三峡工程深水截流堤头坍塌规律分析

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1、三峡工程深水截流堤头坍塌规律分析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19400～14000m3/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

2、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

3、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

4、，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

5、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

6、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+

7、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

8、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