一种龙口立堵截流方法与流程

1.本发明涉及一种龙口立堵截流方法，尤其是一种水力驱动平铺护底的立堵截流方法，属于水利水电工程河床截流施工与围堰填筑技术领域。


背景技术：

2.水利水电工程施工截流是指截断原河床水流，把水流引向导流泄水建筑物下泄，再在河道中填筑上下游横向围堰，从而为主体建筑物修筑创造干地施工条件。我国西部地区水利水电工程大多具有河谷狭窄、流量大、水流湍急、河床覆盖层深厚等特点，主河床截流施工和横向围堰填筑是工程建设中的关键环节。截流施工主要有立堵截流、平堵截流和平立堵结合的三种截流方式。
3.立堵截流包括预进占阶段、合龙阶段。预进占阶段从河流单侧/两侧施工，形成宽度适中的龙口，并对戗堤堤头进行保护，为最终合龙阶段创造条件，预进占阶段水流速度相对较慢、施工难度较低。对于立堵截流而言，关键的问题是如何确保合龙阶段中抛投石料在龙口高速水流的冲击下保持稳定。现有的技术措施是制备大尺度的、足量的抛投石料。由于开采天然石料难以获得足量的大型块石，人工制备抛投石料必不可少。但是，在狭窄的河谷地带，大面积的人工制备石料的堆存场地往往难以满足。尽管如此，由于立堵截流施工程序相对简单，工程实践中较多采用。
4.对于平堵截流而言，平抛护底既可保护覆盖层免受冲刷，又可改善截流龙口水力条件，降低截流难度，但是平抛护底施工需要架设浮桥或栈桥，或者具有船只吊抛条件，施工程序复杂、施工费用高、在动水环境中抛投石料难以准确止动于设计抛填位置，在工程实践中只有少量使用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是为了解决现有截流施工中立堵截流因需要制备大尺度的、足量的抛投材料、且需要具有大面积的抛投材料堆存场地，使得对于狭窄的河谷地带往往难以满足、以及平堵截流的施工程序复杂、施工费用高、抛投石料定位难度大的问题，提供一种龙口立堵截流方法。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种龙口立堵截流方法，其特征在于：在预进占阶段之后，在戗堤堤头处所采用的抛投料主要包括当量球径为d2的材料，所述材料的起动流速v
起动
、止动流速v
止动
满足下式：
[0007][0008]
其中，所述材料的起动流速v
起动
的表达式、止动流速v
止动
的表达式均包含所述当量球径d2，v
起动
为所述材料在水流中由静止状态变为运动状态时对应的水流流速，v
止动
为所述材料在水流中由运动状态变为静止状态时对应的水流流速，va为所述抛投料落下的位置处的水流流速，vb为在设定的横向围堰靠近下游的端部位置(即为横向围堰下游坡脚处)的水
流流速。
[0009]
本发明中，以预进占戗堤堤头为起点，主要采用当量球径为d2的材料作为抛投料进行进占。在截流进占过程中，随着龙口宽度缩窄、过流面积减小、戗堤上游水位升高、龙口落差加大、流速逐渐增加。由于当量球径d2材料的起动流速小于所述抛投料落下的位置处的水流流速，因此抛投料受运动水流力的驱动作用，沿着主水流运动方向向下游漂移、滚动或滑动；由于当量球径d2材料的止动流速大于在设定的横向围堰靠近下游的端部位置的水流流速，因此抛投料迁移至该处时停止运动。依此，截流进占施工中的抛投料不断地迁移、止动，逐渐堆叠、平铺，进而在整个截流龙口宽度上形成抛投料堆积体，从而形成平铺护底堆积体。
[0010]
水流驱动抛投料向下游迁移时，流速降低，驱动力沿程逐渐衰减；抛投料形成堆积体后进一步减缓了水流流速，同时减小了龙口截流水深，从而大幅度降低后续合龙阶段的难度。本发明由于采用立堵施工，也可以避免采用平堵截流施工时遇到的施工程序复杂、施工费用高、抛投石料定位难度大的问题。本发明中，在预进占阶段之后，在戗堤下游位置形成抛投料堆积体的主要作用不是进占施工，而是为了降低水流流速、减小龙口截流水深。
[0011]
上述技术方案中：
[0012][0013]
其中，γs为所述材料的密度，γ为水的密度，k
起动
、k
止动
分别为所述材料的起动系数、止动系数，g为重力加速度。k
起动
