工程明渠截流設計管理論文

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1三期明渠截流設計方案

根據2001年6月18日中國長江三峽工程開發總公司總經理辦公會議紀要的要求，選擇提前截流設計流量為10000m3/s左右。長江委通過對120余年實測水文資料分析，選擇11月下半月截流，截流流量標準為10300m3/s，并在隨后的招標設計中重點對此流量下的雙戧雙向進占立堵截流方案進行設計。通過綜合各方面因素，提出了左岸上、下游設置截流基地的截流方案（簡稱基地方案），具體為：于砼縱向圍堰上、下游端設置截流基地，創造兩岸進占條件；上、下游截流戧堤龍口段設置墊底加糙攔石坎，上游戧堤加糙攔石坎順水流向寬36m，沿戧堤軸線長120m，攔石坎頂部高程54m(坎高4m)；下游戧堤加糙攔石坎順水流向寬36m，沿戧堤軸線長90m，攔石坎頂部高程48m(坎高3m)；上游戧堤承擔2/3落差，下游戧堤承提1/3落差。

根據招標設計，上游圍堰截流戧堤束窄口門寬度220m前，設計長江來流量14800m3/s，遇防沖流量21900m3/s；束窄口門寬度至150m階段，設計長江來流量12200m3/s，防沖流量19400m3/s；150m龍口至合龍，設計截流流量10300m3/s時。

2明渠截流期雨洪特征

長江流域降水量的地區分布很不均勻，總體趨勢是由東南向西北遞減，山區多于平原，迎風坡多于背風坡，中下游平均降水量較上游豐富。

上游地區具有高原、盆地、河谷等復雜地形，降水的時空分布也存在很大差異。長江河源的楚瑪爾河站年平均降水量僅253mm，是全流域年降水量最小的地區，而金山站年降水量高達2590mm，為全流域之冠。上游大部分地區年降水量在800～1400mm，年降水量超過2000mm的多雨區有兩個，一個位于四川盆地向高原的過渡地帶，另一個位于大巴山南側萬源和巫溪。在青藏高原一帶，年降水量低于800mm，江源地區甚至不足400mm。

冬季降水量全年最少。上游地區最早3、4月即可進入雨季；6~9月為全年最雨最多時段，其中9月雨帶旋回至長江中上游時，多雨區從川西移到川東至漢江，在雅礱江下游、渠江、烏江東部、三峽區間及漢江上游雨量比8月多，顯示出秋雨現象，有的年份，這種強度不大而歷時較長的秋雨還很明顯，易形成秋季洪水。10月，隨著夏季風的南撤，雨量已明顯減少，50mm以上月雨量10月分布在金沙江下游至宜昌區間；11月50mm以上雨區范圍迅速縮小至烏江流域，此時金沙江以上不足10mm；12月至次年2月雨量為全年最少，除烏江流域12月達25mm，長江上游月降水均小于25mm，金沙江以上幾乎無降水。

長江上游的暴雨主要出現在青藏高原以東的盆地及其周邊約60萬km2的地區，按日雨量≥50mm為暴雨統計，年平均暴雨日數在5天以上的多暴雨區有2處，即川西暴雨區和大巴山暴雨區。暴雨最早出現在3、4月，大部分地區在9月下旬結束，僅烏江、三峽區間、嘉陵江上游結束于10月下旬，個別年份可至11月上旬結束。如1955年11月洪水主要發生在烏江和金沙江，宜昌站11月中旬實測最大日平均流量達24200m3/s；1996年11洪水主要發生在烏江和三峽區間，11月上旬宜昌實測最大流量26600m3/s，1944年10~11月洪水則主要發生在嘉陵江和金沙江，宜昌站11月上旬實測最大流量達26500m3/s，10月下旬宜昌日平均流量在20000～30000m3/s間持續8天。

據1877~2000年124年實測流量資料分析，截流期的11月多年平均流量10300m3/s。11月上旬歷年最大日平均流量排前兩位的分別為1996年的26600m3/s和1944年的26500m3/s，日最大流量超過20000m3/s的共有10年；超過15000m3/s的49年。11月中旬，歷年最大日平均流量排第一位的為1908年的30600m3/s，其次為1955年的24200m3/s，超過15000m3/s的達18年。11月下旬，實測最大日平均流量為1961年的17500m3/s，系列中日最大流量超過10000m3/s的達32年。

3明渠截流施工期設計洪水分析

就一般洪水特性而言，長江上游汛期為5~10月，但其中7、8、9月三個月出現年最大流量機會較多，其量級也比6月和10月的洪峰流量大。因此在施工設計洪水分析中，將7、8、9月劃為汛期，應用全年最大洪水資料系列計算的壩址設計洪水作為施工洪水；而將6、10月列入非汛期，這樣處理更符合汛期水情特點，也有利于施工進度安排。

