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60m,設計截流流量19 400~14 000m3/s,均居世界首位。
由于截流水深大,進占堤頭的坍塌與穩(wěn)定問題成為截流實施過程中首當其沖的關(guān)鍵問題。因此,圍繞這一技術(shù)難點廣泛深人開展了理論、試驗分析研究。本文擬根據(jù)截流堤頭坍塌理論模型求解計算及預報研究成果,并參考截流堤頭坍塌物理模型試驗成果,分析深水截流堤頭坍塌的一些基本規(guī)律,并由此提出對深水截流難度的新認識。
2堤頭坍塌的基本規(guī)律
2.1 引發(fā)坍塌的主要原因
從力學平衡角度建立的堤頭坍塌的數(shù)學模型研究可知,在深水截流中,由于水深坡長,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了堆體坡面的摩阻力,在上部加載、振動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,坍塌才會減緩和停止??梢?,材料的穩(wěn)定坡角對坍塌起著控制作用。
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。其過程描述為:當?shù)赝读贤迫胨袝r,拋投料滾落到約5~10m水深處停止?jié)L動,隨著進占繼續(xù),戧堤進占而為5~l9m水深以上堆料坡度逐漸變陡,當達到1:1.1或更陡時。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,形成暫時穩(wěn)定,拋投坡度達到1:1.1左右時,一旦受到外界的擾動(如大粒徑拋投料的滾動,個別拋投體失穩(wěn)及水流沖刷作用等),即帶動拋投料群體下滑滾動,形成第二次坍塌;水深較深時,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。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。—次完全坍塌中的個完全坍塌次數(shù)就越多。
2.3坍塌規(guī)模的規(guī)律性
在對堤頭坍塌數(shù)學模型的建立與求解中,坍塌規(guī)模用堤頂坍塌長度L、坍塌體積Vs等量來表示。研究分析表明,坍塌長度和體積均與水深、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,水深對坍塌規(guī)模起著關(guān)鍵作用。在無水流沖刷條件下,對于給定的拋投材料,其穩(wěn)定坡角即給定。當水深h達到2B0/ctana2后,坍塌體積Vs隨h的變化呈現(xiàn)正增長,表明了坍塌規(guī)模存在著一個水深臨界值,當水深超出該臨界值時,坍塌規(guī)模(體積)將顯著增大,對于三峽工程大江截流,計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,當龍口寬度為80m左右時,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)模最大的時段就發(fā)生在戰(zhàn)堤底部即將與戧堤底部相接前的龍門最深部價進占期間,亦即深水截流進占的最困難階段。
2.4 坍塌頻率規(guī)律性 坍塌頻率是指一定的進占長度內(nèi)的坍塌總次數(shù),它是坍塌依賴于時間的某種關(guān)系。因此,對于停止進占情況下的戧堤,其坍塌主要取決于水力和拋填材料的特性;而對處于進占狀態(tài)下的戧堤。則還要取決于進占拋填施工強度。 |
圖1 龍口分區(qū)圖 |
下面來推求兩輪坍塌之間的時間間隔。假定堤頭進占拋填強度為:
R=Vt/t | (1) |
式中Vt—拋填體積,m3;
t—時段長,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;
H0為戧堤高度(或水深); Hl為凸體長度; D為凸體高度; |
圖2 拋填進占體積計算示意圖 |
a1為臨界坡度;
a2為穩(wěn)定坡度。
當Vk=Vt時,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間間隔,進而求出坍塌頻率。
以長江三峽工程大江截流的進占拋投為例,其計算條件為a1=45°,a2=35.5°,B0=20m,H=10m,H1=8m,D=2m,R設=3500m3/h ,由此即可計算出不同水深下的每一輪坍塌時間間隔,見表l。 從上表可知,每一輪的坍塌時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,因為在每一輪的坍塌過程中,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,一般會出現(xiàn)二次坍塌,則相應的坍塌時間間隔將分別縮為21~32min左右。通過模型試驗也得出了深水截流戧堤坍塌頻率的類似結(jié)果,見表2。
表2 不同水深下堤頭坍塌試驗成果
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水深 |
試驗項目 |
龍口口門寬/m | ||||||
120~110 | 110~110 | 100~90 | 90~80 | 80~70 | 70~60 | 60~50 | ||
| ||||||||
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 | |||
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 | |||
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應的龍口寬度正處于戧堤坡底即將對接的位置,此時龍口水深正處于由深變淺的轉(zhuǎn)變時期,這說明,坍塌規(guī)模隨著水深的變化而變化。同時,與單次坍塌最大面積相對應的坍塌間隔也最大,這說明,間隔的時間越長,就預示著即將坍塌的規(guī)模就越大。
3 深水截流難度的新認識
以往,人們衡量截流難度。往往是從截流的水力學指標來考慮。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,究竟哪個是截流難度的判別標準呢?最早人們采用水流比能強度,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,人們對截流的難度有了進一步的認識,認為除了Z或ν以外,還應考慮拋投的工程量、分流量及施工強度等因素,稱之為“截流規(guī)?!?。三峽工程大江截流,則進一步引起了人們對深水截流難度的新的認識。
3.1衡量截流難度的指標
武漢水利電力大學肖煥雄教授認為: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雜,要想用一個綜合指標來衡量它是很困難的。目前國際上廣泛流行的綜合指標中以龍口水流單寬功率E較為典型,有如下表達式:
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—龍門落差;
ν—龍口流速,
分析式(7)不難看出,E代表了龍口水流動能。既包含了υ,又包括了Z,這是很合理的;同時平堵截流的實踐也證明了將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水深因素,這就值得研究了。
在平堵截流中,當出現(xiàn)E的最大值時,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)式可改寫為
Nm=γυk·Z2k=γ/4g2φ2·υk5 | (9) |
由(9)式看出,平堵截流中的Nm實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Nm出現(xiàn)時,龍口水深h遠比Z大,有時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。這就說明了Nm、不是衡量立堵截流的一個普遍綜合指標,值得進一步研究。
綜上所述,要從理論上導出一個截流難度的普遍綜合指標是比較困難的。但就深水截流難度指標而言,本文提出采用“坍塌強度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均為化簡系數(shù)。
由式(11)可見,坍塌強度Rs取決于龍口水深h的高次方,由于坍塌強度Rs越大,相應的裁流難度就越大。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識
綜上分析,無論是從“坍塌強度”還是從“截流難度”的意義上。對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之一。
根據(jù)理論模型建立及分析計算,三峽工程大江截流在龍口水深h=28.6m時,處于水深臨界值,當超過該值時,對施工安全的威脅性就增大,相應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以內(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)的指標衡量深水截流難度,都將使深水截流的實際難度難以得到普遍綜合衡量。而深水截流最突出的難點則是由水深引起的大規(guī)模堤頭坍塌問題以及由人規(guī)模堤頭坍塌而引起的堤頭進占安全問題。