王世華　蔣乃明　高黛安

摘要 三峽工程大江截流是在已建的葛洲壩水庫內(nèi)進行的，水深達60m，截流最大流量11600m³/s，截流工程量大，施工強度高；而且截流段河床地形、地質(zhì)條件復雜。截流期間不允許斷航等，為此在興建導流明渠提前導流通航的前提下，采用平拋填底，縮小龍口寬度等措施，于1997年11月8日勝利截流成功。

關(guān)鍵詞導流明渠平拋填底優(yōu)化設(shè)計信息預報

1、 概述

三峽工程采用三期導流，明渠通航，碾壓混凝土圍堰擋水發(fā)電施工方案。第一期圍右岸，在一期土石圍堰保護下開挖導流明渠，修建混凝土縱向圍堰，同時在左岸修建臨時船閘，并開始施工永久船閘及升船機擋水部位的土建工作；長江水流仍從主河流床渲泄，照常通航。第二期圍左岸，截斷主河床，修建二期上下游土石圍堰與混凝土縱向圍堰形成二期基坑，施工大壩泄洪壩段、左岸廠房壩段及電站廠房；繼續(xù)施工升船機擋水部位(上閘首)，并完建永久船閘；江水從明渠渲泄，船舶從明渠及左岸臨時船閘通行。第三期封堵明渠，修筑土石圍堰及碾壓混凝土圍堰，在三期基坑內(nèi)施工右岸廠房壩段及電站廠房；利用碾壓混凝土圍堰和混凝土縱向圍堰及其以左大壩擋水，左岸電站發(fā)電，江水從泄洪壩段導流底孔及深孔渲泄，船舶從永久船閘通行。設(shè)計總工期17年，其中施工準備及一期工程施工5年，二期工程施工6年，三期工程施工6年。三峽工程已于1993年1月開始施工準備，1994年12月14日正式開工，1997年11月8日大江截流，轉(zhuǎn)入二期工程施工，計劃2003年第一批機組發(fā)電，2009年建成。

2、大江截流的特點及難點

2.1截流水深最大

三峽工程壩址在下游已建葛洲壩水利樞紐水庫內(nèi)，截流最大水深達60m，居世界首位(美國達列斯工程截流水深53m，巴西、巴拉圭伊泰普工程截流水深40m)，三峽截流設(shè)計最大落差0.80～1.24m，龍口最大平均流速3.33～4.16m/s，采用大量石碴和少量塊石用堤頭端進法在水中填筑截流戧堤，深水條件下在流水中拋填散粒料，容易發(fā)生堤頭坍塌從而危及施工安全。

2.2截流流量大

二期上、下游圍堰土石填筑量1060萬m²，混凝土防滲墻近9萬m²，必須在一個枯水期完工，確保1998年安全渡汛和基坑按期抽水。據(jù)此，截流合龍不可能選在最枯時段，技術(shù)設(shè)計擬定大江截流時段在11月中、上旬，相應截流設(shè)計流量為14000～19400m³/s，超過國內(nèi)外水利工程實際最大截流流量(阿根廷、烏拉圭雅西塔工程8400m³/s，巴西巴拉圭泰普8100m³/s，我國葛洲壩工程4400～4800m³/s)。

2.3截流期間不允許斷航

截流施工與長江航運密切相關(guān)，截流施工期，臨時船閘尚未投入運用，截流非龍口段，導流明渠未分流或分流但未正式通航，船舶仍從主河道束窄口門通行，故戧堤進占需滿足通航條件。截流合龍后從明渠通航，也要滿足通航要求，不允許造成長江航運中斷。

2.4截流河床地形、地質(zhì)條件復雜

三峽花崗巖質(zhì)河床上部為全、強風化層，其上覆蓋有砂卵石、殘積塊球體、淤砂層，葛洲壩水庫新淤砂在深槽處厚5～10m，深槽左側(cè)呈陡峭巖壁，地質(zhì)地形條件對戧堤進占安全十分不利。

2.5截流工程規(guī)模大、工期緊、施工強度高

鑒于二期工程量巨大、工期緊，實施中要求下游圍堰背水坡石渣堤同時尾隨進占。兩堤相應的圍堰堰體也距堤頭30～50m全斷面進占，以盡早形成圍堰防滲墻施工平臺，從而將呈現(xiàn)8～10個工作面高強度施工。設(shè)計上游圍堰最高填筑強度將達8萬m³/d。