的取值范围为1.26～1.42。k
止动
的取值范围为0.93～1.18。
[0014]
上述技术方案中：利用水流驱动力，在戗堤堤头处落下的抛投料在戗堤轴线至横向围堰下游坡脚范围内形成堆积体。
[0015]
上述技术方案中：当所述材料在横向围堰靠近下游的位置形成的堆积体在水深方向上的厚度delta达到第一预设厚度值h0时，则执行合龙阶段；
[0016]
0.5
×hmax
≤h0≤0.8
×hmax
；
[0017]
其中，h
max
为预进占阶段完成时戗堤处的最大龙口落差值。
[0018]
本发明中，通过测量所述材料形成的堆积体的厚度，也可帮助判断是否达到截流条件、是否可以进行后续的合龙阶段。
[0019]
上述技术方案中：利用v
a1
代替va，且利用v
b1
代替vb，其中v
a1
为第一断面上的平均水流流速，v
b1
为第二断面上的平均水流流速；
[0020]
所述第一断面为经过戗堤轴线的龙口横断面，所述第二断面为平行于第一断面、且经过设定的横向围堰靠近下游的端部位置的断面。
[0021]
上述技术方案中：所述材料为当地开采的石料。
[0022]
本发明中，主要采用当地开采的石料作为预进占阶段之后的抛投料，无需另外人工制备大尺寸、体积较大的石料或其他材料作为抛投料。在施工场地附近开采石料后，可随采随用，无需再另外设置材料堆存场地。
[0023]
上述技术方案中：0.8m≤d3≤1.2m，其中d3为合龙阶段中所采用的主要抛投料的当量球径。
[0024]
本发明中，由于在合龙阶段之前所采用的抛投料形成堆积体减缓了水流流速、减小龙口截流水深，从而可以降低合龙难度，因此在合龙阶段中可以采用尺寸适当的材料作为主要抛投料，降低施工难度，且减少了材料的浪费。
[0025]
上述技术方案中：所述主要抛投料为当地开采的石料。
[0026]
本发明的截流方法施工程序简单、成本低廉，将超高难度截流降低为适中难度截流。本发明提出了护底堆积体形成阶段抛投石料当量球径的计算公式,即：抛投石料的起动流速小于戗堤轴线处的断面平均流速，止动流速大于横向围堰下游坡脚处的断面平均流速，从而将堆积体限定在戗堤轴线至横向围堰下游坡脚的区段范围内，确保做到有效抛投，抛投石料不流失。利用运动水流力的驱动作用使抛投料堆叠、平铺，进而形成平铺护底堆积体，无需专有施工设施或特殊机械设备，适用于单戗单向立堵截流、单戗双向立堵截流等截流方式，简化了截流施工程序、节约了施工成本。本发明的平铺护底堆积体可以抬高龙口河床高程，减小龙口水深；增加床面粗糙度，减缓水力坡降，降低龙口流速；增加床面凸起高度，提高抛投料的稳定性。从而降低截流难度，达到以大石为主要抛投石料即可实现截流合龙的目的。由此带来的进一步有益效果是大幅度减少人工制备大尺度抛投石料的数量，缩小抛投石料堆存场地的面积。平铺护底堆积体保护河床覆盖层免受溯源淘刷和床面冲刷，避免由此带来的戗堤坍塌，保障截流施工安全。平铺护底堆积体作为围堰的组成部分，将截流抛投与围堰填筑合二为一，可以缩短围堰填筑时间。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1是本发明的龙口立堵截流方法各个阶段的示意图。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本技术的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0030]
本发明提供一种龙口立堵截流方法，其特征在于：在预进占阶段之后，利用水流驱动力，将在戗堤堤头处落下的抛投料平铺堆叠成在戗堤轴线至横向围堰下游坡脚范围内的护底堆积体，所述抛投料主要包括(可理解为数量上占比例最多)当量球径为d2的材料，所述材料的起动流速v
起动
、止动流速v
止动
满足下式：
[0031][0032]
其中，所述材料的起动流速v
起动
的表达式、止动流速v
止动
的表达式均包含所述当量
球径d2，v
起动
为所述材料在水流中由静止状态变为运动状态时对应的水流流速，v
止动
