第五节 截流工程
在施工导流中，只有截断原河床水流，才能把河水引向导流泄水建筑物下泄，在河床中全面开展主体建筑物的施工，这就是截流。截流戗堤一般与围堰相结合，因此截流实际上是在河床中修筑横向围堰工作的一部分（图1-38）。在大江大河中截流是一项难度较大的工作。
一般说来，截流施工的过程为：先在河床的一侧或两侧向河床中填筑截流戗堤，这种向水中筑堤的工作叫做进占。戗堤将河床束窄到一定程度，就形成了流速较大的龙口。封堵龙口的工作称为合龙。在合龙开始以前，如果龙口河床或戗堤端部容易被冲毁，则须采取防冲措施加固龙口，如对龙口河床进行护底、对戗堤端部作裹头处理等。合龙以后，龙口部位的戗堤虽已高出水面，但其本身依然漏水，因此须在其迎水面设置防渗设施。在戗堤全线上设置防渗体的工作叫闭气。所以，整个截流过程包括戗堤的进占、龙口范围的加固、合龙和闭气等工作。截流以后，再对戗堤进行加高培厚，直至达到围堰设计要求。
截流在施工导流中占有重要的地位，如果截流不能按时完成，就会延误整个河床部分建筑物的开工日期；如果截流失败，失去了以水文年计算的良好截流时机，则可能拖延工期达一年，在通航河流上甚至严重影响航运。所以在施工导流中，常把截流看作一个关键性问题，它是影响施工进度的一个控制项目。
图1-38 截流布置示意图
（a）采用分段围堰底孔导流时的布置；（b）采用全段围堰隧洞导流时的布置
1—大坝基坑；2—上游围堰；3—下游围堰；4—戗堤；5—底孔；6—已浇混凝土坝体；7—二期纵向围堰；8—一期围堰的残留部分；9—龙口；10—导流隧洞进口；11—导流隧洞出口
截流之所以被重视，还因为截流本身无论在技术上和施工组织上都具有相当的艰巨性和复杂性。为了成功截流，首先，必须充分掌握河流的水文特性和河床的地形、地质条件，掌握在截流过程中水流的变化规律及其对截流的影响。同时，为了在非常狭小的工作面上以相当大的施工强度在较短的时间内进行截流的各项工作，必须严密组织施工。对于大型或重要的截流工程，事先必须进行周密的设计和水工模型试验，对截流工作作出充分的论证。此外，在截流开始之前，还应切实做好器材、设备、道路和组织上的充分准备。长江葛洲坝工程于1981年1月仅用35.6h，在4720m3/s流量下胜利截流，为在大江大河上进行截流积累了宝贵的经验。1997年11月三峡工程大江截流和2002年11月三峡工程三期导流明渠截流的成功，标志着我国截流工程的实践已经处于世界先进水平。
一、截流的基本方法
河道截流有立堵法、平堵法、立平堵法、平立堵法、下闸截流以及定向爆破截流等多种方法，但基本方法为立堵法和平堵法两种。
1.立堵法截流（图1-39）
图1-39 立堵法截流
（a）双向进占；（b）单向进占
1—截流戗堤；2—龙口
立堵法截流是将截流材料，从龙口一端向另一端或从两端向中间抛投进占，逐渐束窄龙口，直至全部拦断。截流材料通常用自卸汽车在进占戗堤的端部直接卸料入水，或先在堤头卸料，再用推土机推入水中。
立堵法截流不需要在龙口架设浮桥或栈桥，准备工作比较简单，费用较低。但截流时龙口的单宽流量较大，出现的最大流速较高，而且流速分布很不均匀，需用单个重量较大的截流材料。截流时工作前线狭窄，抛投强度受到限制，施工进度受到影响。根据国内外截流工程的实践和理论研究，立堵法截流一般适用于大流量、岩基或覆盖层较薄的岩基河床。对于软基河床只要护底措施得当，采用立堵法截流也同样有效。如宁夏青铜峡工程截流时，河床覆盖层厚达8～12m，采用护底措施后，最大流速虽达5.52m/s，未遇特殊困难而取得立堵截流的成功。立堵法截流是我国的一种传统方法，在大、中型截流工程中，一般都采用立堵法截流，如著名的三峡工程大江截流和三峡工程三期导流明渠截流；美国自20世纪50年代以来的15个大、中型截流工程中有8个用立堵法截流；苏联自20世纪50年代以来的45个大、中型截流工程中有34个用立堵法截流。由此可见，立堵法截流在国内外得到了广泛的应用，成为截流的主要方法。