3、大江截流設(shè)計及實施過程

3.1大江截流設(shè)計方案概述

大江截流合龍時段選在11月中旬，截流設(shè)計流量14000～19400m³/s。

導流明渠是大江截流期的唯一分流建筑物，也是二期工程施工期的唯一泄水建筑物，同時還擔負著施工期通航的重任。導流明渠位于長江右岸，沿中堡島的后河布置，進口始于茅坪鎮(zhèn)外側(cè)的長江漫灘，出口位于高家溪口長江漫灘。明渠右岸邊線全長3950m，其中上游引航道長1050m，明渠段長1700m，下游引航道長1200m。明渠左側(cè)為縱向混凝土圍堰，全長1191.5m。明渠斷面形式的確定主要考慮明渠水流條件需滿足通航要求。通過1：100水工模型試驗比較了平底單一斷面及左高右低或左低右高的復式斷面，試驗結(jié)果表明，采用左低右高的復式斷面可調(diào)整明渠內(nèi)流速分布，降低右側(cè)航道內(nèi)的流速，以利船隊從明渠右側(cè)航行。因此，明渠過水橫斷面采用復式斷面，渠底最小寬度350m，右側(cè)高渠底寬100m，底高程58m；左側(cè)低渠寬250m渠底高程45～50m，高低渠間用1：1坡比連接。明渠設(shè)計過水斷面主要是滿足二期導流期施工通航標準流量時的通航水流條件為前提。因此，明渠泄流能力較大，為大江截流創(chuàng)造了較好的分流條件。根據(jù)設(shè)計計算成果，并通過1：80水工模型試驗驗證，在截流設(shè)計流量14000～19400m³/s進行大江截流龍口合龍，其截流最大落差0.8～1.24m，說明導流明渠分流能力較大。

大江截流設(shè)計采用上游圍堰單戧堤立堵截流方案，截流戧堤為圍堰堰體組成部分，設(shè)在堰體背水側(cè)，戧堤軸線長度797.4m，左岸非龍口段長284.2m，右岸非龍口段長383.2m，龍口段長130m。 戧堤設(shè)計斷面為梯形，上游邊坡1：1.3，下游邊坡1：1.5，堤頂高程按不同進占時段20年一遇最大日平均流量相應的水位確定，由兩岸非龍口段79m高程至龍口段69m高程，堤頂寬度兩岸非龍口段為25m，龍口段為30m，可滿足4—5輛45—77t自卸汽車在堤頭端部同時拋投進占。 朗堤設(shè)計計算拋投量中計入非龍口段流失10％，龍口段流失20％。 談堤段總拋投量為165.13萬m²。設(shè)計采用在龍口河床深槽平拋墊底抬高河底，以減小龍口水深，有利于防止合龍過程中 城堤堤頭端部坍塌，并減少合龍拋投工程量，降低龍口合龍進占拋投強度。平拋墊底范圍為順水流向?qū)挾?40m，河床高程40m以下的深槽部位，沿戧堤軸線長180m。平拋墊底工程量73.99萬m³，其中砂礫石料26.42萬m³，中石14.39萬m³，石渣33.19萬m³，安排在1996年11月～1997年5月施工，采用280～500m³底開駁船拋投。龍口段寬130m，龍口段設(shè)計合龍拋投量20.84萬m³，其中特大塊石2.00萬m³，大塊石3.5萬m³，中石4.26萬m³，石渣11.08萬m³，龍口進占分為龍口寬度由130m進占到40m，由40m進占至合龍。大江截流設(shè)計流量14000～19400m³/s，最終落差0.80～1.24m，龍口平均流速3.3～4.2m/s。龍口堤頭進占方式是采用特大塊石及中石從上游進占形成挑角。用中石及石渣料尾隨進占。