为所述材料在水流中由运动状态变为静止状态时对应的水流流速，va为所述抛投料落下的位置处的水流流速，vb为在设定的横向围堰靠近下游的端部位置的水流流速。va、vb可通过测量或仿真计算、估算等方法得到。由于在龙口立堵截流时，尚未形成围堰，因此，此处的vb是与设定的位置对应的水流流速。
[0033]
所述材料的当量球径是根据材料的重量将材料折算为球体计算得到，即将材料化引为球体时的化引直径。
[0034][0035]
其中，γs为所述材料的密度，γ为水的密度，k
起动
、k
止动
分别为所述材料的起动系数、止动系数，g为重力加速度。
[0036]k起动
的取值范围为1.26～1.42。k
止动
的取值范围为0.93～1.18。
[0037]
当所述材料在横向围堰靠近下游的位置形成的堆积体在水深方向上的厚度delta达到第一预设厚度值h0时，则执行合龙阶段(或称为最终合龙阶段)；h0的取值范围为：
[0038]
0.5
×hmax
≤h0≤0.8
×hmax
；
[0039]
其中，h
max
为预进占阶段完成时戗堤处的最大龙口落差值。
[0040]
本发明中，预进占阶段之后，所述材料由水力驱动形成平铺护底堆积体。
[0041]
利用v
a1
代替va，且利用v
b1
代替vb，即令
[0042][0043]
其中v
a1
为第一断面上的平均水流流速(即计算中将第一断面上的平均水流流速作为v
a1
)，v
b1
为第二断面上的平均水流流速(即计算中将第二断面上的平均水流流速作为vb)。所述第一断面为经过戗堤轴线的龙口横断面，所述第二断面为平行于第一断面、且经过设定的横向围堰靠近下游的端部位置的断面。
[0044]
所述材料可采用当地开采的石料，例如爆破开采的天然石料。
[0045]
0.8m≤d3≤1.2m，其中d3为合龙阶段中所采用的主要抛投料的当量球径。所述主要抛投料可采用当地开采的石料。
[0046]
具体地，本发明提供的一种的截流方法主要划分为三个阶段：
[0047]
(1)预进占阶段
[0048]
d1≤0.5m，其中d1为预进占阶段中所采用的抛投料的当量球径。预进占阶段中所采用的抛投料可为石料。
[0049]
预进占阶段的抛投石料以当地天然料、开挖石渣料等小石为主，粒径小于0.5m，以龙口覆盖层不起动或开始起动为控制原则。当戗堤进占到龙口位置时，对戗堤头部实施裹头保护措施。预进占方案按照现有规程规范及标准进行设计。
[0050]
(2)水力驱动平铺护底堆积体形成阶段
[0051]
护底堆积体形成阶段的抛投石料以爆破开采的天然石料为主，抛投石料的起动流
速小于戗堤轴线处的断面平均流速，止动流速大于横向围堰下游坡脚处的断面平均流速，抛投石料当量球径按照式(1)和式(2)计算。根据计算成果及工程经验，优选粒径0.5m～0.8m的中石。
[0052][0053][0054]
式中：v
起动-抛投石料的起动流速，计算时取截流戗堤处的断面平均流速，m/s；
[0055]v止动-抛投石料的止动流速，计算时取横向围堰下游坡脚处的断面平均流速，m/s；
[0056]v起动
＞v
止动
。
[0057]
d-抛投石料的当量球径，单位为m；
[0058]
当量球径是抛投石料按重量折算为球体时的直径。计算时均将各形状的材料按重量折算为球体考虑。为计算、分析方便，才将抛投石料折算为球体，除特制的四面体、钢筋石笼等，抛投石料多为不规则。
[0059]
γs、γ-分别为抛投石料和水的密度，单位为kg/m3；
[0060]
g-重力加速度，单位为m/s2；
[0061]k起动-起动系数，取值范围为1.26～1.42；
[0062]k止动-止动系数，取值范围为0.93～1.18。
[0063]k起动
、k
止动
的选定可由设计人员依据个人经验、现场条件及安全裕度等因素综合选取限定范围内的任意值。
[0064]
