1、三峡大学职业技术学院建筑工程系1三峡工程三期截流方案设计及实施2000 级水电建筑工程 李凯摘 要 三峡工程三期截流具有流量大、落差大、单岸进占、抛投块体重量大、政治影响大等特点。本文针对此特点对三期截流方案及施工特点作了简单分析与介绍。关 键 词 三峡工程 三期截流 截流方案 施工部署长江三峡水利枢纽由大坝、电站厂房、船闸及升船机组成，为保证施工期间长江干流不断航，采用“明渠通航，三期导流”的施工方案，总工期 17 年（1993 年-2009 年） ，准备工程和一期工程 5 年，二期工程 6 年，三期工程 6 年。准备工程主要有：坝区（包括对外交通和砂石料场）征地与移民，场地平整，场内外交通
2、工程，供电、供水、通风、排水、通讯、仓储系统、房屋建筑、砂石料、砼、制冷系统、综合加工企业等。一期工程主要有：一期土石围堰填筑，纵向围堰砼浇筑，三期上游碾压砼围堰基础部分浇筑，导流明渠开挖和护底、护岸砼浇筑及临时船闸工程等，以大江截流为开始标志。二期工程主要有：大江上、下游横向土石围堰填筑和基坑排水，河床泄洪坝段、左岸厂房坝段及坝后式厂房等，以左岸电厂首批机组发电和永久船闸通航为结束标志。三期工程主要有：右岸厂房坝段和右岸非溢流坝段至主坝顶 185 米高程的砼浇筑及相应的金属结构安装，右岸电站厂房工程等，以枢纽工程全部建成、26 台水轮发电机组全部发电为结束标志。1 三期截流工程概况及其特点三
3、期截流是修建三期上下游围堰的第一道工序，其目的是截断明渠，迫使长江水流改道从左侧主河床已建泄洪坝段导流底孔渲泄。三期截流设三峡大学职业技术学院建筑工程系2计流量 9010-10300m3/s，截流落差 3.26-4.06m，截流水深 20-30m，其截流总能量为当今世界截流工程之冠。三期截流具有流量大、水深、龙口抛投量大等特点。一是流量大。1981 年葛洲坝工程截流时，水流流量为每秒4720m3；1997 年三峡工程大江截流时，水流量为每秒 11600m3；巴西伊泰普水电工程截流时，水流流量为每秒 8100m3；而三期截流设计流量为 9010-10300m3/s，实测流量 8600 m3/s。
4、二是截流水深。葛洲坝工程截流时，龙口水深达 44m；三峡工程大江截流时，龙口水深达 60m；巴西伊泰普水电工程截流时，龙口水深为25-40m；而三期截流设计水深达 30-35m，实测水深 25 m。三是龙口抛投量大。葛洲坝截流时，共向龙口抛投物料 10.63 万 m3 ;三峡工程大江截流时，共向龙口抛投物料 14 万 m3 ;巴西伊泰普水电工程截流时，共向龙口抛投物料 77 万 m3；而三期截流设计最大抛投量 11.46万 m3 , 实际抛投量为 37 万 m3 。右岸导流明渠截流与三期土石围堰填筑工程量设计为 310.48 万 m3,其中水下抛填占填筑总量 85%以上，由于左岸为孤岛，上游左
5、侧备料数量有限，以右岸单进抛投为主。三期截流设计最大落差达 4.11m(截流流量10300m3/s),龙口平均流速为：上戗 4.7m/s，下戗 3.91m/s，平均单宽能量为：上戗 83.61t.m/s.m,下戗 42.60t.m/s.m。截流水力单指标高于三峡二期截流，也高于葛洲坝大江截流。2 三期截流方案选择2.1 截流时段及截流方法选择截流时段的选择不仅关系到截流流量的确定，而且关系到整个工程的施工部署。三峡工程的三期截流时段选择主要考虑三期围堰施工工期和二期上下游围堰水下拆除及导流底孔具备分流的时间等因素。据坝址下游宜三峡大学职业技术学院建筑工程系3昌站 116 年实测水文资料，长江最