立堵法截流又可以进一步分为单戗截流（一般是指戗堤顶宽小于30m的窄戗堤）、双戗截流和宽戗截流。采用哪种截流方式，须根据工程的具体情况而定。
【例1-2】 三峡工程导流明渠截流，具有流量大、截流水力学指标高，工期紧、单戗堤抛投强度大，分流条件较差、抛投料流失量大，截流戗堤进占与通航协调等特点，采用了双戗立堵截流方式，上游双向进占，下游单向右岸进占，上下游戗堤各承担2/3和1/3落差，设计截流合龙时段2002年11月下半月，设计流量10300m3/s，相应总落差4.11m，计算最大平均流速5～6m/s。上下游截流龙口宽分别为150m、125m，上下游截流戗堤填筑量分别为42.17万m3、46.88万m3。上下游龙口部位均设置垫底加糙拦石坎。2002年10月31日8：00，上下游戗堤分别从龙口宽144 m、100 m同时开始高强度、不间断进占施工，上下戗堤统一协调进占，至11月5日形成上游20 m、下游18 m的小龙口。采用特大块石、混凝土四面体等进行了堤头防护。11月6日9：10，上下游戗堤三个堤头及跟进堰体同时启动，上游戗堤在38 min内安全合龙，下游戗堤亦在随后7 min内合龙。龙口段进占过程中，大块石、混凝土四面体、钢筋石笼等特种抛投材料用于最困难段，形成上挑角，有效减少了堤头坍塌及抛投材料的流失。龙口段上戗堤堤头坍塌仅7次（左堤头6次，右堤头仅1次），下戗堤12次（大型坍塌7次），远低于大江截流中大型坍塌达40多次的情况。实测流量10300～8600m3/s，龙口最大流速6.00m/s（上戗）、5.13m/s（下戗），最大落差1.73m（上戗）、1.12m（下戗），截流最终落差2.50m，单堤头最大小时抛投强度3000m3/h，最大日抛投强度48000m3/d，最大堤头卸车密度2.03车/min，三个堤头合计最大小时抛投强度6100m3/h，最大日抛投强度94000m3/d。上戗堤实际填筑量40.00万m3，下戗堤45.60万m3。
【例1-3】 金安桥工程截流（2005年12月16日14：45—18日11：38），具有落差大、流速高，场地交通条件和分流条件差等特点，采用了宽戗截流方式，实测流量829m3/s，龙口最大流速7.15m/s，最大落差4.72m，平均单宽流量50.06m3/（s·m），平均单宽功率180.92（t·m）/（s·m），最大小时抛投强度1785m3/h，最大日抛投强度37595m3/d，共历时45h。抛投材料总量38952m3（不含戗堤加宽、加高至设计宽度及高程的填筑量20018m3），其中小石10711m3（0.2～0.4m），约占27.5%，中石15413m3（0.4～0.8m），约占39.5%，大块石12828m3 （0.8m以上），约占32.9%，钢筋石笼779个（每个2m3），四面体155个（20t）。
2.平堵法截流（图1-40）
平堵法截流事先要在龙口架设浮桥或栈桥，用自卸汽车沿龙口全线从浮桥或栈桥上均匀、逐层抛填截流材料，直至戗堤高出水面为止。因此，平堵法截流时，龙口的单宽流量较小，出现的最大流速较低，且流速分布比较均匀，截流材料单个重量也较小，截流时工作前线长，抛投强度较大，施工进度较快。平堵法截流通常适用在软基河床上。
图1-40 平堵法截流
（a）立面图；（b）横断面图
1—截流戗堤；2—龙口；3—覆盖层；4—浮桥；5—截流体
由于上述一些优点，在流量大的河流上，如苏联伏尔加河一些水利枢纽，都采用了浮桥平堵法；罗马尼亚—南斯拉夫的铁门水电站采用了钢桥平堵法；中国辽宁大伙房水库采用了木栈桥平堵法等。但一般说来，平堵法由于需架栈桥或浮桥，在通航河道上会碍航，而且技术复杂、费用较高。因此，我国大型工程中除大伙房、二滩等少数工程外，都采用立堵截流。
在海滩围垦的工程实践中，由于工作面长，基地条件差，石料匮乏，砂源充足等原因，冲填砂筑堤的方式类似于一般水利水电工程截流中的平抛，水力学指标优越，龙口合龙多采用土工布袋充砂平堵进行合龙。
