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(jì)截流流量19 400～14 000m3/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(wèn)題成為截流實(shí)施過(guò)程中首當(dāng)其沖的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，圍繞這一技術(shù)難點(diǎn)廣泛深人開(kāi)展了理論、試驗(yàn)分析研究。本文擬根據(jù)截流堤頭坍塌理論模型求解計(jì)算及預(yù)報(bào)研究成果，并參考截流堤頭坍塌物理模型試驗(yàn)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(duì)深水截流難度的新認(rèn)識(shí)。
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(zhǎng)，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(guò)了堆體坡面的摩阻力，在上部加載、振動(dòng)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(huì)減緩和停止。可見(jiàn)，材料的穩(wěn)定坡角對(duì)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(guò)程描述為：當(dāng)?shù)赝读贤迫胨袝r(shí)，拋投料滾落到約5～10m水深處停止?jié)L動(dòng)，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(shí)。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(dòng)，形成暫時(shí)穩(wěn)定，拋投坡度達(dá)到1:1.1左右時(shí)，一旦受到外界的擾動(dòng)(如大粒徑拋投料的滾動(dòng)，個(gè)別拋投體失穩(wěn)及水流沖刷作用等)，即帶動(dòng)拋投料群體下滑滾動(dòng)，形成第二次坍塌；水深較深時(shí)，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(jiàn)。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?！瓮耆械膫€(gè)完全坍塌次數(shù)就越多。
2.3坍塌規(guī)模的規(guī)律性
在對(duì)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(zhǎng)度L、坍塌體積Vs等量來(lái)表示。研究分析表明，坍塌長(zhǎng)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(duì)坍塌規(guī)模起著關(guān)鍵作用。在無(wú)水流沖刷條件下，對(duì)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Vs隨h的變化呈現(xiàn)正增長(zhǎng)，表明了坍塌規(guī)模存在著一個(gè)水深臨界值，當(dāng)水深超出該臨界值時(shí)，坍塌規(guī)模(體積)將顯著增大，對(duì)于三峽工程大江截流，計(jì)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(shí)，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(shí)段就發(fā)生在戰(zhàn)堤底部即將與戧堤底部相接前的龍門(mén)最深部?jī)r(jià)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(zhǎng)度內(nèi)的坍塌總次數(shù)，它是坍塌依賴(lài)于時(shí)間的某種關(guān)系。因此，對(duì)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(duì)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。 |
圖1 龍口分區(qū)圖 |
下面來(lái)推求兩輪坍塌之間的時(shí)間間隔。假定堤頭進(jìn)占拋填強(qiáng)度為：
| R＝Vt/t | (1) |
式中Vt—拋填體積，m3；
t—時(shí)段長(zhǎng)，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
| Vk＝Vs十V |
(2) |
式中Vs(如圖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為堤頂寬度；
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H0為戧堤高度(或水深)； Hl為凸體長(zhǎng)度； D為凸體高度； |
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a1為臨界坡度；
a2為穩(wěn)定坡度。
當(dāng)Vk＝Vt時(shí)，聯(lián)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時(shí)間間隔，進(jìn)而求出坍塌頻率。
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以長(zhǎng)江三峽工程大江截流的進(jìn)占拋投為例，其計(jì)算條件為a1＝45°，a2＝35.5°，B0＝20m，H＝10m，H1＝8m，D＝2m，R設(shè)＝3500m3/h ，由此即可計(jì)算出不同水深下的每一輪坍塌時(shí)間間隔，見(jiàn)表l。 從上表可知，每一輪的坍塌時(shí)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?yàn)樵诿恳惠喌奶^(guò)程中，水深越大，它所經(jīng) |
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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(huì)出現(xiàn)二次坍塌，則相應(yīng)的坍塌時(shí)間間隔將分別縮為21～32min左右。通過(guò)模型試驗(yàn)也得出了深水截流戧堤坍塌頻率的類(lèi)似結(jié)果，見(jiàn)表2。
表2 不同水深下堤頭坍塌試驗(yàn)成果
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水深 |
試驗(yàn)項(xiàng)目 |
龍口口門(mén)寬/m | ||||||
| 120～110 | 110～110 | 100～90 | 90～80 | 80～70 | 70～60 | 60～50 | ||
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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 | |||
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27 |
坍塌次數(shù) | — | 5 | 7 | 5 | 8 | 9 | |
| 坍塌間隔/min | 63 | 45 | 57 | 38 | 33 | |||
| — | ||||||||
| 最大單次坍塌面積/m2 | 110 | 150 | 160 | 135 | 120 | |||
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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 | |
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從表2可以看出，與單次坍塌面積相對(duì)應(yīng)的龍口寬度正處于戧堤坡底即將對(duì)接的位置，此時(shí)龍口水深正處于由深變淺的轉(zhuǎn)變時(shí)期，這說(shuō)明，坍塌規(guī)模隨著水深的變化而變化。同時(shí)，與單次坍塌最大面積相對(duì)應(yīng)的坍塌間隔也最大，這說(shuō)明，間隔的時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)
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(lái)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(mén)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(gè)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(lái)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(duì)截流的難度有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，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(chēng)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(duì)深水截流難度的新的認(rèn)識(shí)。
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，Qf，h，γm，F(xiàn)m，Im，br，S)
其中 Q—龍口流量；
Z—龍口落差；
ν—龍口流速；
W—龍口寬度；
Qf—導(dǎo)流分流量；
h—龍口水深；
γm—截流材料容重；
Fm—截流塊體形狀；
Im—截流材料拋投強(qiáng)度；
Br—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(gè)綜合指標(biāo)來(lái)衡量它是很困難的。目前國(guó)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(mén)落差；
ν—龍口流速，
分析式(7)不難看出，E代表了龍口水流動(dòng)能。既包含了υ，又包括了Z，這是很合理的；同時(shí)平堵截流的實(shí)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(xiàng)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(shí)，記為Nm。則有
| Nm＝γhk·υk·Zk | (8) |
式中Hk——平堵截流中的臨界水深，它由下式確定
hk≈Zk
故(8)式可改寫(xiě)為
| Nm＝γυk·Z2k＝γ/4g2φ2·υk5 | (9) |
由(9)式看出,平堵截流中的Nm實(shí)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)Nm出現(xiàn)時(shí)，龍口水深h遠(yuǎn)比Z大，有時(shí)h要比z大若干倍,基至幾十倍(如三峽工程截流)，即
| Nm＝γqZ＝γhυZ》γZ2υ | (10) |
由(10)式可看出，立堵截流中的Nm、實(shí)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(shuō)明了Nm、不是衡量立堵截流的一個(gè)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(gè)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Rs”(即每次的塌落方量Vs)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：
| Rs＝Vs＝Ah2+Bh3 | (11) |
式中，A、B均為化簡(jiǎn)系數(shù)。
由式(11)可見(jiàn)，坍塌強(qiáng)度Rs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(shí)
綜上分析，無(wú)論是從“坍塌強(qiáng)度”還是從“截流難度”的意義上。對(duì)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(jì)算，三峽工程大江截流在龍口水深h＝28.6m時(shí)，處于水深臨界值，當(dāng)超過(guò)該值時(shí)，對(duì)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?xún)?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Nm)的指標(biāo)衡量深水截流難度，都將使深水截流的實(shí)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(wèn)題以及由人規(guī)模堤頭坍塌而引起的堤頭進(jìn)占安全問(wèn)題。
圖2 拋填進(jìn)占體積計(jì)算示意圖