6、枯时段为 1 月下旬至 2 月下旬，流量仅 6100-2950m3/s。若在此时段截流，则截流流量最小。由于三期围堰施工工期的紧迫性和水库蓄水、围堰挡水安全考虑，决定将截流时间提前到 11 月进行，对工期有利。根据宜昌水文站及寸滩水文站（位于重庆下游约 10 公里） ，自 1877 年以来的实测水文资料得知，将三期截流提前到11 月下旬，截流设计流量 9010-10300m3/s，是可行的。截流方法的选择，应与分流建筑物的规划和围堰施工要求结合起来考虑。截流方法一般采用立堵截流、平堵截流及立平结合截流等方法。根据各种方法的施工程序及特点来选择适合三期截流的截流方法。2.1.1 立堵截流立堵截流
7、就是将截流材料利用自卸汽车、推土机等设备将石头石渣从龙口一端向一端，或从两端向中间抛投进占，逐渐束窄龙口直到将水流全部拦断。就水力法实质来说，立堵法主要是从侧向来束窄水流，直至最后将水流截断。一般认为立堵龙口的水流较复杂，特别是戗体段部的脱体绕流会产生强烈的立轴旋涡，水流分离线附近水域存在大尺度紊动作用，易造成对河床的冲刷。因此，立堵法主要适用于岩基或覆盖层较薄的岩基河床。立堵截流是我国水利水电工程截流应用最多的传统方法，我国修建的一些大型水利枢纽如三门峡、丹江口、葛洲坝等工程都采用单戗立堵截流。但三峡工程明渠截流流量大、落差大，如采用单戗堤立堵截流，龙口抛投最大砼面体重量超过 50 t，施工
8、困难。设计重点研究了上下游围堰戗堤同时进占立堵截流的方案。由于三峡坝址位于葛洲坝水库内，截流龙口水深而比降小，上下游围堰戗堤虽相距 1100 m，双戗堤龙口仍可分担落差。2.1.2 平堵截流平堵法截流就是利用固定桥或浮桥结合自卸汽车沿龙口全线均匀地逐三峡大学职业技术学院建筑工程系4层抛投截流材料，直至抛石堆高出水面将河道水流截断为止。采用这种方法的龙口一般是部分河宽，也可能是全河宽。就其水力学实质来说，平堵截流过程中龙口宽度基本不变，主要是从垂直方向束窄水流。但是，平堵截流费用昂贵，技术复杂，一般需要架桥，而且架桥施工、浮桥架设和锚定工作常常碍航。因此，平堵截流主要用于平原软基河流，架桥方便且
9、对通航影响不大。鉴于明渠截流落差超过 4m，如采用栈桥平堵，需要提前一个枯水期在明渠修建桥墩，影响明渠通航，实施困难；如采用浮桥平堵，前苏联在二十世纪 50 年代使用的浮桥架桥流速小于 4 m/s，在桥面抛投砼四面体重量达 2 5 t，浮桥架设和运行技术安全性尚无把握。2.1.3 平立结合截流设计研究上游戗堤立堵，承担 2/31/2 落差，立堵截流龙口最大平均流速 5.4 m/s，下游戗堤龙口预先架设浮桥平堵，分担 1/31/2 落差，浮桥平堵截流龙口最大平均流速 3.5 m/s。该方案上下游戗堤截流龙口上、下游戗截流龙口水力学指标比较优越，若采用此方法截流，施工难度降低，但需要在上下游围堰龙
10、口段预先架设浮桥，不但增加费用，且要占工期d。通过以上三种截流方式的对比，因三期截流合龙流速大，抛投进占困难，决定采用上、下游戗堤同时进占分担落差的双戗立堵截流方案。2.2 截流戗堤轴线及龙口位置选择三期截流上游戗堤轴线呈直线布置，与围堰轴线平行，间距 12. 5 m。戗堤轴线长 378.4 m，设计断面为梯形，上游边坡 1：1.1，下游边坡 1：1.3，堤顶高程从两岸非龙口段高程段 71.5 m，堤顶宽度 25 m，满足 45 辆 4077 t 自卸汽车同时抛投。下游围堰水下拆除至设计断面，三峡大学职业技术学院建筑工程系5以满足分流条件的要求。截流戗体有单戗堤、双戗堤两种形式，它们的轴线布置