非汛期1月至6月和10月至12月，施工設計洪水計算，均采用分月最大選樣。枯水段10~5月、11~4月和12~3月，分別在各分段內選取最大流量系列作頻率計算。根據三期截流及圍堰施工需要，將系列延長至2001年后計算的非汛期施工設計洪水成果見表1

表1宜昌站枯水期設計最大日均流量延長系列復核成果表

（1877~2001年）流量：m3/s

月份

1月

2月

3月

4月

5月

6月

10月

11月

12月

10~5月

11~4月

12~3月

參數

均值

4960

4410

5730

10600

18700

31500

27600

15100

7650

28600

15400

7860

Cv

0.15

0.18

0.28

0.28

0.3

0.26

0.27

0.27

0.18

0.26

0.26

0.18

Cs/Cv

6

7

4

3

6

3.5

2

5

5

2

5

5

設計頻率

%

1

7190

6940

10700

19300

38300

55800

47700

28300

11700

48600

28300

12000

2

6840

6510

9910

17900

34800

52000

45000

26100

11100

45800

26100

11400

5

6350

5930

8770

16100

29700

46600

40800

23000

10200

41800

23100

10500

10

5950

5470

7910

14500

26200

42500

37300

20600

9490

38300

20800

9750

20

5560

4990

6930

12900

22300

37800

33400

18000

8710

34600

18300

8950

為進一步分析明渠截流施工期水文條件，重點補充分析了10、11、12月分旬、分月和11月上半月、下半月、12月上半月不同頻率的設計洪水，資料系列延長至1877～2001年，設計成果如表2和表3。新增系列中，1996年11月宜昌站曾發生較大洪水，最大日平均流量26600m3/s，自1877～2001年共125年系列中排第3位。

表211月上半月和下半月最大日均流量設計成果

流量：m3/s

時段

均值

Cv

Cs/Cv

2%

5%

10%

20%

50%

80%

90%

11月上半月

15000

0.28

5

26400

23100

20600

18000

14100

11500

10600

11月下半月

10700

0.36

6

22100

18400

15700

12900

9400

7800

7400

表3宜昌站10月、11月設計流量成果表

（系列1877-2001年）

月

項目

分期

均值

Cv

Cs/Cv

1%

2%

5%

10%

20%

50%

75%

80%

10

月

平均

月

19200

0.22

2.0

30400

28800

26600

24800

22600

18900

16200

15600

上旬

22600

0.26

2.0

38500

36200

33100

30400

27300

22100

18400

17600

中旬

19400

0.24

3.0

32600

30600

27900

25600

23100

18800

16000

15400

下旬

16000

0.24

3.0

26900

25300

23000

21100

19000

15500

13200

12700

最大

月

27600

0.28

2.0

48700

45700

41400

37900

33800

26900

22100

21000

上旬

26800

0.30

2.0

49000

45800

41200

37500

33200

26000

21000

19900

中旬

22900

0.29

2.0

41100

38500

34800

31700

28200

22300

18100

17200

下旬

18700

0.26

2.0

31800

30000

27300

25100

22600

18300

15200

14500

11

月

平均

月

10300

0.18

4.0

15600

14800

13700

12800

11800

10100

8960

8710

上旬

12600

0.22

3.5

20600

19400

17700

16300

14800

12200

10600

10200

中旬

10400

0.23

8.0

18800

17200

15100

13500

11900

9710

8670

8500

下旬

8230

0.18

8.0

13100

12300

11100

10200

9270

7890

7140

7000

最大

月

15100

0.28

5.0

28900

26500

23300

20800

18100

14100

12000

11600

上旬

14600

0.26

5.5

27100

24900

22000

19700

17300

13700

11800

11400

中旬

12100

0.31

6.5

25700

23000

19600

17000

14400

10900

9430

9190

下旬

9340

0.24

7.0

17000

15600

13800

12300

10800

8750

7710

7520

4明渠截流設計流量

截流設計流量應根據河流水文特性及施工條件等多方面因素選擇，一般可選用截流期5~10年一遇的月或旬平均流量。對于截流時段選在汛后退水期或穩定枯水期時，截流流量重現期可取短一些。對于大型工程的截流設計，多以選取一種流量為主，再考慮較大、較小流量出現的可能性，采用幾種流量進行截流水力學計算和模型試驗研究。

三峽三期明渠截流具有流量大、落差高、影響因素眾多、施工條件復雜等顯著特點，截流流量標準選擇過高，將大幅度加大截流難度、增加截流工程投資，且存在諸多難以克服的技術難題，截流技術措施難以落實。根據明渠截流時左岸大壩導流底孔分流特點及各級流量截流終落差1:80水工模型試驗成果，當截流流量為14000m3/s時，截流（閉氣后）終落差將達8.11m，對于此類大流量、高落差、高能量的截流工程，實施難度極大。