3.2大江截流實施過程

1997年10月14日至15日在兩岸非龍口段進行了大江截流實戰(zhàn)演習，24小時拋投量19.4萬m³，超過巴西伊泰普水電站截流創(chuàng)造的日拋投14.65萬m³的世界記錄，截流 城堤兩岸堤頭向江中推過54.7m，口門寬度束窄為189.5m。演習投入自卸汽車264臺，挖掘機30臺，裝載機24臺，推土機31臺，船舶22艘。10月23日兩岸非龍口段進占至龍口樁號形成130m寬的龍口。大江截流龍口合龍分兩個階段實施，第一區(qū)段，口門寬度130～40m。10月26日8時開始進占施工。此時壩址流量10600m³/s。12時，龍口縮窄至100m寬后，截流進入困難區(qū)段，龍口實施流速3.88m/s，落差0.44m，拋投石碴料流失較多，堤頭進占速度減慢，從堤頭上游角拋投特大塊石(粒徑1.3m～l.6m，重3t～5t)及大塊石(粒徑0.8m～1.1m，重0.7t～1.7t)形成8m～10m寬的上挑角磯頭，將主流挑向龍口中部，減小上挑角下游部位的流速，并拋投中石(粒徑0.4m～0.7m，重90kg～470kg)及石碴料尾隨進占。20時，龍口寬度束窄至82m，實測最大流量11600m³/s，導流明渠分流量7860m³/s，實測龍口最大流速4.22m/s，落差0.66m。10月27日6時30分，龍口縮窄至40m，兩岸 城堤各自進占長度分別為49.3m及40.7m。明渠分流比84.55％。兩岸戧堤累計拋投量12.1萬m³(其中大石3.4萬m³，特大石1.8萬m³)，兩岸堤頭最大小時拋投強度分別為3810m³及3072m³。相應車次為186及130輛次/h。兩岸堤頭同時拋投最大強度6375m³/h，302輛次/h。形成40m寬龍口后，兩岸堤頭均采用特大塊石拋投成臨時裹頭。第二區(qū)段，口門寬度40～0m。11月8日9時開始兩岸堤頭同時進占，此時實測流量8480m³/s，導流明渠分流量8040m³/s，分流比94.8％。龍口平均流速2.6m/s，拋投大塊石，中石和石渣料，進占較為順利，15時30分龍口合龍，兩岸戧堤進占拋投料4.03萬m³，實測落差0.32m，下游圍堰 戧堤尾隨進占，18時30分合龍。大江截流施工機械配置見下表。

3.3三峽大江截流與葛洲壩大江截流比較

三峽大江截流主要難點是截流水深、流量大、拋投強度大。其原因是三峽工程在葛洲壩水庫內(nèi)興建，三峽壩址水深由于葛洲壩工程蓄水加深25m左右，龍口最大水深達60m。截流后上下游圍堰要在1998年汛前搶修至渡汛高程，圍堰填筑方量達1100萬m³，工程量大，工期短，背水一戰(zhàn)，為爭取施工時間，大江截流在保證通航的前提下較葛洲壩提前2個月，1997年11月8日龍口合龍，實測截流流量11600。8480m³/s，龍口最大流速4.22m/s，最大落差0.66m，最大拋投強度達12.1萬m³/d。葛洲壩截流在1981年1月4日合龍，實測截流流量4800～4400m³/s，龍口最大流速7.5m/s，最大落差3.23m，龍口最大水深16m，最大拋投強度達7.2萬m³/d。

4、大江截流實踐分析

鑒于大江截流的重要性及其技術(shù)復雜性，使其設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)問題成為三峽工程建設(shè)中的重大技術(shù)問題之一，在中國長江三峽工程開發(fā)總公司的精心組織和幫助指導下，在全國水利水電科研單位和高等院校大力支持和密切配合下，長江水利委員會和葛洲壩集團分別針對大江截流設(shè)計及施工技術(shù)問題進行了大量分析研究及試驗工作，為大江截流提供了科學依據(jù)，使其技術(shù)措施更加完善、可靠，以確保大江截流成功，做到萬無一失。

4.1修建巨型導流明渠，為滿足長江航運要求和降低截流難度奠定基礎(chǔ)