11、也有所不同，各有其特点。龙口位置的选择也是截流前的重要考虑问题之一，选择位置不同也将关系到截流的难易程度及成败，因此，对戗堤轴线及龙口位置的选择同样是非常重要的。2.2.1 单戗堤布置轴线当上、下游横向围堰采用土石围堰时，截流戗轴线通常均布置在横向围堰范围内。为了在合龙后能使围堰迅速闭气并进行基坑抽水，且使截流前后的围堰施工强度尽量均衡，一般情况下将单戗堤布置在上游围堰内略有利。2.2.2 双戗堤布置轴线当采用双戗或多戗截流时，戗堤间距必须满足一定要求，才能发挥每条戗分担落差的作用。采用双戗截流的工程，多将两条戗堤分别布置在上、下游围堰内。但采用多戗截流时，一个围堰内需布置两条戗堤。2.2.3
12、 龙口位置选择选择龙口位置时，应着重考虑地质、地形条件及水力条件。从地质条件来看，龙口应尽量选在河床抗冲刷能力强的地方，如基岩裸露或覆盖层较薄处。从地形条件来看，龙口河床不宜有顺流向陡坡和深坑。龙口周围应有比较宽阔的场地，离料场和特殊截流材料堆场的距离近些，衡布置交通道路和组织高强度施工。从水力条件来看，对于有通航要求的河流，预留龙口一般均布置在深槽主航道处，有利于合龙前的通航。因三期截流合龙流速较大，投进占困难，需采用上、下游戗堤共同进占分担落差的双戗堤立堵截流方案，为此，按上游戗堤承担 3/4 落差，下游戗堤分担1/4，拟定上下游龙口宽度均为 150m。2.3 截流材料选择三峡大学职业技术
13、学院建筑工程系6根据世界上一些高流速及大落差实例（见下表）工程名称截流最大落差(m)最大流速（m/s） 抛投单位重量(t)托克托古利工程 . . 努列克工程 . . *中国大朝山工程 . . 中国盐锅峡工程 . . 普特金工程 . . 奇尔奇克工程 . . 布拉次克工程 从以上 7 个大流速及大落差截流实测资料可以看出：(1) 岩基河床上用单戗堤立堵截流，当处于截流最困难区段的落差或大于 2.5m，水表流速等于或大于 7m/s 时，要想迅速形成上挑角，则抛投岩块重量应在 2025t 以上，最好采用块石串 30t 以上，或砼四面体串40t 上；采用单个砼块效果是不好的。(2) 抛石护底后的河床，
14、水力条件和上面近似时，抛投块体吨位可以相应减少一点，例如抛 2025t 右大岩块，最好采用 30t 右块石串、或40t 右砼四面体串，如果抛单个砼四面体，则应在 2530t 上，并应考虑一定的流失量。结合三峡工程三期截流的困难程度及特点，借鉴以往的实例，采用材料如下：（1）设计采用砼四面体块 40t 和 20t 砼四面体 1400 块，抛投需要的 30t 砼四面体则采用特大块石串代替；（ 2）特大石和特大石串粒径 1.31.6 m，重量 35 t 的大块石，要求钻孔，用钢丝绳将 35 t 块连三峡大学职业技术学院建筑工程系7成特大块石串，设计总量为 1.0 万 m3；（ 3）大石及中石：中石粒