【例1-4】 某围滩吹填工程龙口合龙的施工方法。
某围滩吹填工程围堤为3级建筑物，相应临时建筑物为5级，龙口设计采用合龙期分月10%频率潮水位过程线，安全超高1.0m。
龙口采用土工布袋充砂平堵进行合龙，围堤合龙龙口底部宽度为65m，龙口合龙时间选择在3月。龙口工程设计主要包括龙口裹头、龙口护底、袋装砂龙口合龙棱体三部分。
裹头保护范围为围堤堤头及堤头两侧沿围堤轴线10m长范围内的围堤坡面。围堤堤头坡面边坡采用1∶3.0，以增加防冲抗老化编织布上压重的稳定性。
龙口部位为易冲刷土层，为减少龙口进占及合龙期间覆盖层冲刷，降低合龙过程中龙口处水深及合龙难度，外堤进占之前需在龙口处采取护底保护措施，护底顶部高程为0.6m，护底顶部平面尺寸120m×73.8m，即顺围堤轴线方向120m，垂直围堤轴线方向73.8m，围堤堤基处理完毕后，在保护范围内铺0.5m厚砂被，形成后期堤基渗透固结水平通道，然后利用袋装砂将龙口底部垫高至0.6m高程。为减少护底结构端部冲刷，护底施工后围堤前沿水下抛石固脚一并施工。
袋装砂合龙棱体迎、背水侧边坡分别为1∶2.5和1∶2.0，棱体顶高程按设计潮水过程线最高潮位加1.0m设计，确定袋装砂合龙棱体顶高程3.68m，顶部宽度12.30m。棱体及垫底袋装砂每层充填厚度按0.5 m考虑。
截流设计首先应根据施工条件，充分研究各种方法对截流工作的影响，通过试验研究和分析比较来选定。有的工程亦有先用立堵法进占，而后在小范围龙口内用平堵法截流（立平堵法）。严格说来平堵法都先以立堵法进占开始，而后平堵，类似立平堵法，不过立平堵法的龙口较窄。
二、截流日期及截流流量
截流年份应结合施工进度的安排来确定。
截流年份内截流时段的选择，既要把握截流时机，选择在枯水流量、风险较小的时段进行；又要为后续的基坑工作和主体建筑物施工留有余地，不致影响整个工程的施工进度。在确定截流时段时，应考虑以下要求。
（1）截流以后，需要继续加高围堰，完成排水、清基、基础处理等大量基坑工作，并应把围堰或永久建筑物在汛期前抢修到一定高程以上。为了保证这些工作的完成，截流时段应尽量提前。
（2）在通航的河流上进行截流，截流时段最好选择在对航运影响较小的时段内。因为截流过程中，航运必须停止，即使船闸已经修好，但因截流时水位变化较大，亦须停航。
（3）在北方有冰凌的河流上，截流不应在流冰期进行。因为冰凌很容易堵塞河道或分流泄水建筑物，壅高上游水位，给截流带来极大困难。
（4）综合考虑导流和截流的相互关系及其工程建设的经济性。
此外，在截流开始前，应修好导流泄水建筑物，并做好过水准备。如清除影响泄水建筑物运用的围堰或其他设施，开挖引水渠，完成截流所需的一切材料、设备、交通道路的准备等。
综上所述，截流时段一般多选在枯水期初，流量已有明显下降的时候，而不一定选在流量最小的时段。在截流设计时，根据历史水文资料确定的枯水期和截流流量与截流时的实际水文条件往往有一定出入。因此，在实际施工中，还须根据当时的水文气象预报及实际水情分析进行修正，最后确定截流日期。
龙口合龙所需的时间往往很短，一般从数小时到几天。为了估计在此时段内可能发生的水情，做好截流的准备，须选择合理的截流设计标准及其流量。一般可按工程的重要程度，设计时选用截流时期内重现期5～10年的旬或月平均流量。如三峡工程大江截流和明渠截流的设计标准是P=5%。龙滩工程的截流标准是P=20%，黄河小峡水电站的截流标准是P=10%。对于上游有水库控制的情况，合龙设计流量可取上游电站的控泄流量与区间5～10年一遇的旬平均流量之和。经过几十年的开发建设，我国主要河流上的水电梯级开发格局已基本形成。在枯水期，原天然设计流量已基本失去意义。以黄河公伯峡水电站为例，由于上游有龙羊峡和李家峡水库调节，2003年3月中旬截流期间的流量按下列要求控制：初期进占流量取360m3/s（李家峡一台机发电），合龙流量取10m3/s（李家峡水电站关机，仅考虑少量的河槽渗流量）。戗堤闭气后的挡水流量取720m3/s。在梯级河流上截流，应综合分析水文、施工、水库调度运行、发电、通航、防凌等因素后确定截流设计流量。