導流明渠是二期工程施工期的唯一泄水建筑物，也是大江截流期的唯一分流建筑物，同時還負擔著施工期通航的重任。明渠設(shè)計泄洪流量標準為50年一遇洪水流量79000m /s，為目前世界上泄流量最大的導流明渠。通航流量標準為：長江航運公司船隊通航流量20000m³/s，最大流速4.4m/s；地方船運公司船舶流量10000m³/s，最大流速2.5m/s。長江流量超過通航流量時，船(隊)從左岸臨時船閘通行。導流明渠既是一條人工航道，又是一條泄洪通道。導流明渠的布置、尺度及斷面型式需按兩種用途的設(shè)計流量標準進行設(shè)計研究，按照通航流量標準擬定的明渠規(guī)模和斷面型式，在渲泄導流設(shè)計洪水時，明渠渠底及邊坡防護需滿足抗沖要求。對受沖刷將惡化航運水流條件導致渠岸坍塌的重點部位分別采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土柔性排、混凝土四面體，塊石串，及大塊石保護。鑒于導流明渠設(shè)計由泄洪和通航水流條件為前提，并為大江截流創(chuàng)造良好的分流條件，根據(jù)設(shè)計計算成果，并通過1/80水工模型試驗驗證，在截流設(shè)計流量14000～19400m³/s合龍，最終落差0.8～1.24m，說明導流明渠分流能力很大，充分起到降低大江截流難度的作用。

4.2研究深水截流堤頭坍塌機理，采取平拋墊底措施，緩解深水截流難度

大江截流最大水深達60m。按截流水力學計算和水工模型試驗，由于大江截流的落差和流速不大，當可大量利用開挖石碴和中小塊石填筑截流戧堤。長江科學院在1/80截流水工模型試驗中，發(fā)現(xiàn)回填進占過程中，提頭多次發(fā)生大規(guī)模坍塌現(xiàn)象。堤頭坍塌將危及施工人員及機械設(shè)備的安全，延誤截流工期，使之成為深水截流突出難題，特增建l/40，l/20截流模型對截流域堤坍塌問題進行專題試驗研究。綜合分析認為，造成深水截流堤頭端部坍塌是多種因素共同作用的結(jié)果，與水深、流量、流速、落差、滲透壓力、拋投料粒徑、級配、拋投強度等諸多因素有關(guān)，其中龍口水深是主導因素。從模型試驗成果可見，截流龍口水深由60m減小到30m，相應堤頭平均坍塌面積，最大一次坍塌面積分別減小35％、36％，當水深由60m減小到20m；上述參數(shù)分別減少達64％、55％，說明減小龍口水深是緩解截流 朗堤坍塌的有效途徑。為減少龍口水深，設(shè)計綜合二期圍堰斷面結(jié)構(gòu)，施工材料，水上作業(yè)方式，工期等因素，確定在龍口河床深槽段預先平拋石渣、砂礫料及塊石，以抬高河底高程，是為平拋墊底。

墊底高程既要達到緩解截流難度的目的，還要兼顧墊底材料渡汛防沖和滿足長江通航水流的要求，結(jié)合有關(guān)模型試驗論證，選定為高程40m，由此使龍口水深限于27m左右，可有效地減少堤頭坍塌的頻次和規(guī)模，且尚有減免河床淤沙沖刷的作用和減少龍口拋投料而縮短合龍時間的好處。

為確保平拋墊底材料安全渡汛，對平拋墊底材料渡汛防沖措施進行了專題研究。運用整體模型試驗，對汛期可能出現(xiàn)的各級流量(45000，57400，60300，66800，72300m³/s)進行了充分的恒定流、洪水過程沖刷試驗研究，并探討合理的渡汛保護措施。試驗結(jié)果表明，各種工況沖刷規(guī)律基本一致。按20年一遇洪水流量72300m³/s試驗成果，平拋墊底的砂礫料產(chǎn)生沖刷呈流線型。設(shè)計研究優(yōu)化平拋墊底結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)試驗驗證，采用戧堤部位石渣和塊石平拋擴墊底至40m高程，其上游側(cè)堰體砂礫料降低至35～37m高程，形成高低坎結(jié)構(gòu)型式，可有效地減少砂礫料沖刷，由1997年汛后實測水下地形所驗證。