本发明中，以预进占阶段后的戗堤堤头为起点，用中石抛投石料截流进占。在截流进占过程中，随着龙口宽度缩窄、过流面积减小、戗堤上游水位升高、龙口落差加大、流速逐渐增加。当龙口流速大于抛投石料的起动流速时，抛投石料受运动水流力的驱动作用，沿着主水流运动方向向下游漂移、滚动或滑动。水流驱动抛投石料向下游迁移时，驱动力沿程逐渐衰减，流速降低，当水流流速小于抛投石料的止动流速时，抛投石料停止运动。依此，截流进占抛投石料不断地迁移、止动，逐渐堆叠、平铺，进而在整个截流龙口宽度上形成抛投石料堆积体，平铺护底堆积体随即形成。
[0065]
戗堤轴线处的断面平均流速可根据实际计算成果或模型试验成果得到，也可通过流速仪直接测得表面流速，或根据全站仪测得的水位差估算得出。本领域技术人员可以理解。龙口落差可采用全站仪测量龙口上、下游的水位计算得出。流速可采用流速仪测量或根据水位差计算。
[0066]
水力驱动形成的平铺护底堆积体长度通常小于5倍龙口平均水深，堆积体均处在横向围堰范围内，成为围堰的组成部分，属于围堰的有效填筑，抛投石料不流失。
[0067]
在横向围堰下游坡脚处，抛投料止动位置，就是建成后横向围堰在最下游的位置。
[0068]
抛投石料堆积体长度和厚度随着抛投量的增加而累积上升。堆积体厚度越大，龙口水深及水力坡降越小，形成类似宽顶堰水流流态，流速显著降低，从而大幅度降低截流难度。为了获得龙口落差不超过2m、戗堤轴线流速小于5m/s、水深不超过3m的适中的截流难度，堆积体厚度可取0.5～0.8倍最大龙口落差。
[0069]
(3)合龙阶段(也可称为立堵进占合龙阶段)
[0070]
合龙阶段的施工是以平铺护底堆积体为基础面进行的，由于平铺护底改善了截流龙口水力条件，降低了截流难度，因此抛投石料主要为爆破开采后分选的天然石料，以粒径0.8m～1.2m的大石为主。
[0071]
对于龙口落差超过5m、戗堤轴线流速大于8m/s、水深超过10m、且河床覆盖层深厚的超高难度截流工程而言，采用单一立堵截流方式是十分困难的。当龙口落差不超过2m、戗堤轴线流速小于5m/s、水深不超过3m时，采用单一立堵截流方式其截流难度是适中的。即本发明通过在预进占阶段之后抛投材料形成的堆积体降低了立堵截流难度。
[0072]
在对某个大江截流工程的试验中，采用单戗双向立堵截流方式，预进占龙口宽度60m、底宽12m。由于导流洞分流效果不理想，河道流量639m3/s时，合龙落差9.41m，龙口最大流速超过8.50m/s，龙口最大水深大于8.0m，属于超高难度截流工程。
[0073]
通过截流模型试验研究发现，当采用单一立堵截流进占方式时，在合龙困难阶段，抛投当量直径1.2m的特大石头或单个棱长4m、重量18吨的四面体均无法稳定，只有在戗堤上挑角45度方向进占，抛投石料以12吨～16吨合金网兜为主，才能艰难地实现截流合龙。由于流速高、戗堤渗透量大，龙口高速水流和渗透水流共同作用导致抛投石料流失严重，试验过程中戗堤坍塌现象频繁发生，影响截流进占安全。
[0074]
当采用本发明提供的截流方法对该工程进行截流时，以预进占戗堤堤头为起点，用粒径0.5m～0.8m的中石抛投进占，中石受水流力的驱动随着水流向下游迁移，当水流流速小于中石的止动流速时，中石停止运动。依此，中石不断地迁移、止动，逐渐堆叠、平铺，进而形成平铺护底堆积体。随着堆积体的不断加厚，龙口落差也逐渐减小，此时水流流速有明显的衰减，抛投的中石料也逐渐能稳定在龙口附近而不会被大量冲走了。当达到龙口落差不超过2m、戗堤轴线流速小于5m/s、水深不超过3m的适中截流难度时，平铺护底堆积体的最大长度为40m、宽度20m、厚度5m。以平铺护底堆积体为基础面进行立堵进占合龙施工，由于平铺护底改善了截流龙口水力条件，降低了截流难度，因此用0.8m～1.2m的大石为主要抛投石料即可实现截流合龙。
[0075]
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0076]
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本技术所附权利要求所限定的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。