根據長江實測洪水資料進行分析，著重考慮截流技術措施的可行性，并結合多年來三峽研究和設計情況，選擇戧堤非龍口段進占從11月初開始，采用11月上旬多年旬平均流量14800m3/s，戧堤頂高程及裹頭防沖采用當旬5%最大日平均流量21900m3/s；明渠截流龍口合龍時段在《提前截流專題研究》中確定為11月中旬或下旬，截流流量分別為11月中旬多年平均最大日流量12200m3/s和11月月平均流量10300m3/s。2001年6月18日中國長江三峽工程開發總公司總經理辦公會議要求，三峽三期明渠截流既選擇提前，又需考慮截流施工難度，建議選擇截流流量為10000m3/s左右；此精神指導下，研究決定三峽三期明渠截流龍口合龍時間定為11月下半月，設計截流流量為11月月平均流量10300m3/s，該流量約相當于11月下旬20%最大日平均流量。實際施工過程中，可根據當10月和11月長江退水情況和上游來水情況，適當提前實施。

已確定的設計截流流量與本研究中分析的截流期旬月設計流量比較如表4。本次分析的截流期特征流量與所選擇的截流流量標準基本一致，而且11月下半月龍口合龍設計流量10300m3/s與11月月平均流量10300m3/s、11月下旬10%平均流量10200m3/s吻合。

表4已選截流流量標準與截流期施工設計流量比較

流量：m3/s

11月上旬

11月上旬

11月中旬

11月下旬

多年平均日最大

5%最大

多年旬平均

20%最大

招標設計采用

14800

21900

12200

10300

本次分析

14600

22000

12100

10800

5截流期11月各旬不同量級流量統計

截流期的11月，雖然沒有大洪水發生，但受大江大河退水緩慢和上游秋汛影響，11月流量仍較大，多年平均流量10300m3/s。據1877至2001年實測資料統計，11月上旬最大日平均流量超過20000m3/s的10年；超過15000m3/s的52年，占系列長度的41.6%。11月中旬，最大日平均流量為30600m3/s，超過15000m3/s的達21年，占系列總長的16.8%，超過12500m3/s的共43年；11月下旬，實測最大流量17500m3/s，超過12500m3/s的也有10年，超過10000m3/s的達32年。

結合截流施工安排的可能性，根據1877～2000年實測流量資料，分別統計11月各旬出現連續5天、4天和3天小于或等于12200m3/s、10300m3/s的發生頻率，統計成果如表5。

表5中統計情況看，11月中旬出現連續5天小于10300m3/s的概率為64.5%，但連續4天小于該流量的概率上升到74.2%；11月下旬出現連續5天小于10300m3/s的概率達94.4%。說明11月中旬按設計截流量10300m3/s截流，其流量經驗保障率可達65%~74%左右，而在下旬按此設計流量截流經驗保障率可達94%以上，11月截流水文風險率較低。

表5宜昌站1877~2000年11月份實測日平均流量統計表

時間

項目

連續期

11月

上旬

中旬

下旬

下半月

日平均流量

≤12200m3/s

連續5天以上年數

61

109

122

123

所占百分比(%)

49.2

87.9

98.4

99.2

連續4天以上年數

72

110

123

124

所占百分比(%)

58.1

88.7

99.2

100

連續3天以上年數

82

114

124

124

所占百分比(%)

66.1

91.9

100

100

日平均流量

≤10300m3/s

連續5天以上年數

27

80

117

117

所占百分比(%)

21.8

64.5

94.4

94.4

連續4天以上年數

32

92

117

117

所占百分比(%)

25.8

74.2

94.4

94.4

連續3天以上年數

42

95

119

119

所占百分比(%)

33.9

76.6

96

96.0

6結語

三峽明渠截流水文條件及特性主要是在截流前根據設計條件所分析，目的是為了更好地指導明渠截流施工。2002年9月以后，上游來水普遍偏枯，為三峽工程明渠提前截流創造了有利條件。

2002年9月15日，三峽工程導流底孔開閘放水調試，至9月19日全部22個導流底孔全部開閘分流，當日壩址來流量11100m3/s，導流底孔分流比24.32%，高于原設計的分流能力，也為三峽明渠截流進一步提前增強了信心。

2002年10月中旬，明渠截流開始預進占，2002年10月16日9時，上龍口戧堤口門水面寬率先達到294.9m，表明明渠截流進入到非龍口段；2002年10月27日14時，上龍口戧堤口門水面寬又達到149.7m，標志著明渠截流進入到龍口段。2002年11月6日9時48分，三峽三期明渠截流合龍成功。在截流最緊張時期間，盡管上游的來流量一度上漲，最大達到11600m3/s，但仍在分析的水文條件范圍內。進入11月份后，流量一直維持在10000m3/s以下，截流水文條件較為理想。

三峽明渠截流期合符實際的水文條件及特性分析成果，是三峽工程提前截流決策的依據之一。基于固定的設計截流流量和截流期水文氣象條件，為截流施工早作準備和安排，當上游來流量符合截流水文條件時，即可實施提前截流，為2003年6月蓄水贏得工期。2002年三峽工程明渠提前截流成功充分證實了這一點。