15、径0.40.7 m，的块石，备料按粒径 0.5 m，重量大于 170kg 的块石含量大于 60%石渣料控制；大石块粒径 0.81.1 m，重量 0.711.7t 的块石；（3）钢架石笼设计需要量为 288 个，内装粒径为 30-70cm 的中小石，单个重量为 5-10t，10t 钢网石兜用于裹头和垫底，5t 钢网石兜用于进占抛投，采用汽车端抛；（6）石渣料：右岸建筑物基础开挖的花岗岩块石石渣料，一般粒径 0.580cm，其中粒径 2060 cm 块石含量大于 50%，粒径 2 cm 以下含量小于 20%。 （5）风化砂设计备料 266.55 万 m3，分别布置在不同的料场；4）反滤料、垫层料、
16、堰顶碎石：反滤料第一层 5-40mm 级配碎石由 5-20mm 和 20-40mm 碎石掺混而成，第二层 40-150mm 级配碎石由 40-80mm 和 80-150mm 碎石掺混而成；3 截流加强措施三峡工程右岸导流明渠为人工河道，基面平整光滑，不利于抛投材料的稳定，截流施工条件较差，连续高强度抛投施工压力较大，进占施工中水流条件异常复杂，水文条件的变化，直接制约着戗堤的进占速度和合拢的成败，为确保截流过程顺利进行，在施工过程采取了一些补救措施。31 平抛垫底加糙拦石坎为加快截流进度，有效减少抛填材料的流失，加强截流进占过程中抛填料的稳定性，上、下游截流戗堤进占前，龙口段均采用平抛垫底加糙
17、拦石坎。上、下游拦石坎抛填范围均为顺水流向宽度 15m。上游拦石坎沿戗堤轴线长 120m,顶部高程 52.5m，拦石坎高 2.5m，钢架笼装满单个重 25 t；下游拦石坎沿戗堤轴线长 90m，顶部高程 48m，拦石坎高3m，合金钢网兜网眼尺寸 70mmx70mm，抗拉强度1300N/m m2 ，单个重 10 t，约装 6 m3 中小石料。拟采用船运水下抛填 3.34 万 m3回填料以补充陆上抛填的不足。上游戗堤左岸非龙口段水下抛填范围为：沿三峡大学职业技术学院建筑工程系8戗堤轴线距砼纵向围堰 56.4m 处填筑边坡 1：1.2 ，顺水流向上游底宽36.7m，下游底宽 41.1m，共 77.8m
18、，上游边坡 1：1.1，下游边坡1：1.3，最大面积 4400m2，填筑高度 10m（50-60m） 。32 预防堤头坍塌措施为预防堤头坍塌，尽量采取全断面整体推进，采用上挑角进占时，尽量减小挑角挑出长度。根据堤头稳定情况相应选择自卸汽车直接抛投或自卸汽车堤头集料推土机推料回填或卸料冲砸抛填方式填筑。挑选质量好的填料，石渣料的粒径相对均匀，粒径小于 5.00mm 的细颗粒，严格控制在 10%以内。适当降低占面高和，加宽进占面宽度，以增加安全程度，同时做好堤头的防护工作。3.3 采用特大块石串和砼四面体埋铁块明渠截流上游戗堤龙口合龙过程中，可发挥三峡工程的特大型机械设备威力，抛投特大块石串、砼四
19、面体串，可预制 4050 t 重的砼四面体，在砼中埋铁块或铁矿石，以增大块体的容重，提高其稳定性。4 结 语三峡工程三期截流任务十分艰巨，从衡量截流困难程度的各项指标看，可能比葛洲坝大江截流或三峡工程大江截流还要复杂一些，三期截流的成败关系到整个工程的工期问题及社会影响等，因此，做好三期截流的准备工作是事在必行的，对各项水力学指标的分析和经验的搜集及各项试验的开展提出了更高的要求。截流的经验也将应用于其他水利工程。指导老师：王红峡参 考 文 献肖焕雄 施工导截流与围堰工程研究 中国水利出版社 2002 年 5 月郑守仁、郭红民 三峡工程明渠截流设计与试验研究 三峡工程网 2002 年三峡大学职业技术学院建筑工程系9周克己 水利水电工程施工组织与管理 武汉水力电力大学 1998 年 10 月三峡开发总公司 三期截流施工组织设计 2002 年 9 月