如水文资料不足，可用短期的水文观测资料或根据条件类似的工程来选择截流设计流量。无论用什么方法确定截流设计流量，都必须根据当时实际情况和水文气象预报加以修正，按修正后的流量进行各项截流的准备工作，作为指导截流施工的依据。
三、龙口位置和宽度
龙口位置的选择，与截流工作顺利与否有密切关系。选择龙口位置时要考虑下述技术要求。
（1）一般说来，龙口应设置在河床主流部位，方向力求与主流顺直，使截流前河水能较顺畅地经由龙口下泄。但有时也可以将龙口设置在河滩上，此时，为了使截流时的水流平顺，应在龙口上、下游顺河流流势，按流量大小开挖引河。龙口设在河滩上时，一些准备工作就不必在深水中进行，这对确保施工进度和施工质量均较为有利。
（2）龙口应选择在耐冲河床上，以免截流时因流速增大，而引起河床过分冲刷。如果条件不允许，也可设在覆盖层上，但应研究河床防冲护底的必要性。
（3）龙口附近应有较宽阔的场地，以便布置截流运输道路和制作、堆放截流材料。
原则上龙口宽度应尽可能窄些，这样可以减少合龙工程量，缩短截流延续时间，但以不引起龙口及其下游河床的冲刷为限。为了提高龙口的抗冲能力，保证戗堤安全，必要时须对龙口加以保护。龙口的保护包括护底和裹头。护底一般采用抛石、沉排、竹笼、柴石枕等。裹头就是用石块、钢筋石笼、黏土麻袋或草包、竹笼、柴石枕等把戗堤的端部保护起来，以防被水流冲塌。裹头多用于平堵戗堤两端或立堵进占端对面的戗堤。龙口宽度及其防护措施，可根据相应的流量及龙口的抗冲流速来确定。在通航河道上，当截流准备期通航设施尚未投入运用时，船只仍需在截流前由龙口通过。这时龙口宽度便不能太窄，流速也不能太大，以免影响航运。如葛洲坝工程的龙口，由于考虑通航流速不能大于3.0m/s，所以龙口宽度达220m；三峡大江截流工程的龙口，为了满足川江航道船舶（队）自航和解队的通航水力条件（如长航船队自航水面流速要求小于4.5m/s，相应水面比降小于1‰，或水面流速要求小于4.0m/s，相应水面比降小于3‰），1997年汛末，大江预留口门宽达460.0m，下游口门宽480.0m。
四、截流水力计算
截流水力计算的目的是确定龙口水力参数的变化规律，主要解决两个问题：①确定截流过程中龙口各水力参数，如单宽流量q、落差z及流速v等的变化规律；②由此确定截流材料的类型、尺寸（或重量）及相应的数量等。这样，在截流前，就可以有计划、有目的地准备各种尺寸或重量的截流材料及其数量，规划截流现场的场地布置，选择起重、运输设备；在截流时，能预先估计不同龙口宽度的截流参数，何时何处应抛投何种尺寸或重量的截流材料及其工程量等。
在截流过程中，上游来流量，也就是截流设计流量，分别经由龙口、分流建筑物及戗堤的渗漏通道下泄，并有一部分拦蓄在水库中。截流过程中，一般库容不大，拦蓄在水库中的水量可以忽略不计。对于立堵法截流，当渗漏不严重时，也可忽略经由戗堤渗漏的流量。这样截流时的水量平衡方程为
式中：Q0为截流设计流量，m3/s；Q1为分流建筑物的泄流量，m3/s；Q2为龙口泄流量，可按宽顶堰计算，m3/s。
随着截流戗堤的进占，龙口逐渐被束窄，因此经分流建筑物和龙口的泄流量是变化的，但二者之和恒等于截流设计流量。其变化规律是：截流开始时，大部分截流设计流量经由龙口下泄，随着截流戗堤的进占，龙口断面不断缩小，上游水位不断上升，经由龙口的泄流量越来越小，而经由分流建筑物的泄流量则越来越大。龙口合龙闭气后，截流设计流量全部经由分流建筑物下泄。
截流水力计算可采用图解法和电算法。
采用图解法时，先绘制上游水位Hu与分流建筑物泄流量的关系曲线和上游水位与不同龙口宽度B的泄流量曲线簇（图1-41）。在绘制曲线时，下游水位视为常量，可根据截流设计流量在下游水位流量关系曲线上查得。这样，在同一上游水位情况下，当分流建筑物泄流量与某宽度龙口泄流量之和为Q0时，即可分别得到Q1和Q2。
图1-41 Q1与Q2图解法