4.3科學驗證、優(yōu)化設(shè)計方案，力爭提前實現(xiàn)截流合龍

提前實現(xiàn)截流合龍可為二期圍堰施工贏得工期，確保其安全渡汛，如期形成二期工程施工基坑，對三峽工程總體建設(shè)部署意義重大。

初步設(shè)計計劃導流明渠1997年10月分流，11月通航。大江截流時段(龍口合龍時段)，擬定在12月上、中旬。技術(shù)設(shè)計階段，考慮明渠工程施工已有較大提前的情況，初步認為應力爭明渠提前于5月分流，9月通航，截流時段可提前至11月下旬，截流設(shè)計流量14000m³/s(11月下旬5％頻率旬平均流量)，隨之經(jīng)對明渠5月份分流后的截流 朗堤非龍口段和明渠通航規(guī)模試驗及綜合論證，上游 城堤可加快進占，在汛前控制口門寬460m，即使龍口已平拋墊底，明渠及束窄口門皆可通航。經(jīng)中國長江三峽工程開發(fā)總公司審查同意，在招標設(shè)計中，將截流時段再提前至11月中旬，截流設(shè)計流量為14000m³/s～19400m³/s。設(shè)計根據(jù)120年實測水文資料統(tǒng)計分析，10月26日～31日和11月1日、6日，流量出現(xiàn)小于20000m³/s的年份分別占80％和92.5％，說明截流合龍?zhí)崆暗?0月底至11月上旬從水文資料分析是可能的。經(jīng)對非龍口段進占程序和口門水力學指標的計算和試驗驗證，自10月中旬起可將口門縮窄至210m，10月下旬可形成龍口寬度130m。實際施工，10月6日明渠通航，截流 域堤束窄到口門寬280m時大江封航，10月23日形成龍口寬130m。據(jù)水文預報10月下旬流量在12000m³/s以下，處于合龍有利時機。另外由于明渠汛前分流淤積比較嚴重，其分流條件不甚理想。自口門寬280m至形成龍口130m，明渠分流量約為長江流量的30％～50％，低于設(shè)計計算及模型試驗的預測值約15％，綜上緣由，大江截流領(lǐng)導小組決定提前于10月26日開始合龍，逼江水人明渠沖刷淤積。10月27日6時束窄至龍口寬40m后停止合龍，分析其后水文測驗資料，渠內(nèi)淤積明顯沖刷，其分流比迅速增大，10月底分流比在91.8％，11月5～6日還用專用船舶對淤積部位作高壓空氣擾動沖沙措施。龍口40m停止合龍，另一考慮是防止10月末至11月初出現(xiàn)長江流量超過明渠通航流量的意外情況造成滯航。最后于11月8日歷時6.5小時，一舉將龍口勝利合龍，截流合龍時間比初步設(shè)計提前一個月。

4.4部署技術(shù)保障和技術(shù)服務，有力地支持大江截流順利進展

為合理安排截流施工進度、選擇截流時機，及時掌握截流過程中戧堤縮窄口門和明渠的水文要素(水位、流量、流速、流態(tài)等)、水下斷面形態(tài)以及沖淤變化等情況，為截流施工提供科學依據(jù)，設(shè)計專門提出了截流期水文氣象預報和水文觀測工作任務和要求。水情預報以長江流域水文站網(wǎng)為基礎(chǔ)，在有關(guān)部門和氣象預報技術(shù)支持下，適時作短期(未來3～5天)、中期(6～10天)和長期預報、短期水情預報還作分段次滾動預報，其精度較高；中期預報誤差在15％以內(nèi)；長期預報精度大多可包絡實際水情。在壩區(qū)河段22km和截流河段2.5km設(shè)立數(shù)十個水位站和測驗斷面，關(guān)鍵部位采用世界上新型的聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)，并采用全球定位系統(tǒng)(GPS)導航定位。水文觀測資料采用先進儀器，數(shù)據(jù)自動采集、接收、處理、貯存，檢索后經(jīng)計算機通輸網(wǎng)絡、電子郵件、傳真等傳輸至有關(guān)部門，為截流指揮機構(gòu)適時提供決策依據(jù)。

