中：B0为堤顶宽度；
H0为戗堤高度(或水深)；
Hl为凸体长度；
D为凸体高度；
图2 抛填进占体积计算示意图
a1为临界坡度；
a2为稳定坡度。
当Vk＝Vt时，联立式(1)和式(2)求解得
t＝1/R(Vs+V) (5)
由上式即可求得坍塌的时间间隔，进而求出坍塌频率。
以长江三峡工程大江截流的进占抛投为例，其计算条件为a1＝45°，a2＝35.5°，B0＝20m，H＝10m，H1＝8m，D＝2m，R设＝3500m3/h ，由此即可计算出不同水深下的每一轮坍塌时间间隔，见表l。
从上表可知，每一轮的坍塌时间间隔是随着水深的减小而缩短的。但这并不意着水深越大，坍塌的次数就越少，因为在每一轮的坍塌过程中，水深越大，它所经
表l 不同水深下每一轮坍塌时间间隔计算值表
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水深H0/m
抛投体积Vy+V/m
坍塌间隔t/h
--------------------------------------------------------------------------------
41 7525 2：09
27 3705 1：04
20 2653 0：41
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历的不完全坍塌的次数就越多。比如。在水深20～27m的情况下，一般会出现二次坍塌，则相应的坍塌时间间隔将分别缩为21～32min左右。通过模型试验也得出了深水截流戗堤坍塌频率的类似结果，见表2。
表2 不同水深下堤头坍塌试验成果
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水深
H0/m
试验项目
龙口口门宽/m
120～110 110～110 100～90 90～80 80～70 70～60 60～50
--------------------------------------------------------------------------------
41
坍塌次数 8 7 7 8 10
坍塌间隔/min 59 54 50 44 35
最大单次坍塌面积/m2 216 250 232 228 242
27
坍塌次数 — 5 7 5 8 9
坍塌间隔/min 63 45 57 38 33
—
最大单次坍塌面积/m2 110 150 160 135 120
20
坍塌次数 6 8 9 7 7 9 6
坍塌间隔/min 26 25 20 25 28 22 31
最大单次坍塌面积/m2 60 50 30 90 90 92 113
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从表2可以看出，与单次坍塌面积相对应的龙口宽度正处于戗堤坡底即将对接的位置，此时龙口水深正处于由深变浅的转变时期，这说明，坍塌规模随着水深的变化而变化。同时，与单次坍塌最大面积相对应的坍塌间隔也最大，这说明，间隔的时间越长，就预示着即将坍塌的规模就越大。
3 深水截流难度的新认识
以往，人们衡量截流难度。往往是从截流的水力学指标来考虑。与立堵截流有关的水力因素一般有总流量Q、总落差Z、最大流速ν、河宽B、龙门宽度b、河道水深、龙口单宽流量q、龙口中宽能量N、河道总能量N0等。这些参数中，究竟哪个是截流难度的判别标准呢?最早人们采用水流比能强度，即抛投体所受冲击力的大小。因而将抛投块体大小的程度作为“截流难度”，而抛投块体的大小与落差Z及最大流速ν息息相关，因此多是用Z和ν来衡量立堵截流难度。
但是单纯用Z或ν值不足以反映大江大河的截流难度。显然在相同的Z值情况下，大江大河的截流比小河的截流困难，葛洲坝工程大江截流后，人们对截流的难度有了进一步的认识，认为除了Z或ν以外，还应考虑抛投的工程量、分流量及施工强度等因素，称之为“截流规模”。三峡工程大江截流，则进一步引起了人们对深水截流难度的新的认识。
3.1衡量截流难度的指标
武汉水利电力大学肖焕雄教授认为：影响截流困难程度的因素很多，至少有下面一些：
D＝f(Q，Z，ν，W，Qf，h，γm，Fm，Im，br，S)
其中 Q—龙口流量；
Z—龙口落差；
ν—龙口流速；
W—龙口宽度；
Qf—导流分流量；
h—龙口水深；
γm—截流材料容重；
Fm—截流块体形状；
Im—截流材料抛投强度；
Br—河床地形；
S—截流材料组成。
从上式可以看出。由于影响立堵截流的因素多而复杂，要想用一个综合指标来衡量它是很困难的。目前国际上广泛流行的综合指标中以龙口水流单宽功率E较为典型，有如下表达式：
E＝γqZ＝γhνZ (7)
式中γ—水的容重：
q—龙口水流单宽能量；
h—龙口水深；
Z—龙门落差；
ν—龙口流速，
分析式(7)不难看出，E代表了龙口水流动能。既包含了υ，又包括了Z，这是很合理的；同时平堵截流的实践也证明了将E作为衡量平堵截流困难程度基本上是正确的，但它确又包括了一项水深因素，这就值得研究了。
在平堵截流中，当出现E的最大值时，记为Nm。则有
Nm＝γhk·υk·Zk (8)
式中Hk——平堵截流中的临界水深，它由下式确定
hk≈Zk
故(8)式可改写为
Nm＝γυk·Z2k＝γ/4g2φ2·υk5 (9)
由(9)式看出,平堵截流中的Nm实际上取决于龙口流速的高次方，显然，它可以衡量流的难度。但在立堵截流中，当Nm出现时，龙口水深h远比Z大，有时h要比z大若干倍,基至几十倍(如三峡工程截流)，即
Nm＝γqZ＝γhυZ》γZ2υ (10)
由(10)式可看出，立堵截流中的Nm、实际上是突出了龙口水深的作用，这是与平堵截流显著不同的。这就说明了Nm、不是衡量立堵截流的一个普遍综合指标，值得进一步研究。
综上所述，要从理论上导出一个截流难度的普遍综合指标是比较困难的。但就深水截流难度指标而言，本文提出采用“坍塌强度Rs”(即每次的塌落方量Vs)概念。根据深水截流堤头坍塌及稳定性研究所建立的理论模型有：
Rs＝Vs＝Ah2+Bh3 (11)
式中，A、B均为化简系数。
由式(11)可见，坍塌强度Rs取决于龙口水深h的高次方，由于坍塌强度Rs越大，相应的裁流难度就越大。因此，龙口水深决定了深水截流的截流难度。
3.2 深水截流难度的新认识
综上分析，无论是从“坍塌强度”还是从“截流难度”的意义上。对于深水立堵截流情况而言，水深都是其中最具影响的难度指标之一。
根据理论模型建立及分析计算，三峡工程大江截流在龙口水深h＝28.6m时，处于水深临界值，当超过该值时，对施工安全的威胁性就增大，相应府的截流难度也增大。因此，必须采取各种措施将截流水深减小到28.6m以内，以降低截流难度。
总之，采用传统的流速υ与落差Z或采用截流总能量N(或最大单宽功率Nm)的指标衡量深水截流难度，都将使深水截流的实际难度难以得到普遍综合衡量。而深水截流最突出的难点则是由水深引起的大规模堤头坍塌问题以及由人规模堤头坍塌而引起的堤头进占安全问题。
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