图1-42 龙口水力参数变化特性
用电算法求解时，首先，计算上游水位与分流建筑物泄流量的关系和上游水位与不同龙口宽度B的泄流量关系；然后，假定一个上游水位，用插值算法分别求得Q1、Q2，如果满足Q0=Q1+Q2，则满足假定的上游水位；否则应重新假定上游水位，直到满足条件为止。
根据以上方法，可同时求得不同龙口宽度下的上游水位Hu和Q1、Q2值，由此再通过水力学计算即可求得截流过程中龙口诸水力参数，其变化特性如图1-42所示，图中，横轴为龙口宽度；q为龙口单宽流量，m3/（s·m）；B为龙口宽度，m；z为龙口上下游水位差，m；v为龙口流速，m/s；n为单宽功率，t·m/（s·m）。
五、截流材料和备料量
1.截流材料尺寸
合理选择截流材料的尺寸或重量，对于截流的成败和截流费用的节省具有重大意义。截流材料的尺寸或重量主要取决于龙口的流速。立堵截流时截流材料抵抗水流冲动的流速，可按下式估算：
式中：v为水流流速，m/s；K为综合稳定系数；g为重力加速度，m/s2；γ1为石块的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3；D为石块折算成球体的化引直径，m。
由上式，根据图1-41和图1-42某一龙口宽度的v值，再根据材料类型查阅相关资料确定K值，就可得出抛投体的化引直径D。
平堵截流水力计算的方法，与立堵法类似。
根据苏联依兹巴士对抛石平堵截流的研究，抛石平堵截流所形成的戗堤断面在开始阶段为等边三角形，此时使石块发生移动所需要的最小流速为
式中：K1为石块在石堆上的抗滑稳定系数，取K1=0.9。
龙口流速增加，石块发生移动之后，戗堤断面逐渐变成梯形，此时石块不致发生滚动的最大流速为
式中：K2为石块在石堆上的抗倾稳定系数，取K2=1.2。
应该指出，平堵、立堵截流的水力条件非常复杂，尤其是立堵截流，上述计算只能作为初步依据。对于大、中型及重要的水利水电工程，必须进行截流模型试验。但模型试验对抛投体的稳定也只能作出定性分析，还不能满足定量要求。故在试验的基础上，还必须考虑类似工程经验，作为修改截流设计的依据。
2.截流材料类型
截流材料类型的选择，主要取决于截流时可能发生的流速及开挖、起重、运输设备的能力，一般应尽可能就地取材。在黄河上，长期以来用梢料、麻袋、草包、石料、土料等作为堤防溃口的截流堵口材料。在南方，如四川都江堰，则常用卵石竹笼、砾石和杩槎等作为截流堵河分流的主要材料。国内外大江大河截流的实践证明，块石是截流的最基本材料。此外，当截流水力条件较差时，还可使用人工块体，如钢筋笼（或铅丝笼）、混凝土六面体、四面体、四脚体、钢筋混凝土构架（图1-43）以及合金网兜等。
3.备料量
为确保截流既安全顺利，又经济合理，正确计算截流材料的备料量是十分必要的。备料量通常按设计的戗堤体积再增加一定裕度。主要是考虑到堆存、运输中的损失，水流冲失，戗堤沉陷以及可能发生比设计更坏的水力条件而预留的备用量等。但实践中，常因估计不准致使截流材料备料量均超过实际用量，少则多余50%，多则达400%，尤其是人工块体大量多余，造成浪费。
图1-43 截流材料
（a）混凝土六面体；（b）混凝土四面体；（c）混凝土四脚体；（d）钢筋混凝土构架
造成截流材料备料量过大的原因主要是：①截流模型试验的推荐值本身就包含了一定安全裕度，截流设计提出的备料量又有增加，而施工单位在备料时往往在此基础上又留有余地；②水下地形不太准确，在计算戗堤体积时，常从安全角度考虑取偏大值；③设计截流流量通常大于实际出现的流量等。如此层层加码，处处考虑安全富裕，所以即使像青铜峡工程的实际截流流量大于设计流量，仍然出现备料量比实际用量多78.6%的情况。因此，如何正确估计截流材料的备用量，是一个很重要的课题。当然，备料恰如其分，不大可能，需留有余地。但对剩余材料，应预作筹划，安排好用处，特别是四面体等人工材料，大量弃置，既浪费又影响环境，可考虑用于护岸或其他河道整治工程。