截流過程處于明渠水流條件、束窄口門水流條件及其邊界條件不斷變化的動態(tài)過程，在長江科學院宜昌前坪已建的大江正態(tài)整體水工模型開展了跟蹤預報試驗。模擬動態(tài)變化的邊界條件跟蹤現(xiàn)場施工，對截流進占和合龍過程中提頭坍塌，口門水力學指標，明渠分流條件及施工通航水流條件等進行測試和演示，預報并分析可能發(fā)生的影響程度，在跟蹤預報。試驗期間還采用業(yè)主開發(fā)和建立的大江截流計算機三維實體模型，仿真模擬并演示截流進展的動態(tài)，施工單位隨時測報施工實施中各施工要素，駐現(xiàn)場設(shè)計人員適時根據(jù)水情、水文測驗成果，施工進展實況，提出水力學計算指標預測值。

上述水文氣象預報和水文測驗，模型跟蹤試驗，以及施工、設(shè)計方面的信息源，準確及時地傳輸匯集至截流指揮機構(gòu)作為科學的決策依據(jù)，有力地支持了大江截流順利實施。截流合龍階段，對于明渠沖淤，擴大分流，合龍分為口門130m和40m兩步實施的決策，都集中體現(xiàn)了其有力地支持作用。

4.5強化施工組織管理，力克施工技術(shù)難關(guān)，把握時機，優(yōu)質(zhì)、高效、安全地實現(xiàn)大江截流

大江截流施工是一項龐大的系統(tǒng)工程，必須有完善的施工組織設(shè)計，各階段設(shè)計報告皆編制施工組織設(shè)計，招標設(shè)計及招標文件進一步予以細化，對施工進度、施工布置、施工程序和作業(yè)方法、填筑材料、主要施工設(shè)備等均有具體規(guī)定。大江截流承建單位葛洲壩集團在投標文件及報送的施工組織設(shè)計，均予以按排。

實施大江截流前，由中國長江三峽工程開發(fā)總公司主持組成有三峽總公司各有關(guān)部門、設(shè)計、監(jiān)理、施工單位負責人參加的截流領(lǐng)導小組為大江截流最高協(xié)調(diào)決策機構(gòu)，施工單位葛洲壩集團建立了以截流指揮部為中心的門類齊全，多層次的管理機構(gòu)，配置計算機信息系統(tǒng)，使截流施工在精干、高效、靈活、快捷的組織管理狀態(tài)下實施，實施中以降低深水截流難度和實現(xiàn)高強度填筑為重點，著力進行施工技術(shù)攻關(guān)，如對堤頭坍塌，在設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，進一步與高等院校合作研究其成因，在平拋墊底的前提下作出坍塌預報，采取包括優(yōu)化堤頭進占方式，安全作業(yè)方式等綜合措施。平拋墊底施工，通過實船拋投試驗和初期實踐，形成了行之有效的水下作業(yè)程序和方式，平拋墊底的水下成型良好，料物分層粗化得到控制。為探索截流堤和堰體跟進拋投的多工作面，高強度填筑的施工組織措施，于形成截流龍口前(10月14～15日)進行實戰(zhàn)演習，按上述兩岸戧堤同步進占、下游左岸尾隨進占的方案經(jīng)24小時高強度拋投創(chuàng)截流日·拋投強度19.4萬m³的世界紀錄，全面檢驗了施工組織管理和人員、設(shè)備的實際施工能力，可滿足截流高強度施工需要，與此同時，還將 戧堤龍口段平拋墊底在原高程40m的基礎(chǔ)上加高拋至高程45m，以更利于龍口段快速、安全合龍。10月23日形成寬130m的龍口，據(jù)水情預報10月下旬流量12000m³/s且呈緩降趨勢，對合龍十分有利，同時考慮明渠沖淤的需要，經(jīng)領(lǐng)導小組決策同意，于10月26日8時上游戧堤開始合龍突擊進占，匯集了大型施工設(shè)備369臺套歷時22.5小時將龍口束窄至40m，其時截流流量為11600m³/s，日拋投強度達12.1萬m³，兩岸堤頭平均小時拋卸316車次、拋投5372m³，其機械化程度和施工強度為世界上大江大河截流所罕見。龍口40m形成后，明渠分流比不斷增大，又據(jù)10月底預報11月上旬流量均在10000m³/s以下，綜合各方因素經(jīng)上報國家批準于11月8日最后截流合龍，在10月26日～27日合龍進占已闖過了龍口合龍困難段，左右岸戧堤底部已搭接相連，加上施工單位人力、物力、技術(shù)服務的充分準備，11月8日下午3時30分截流龍口順利合龍，實為事在必成。