龙口与截流技术现状分析

3.1.2.1 大江大河截流技术

水利水电工程中的河道截流研究历史较长，研究成果也较为丰富。人类在河道截流工程实践中总结经验和教训，在理论与实践上真正取得进展是从20世纪30年代开始的。1930年，伊兹巴什（Isbach）第一次在戈尔瓦河进行了截流模型试验，接着在菲克河、杜罗门河第一次成功地实施了人工抛石截流筑坝。1932—1936年，伊兹巴什在此基础上发展了流水中抛石筑堤的理论，提出了水流中抛石的稳定系数。1949年，他又对平堵截流提出了有指导意义的设计理论和计算方法。因此，20世纪40年代以前，国外几乎都是采用平堵法截流，抛投料也由普通的块石发展到使用20～30t重的混凝土四面体、六面体、异形体等。

1940年10月，苏联首次在舍克纳斯河的耳滨斯克5号坝址处采用立堵法截流，使用5条线皮带机运料抛投。由于重型施工机械的发展，立堵截流开始有了发展。1951年后，美国广泛采用了立堵法截流，并成功地采用了双戗堤法截流。同时截流理论方面的进展也很大，集中体现在伊兹巴什撰写的《截流水力学》专著上。

进入20世纪60年代，截流方法的发展很快，双戗堤截流、宽戗堤截流等的成功应用，已将截流最大落差提高到8.0m以上。70年代截流流量突破了8000m3／s。进入90年代以来，大江大河截流的理论与实际水平跃上了一个新高度，中国长江三峡工程大江截流打破了3项截流世界纪录，即截流流量突破10000m3／s，龙口水深突破60m，抛石强度突破194000m3／d，在世界截流史上写下了光辉的一页。

截流工程实践在我国已有千年的历史，在黄河防汛、海塘工程和灌溉工程上积累了丰富的经验，如利用捆厢帚、柴石枕、杩槎、排桩截流等，就地取材，因地制宜，经济实用。中华人民共和国成立后，我国水利建设发展很快，江淮平原和黄河流域的不少截流堵口、导流堰工程都是采用这些传统方法完成的。此外，我国还广泛采用了高强度机械化投块料截流的方法。我国在海河、射阳、新洋港等潮汐河口修建断流坝时，采用柴石枕护底，用捆厢帚进占合龙，在软基截流上采用平立堵结合的方法，取得了成功的经验。现在，在潮汐河口地区则广泛采用软体排护底，抛石或袋装砂水力充灌平堵截流。

1）国内外常用的截流方法

国内外水利水电工程大流量河道的截流方法，可归结为立堵和平堵两大类。河道截流基本方法为立堵推进法，较少采用平堵、定向爆破及下闸等方法，这也是历史上传统的施工经验在现代施工条件下的发展。这种方法的突出优点是施工简便，没有（或很少）水上作业，尤其在使用大型土石方施工设备（挖掘机、推土机、汽车等）日益普遍的形势下，立堵截流几乎已具有不可替代的地位。这种方法的缺点主要是龙口束窄过程中，水流落差加大，造成流速、单宽流量和能量迅速增加，对堤头及河床造成强烈冲刷。另外，在深水截流过程中，立堵进占可能造成堤头较大面积失稳坍塌现象，危及施工机械和人身的安全。这些缺点在具体的工程中可用平抛垫底和护底的方式解决。近年来，尽管我国有二滩等工程采用了架桥平堵的截流方法，但在大多数工程上没有进一步推广应用，主要是其准备工作量（栈桥、浮桥等）太大，在通航河道上尤其难以采用。葛洲坝工程截流可作为我国立堵进占方法的代表，它的主要技术指标如流量、龙口落差、流速、单宽能量、龙口抛投量及强度等在国内外工程实践中也是罕见的。该工程在设计过程中曾比较过浮桥平堵、栈桥平堵、单戗立堵和双戗立堵4个方案，最后选定了单戗立堵方案。

目前，国内外常用的截流方法有以下几种。

（1）戗堤截流法。包括立堵、平堵和平立堵结合。立堵有单戗（如丹江口、龙羊峡、漫湾、三峡大坝等工程），双戗（如白山、隔河岩、阿尔本尼、大约瑟夫工程、三峡导流明渠等工程），多戗（如伊泰普、卞博拉萨等工程）及宽戗（如达勒斯、奥阿希、葛洲坝等工程）；平堵有栈桥（如大伙房、铁门、布拉茨克等工程），浮桥（如占比雪夫、伏尔加格勒等工程）及缆运（如麦克纳尔工程）；平立堵结合则有如铁门、布拉茨克、达勒斯等工程。

（2）瞬时截流法。包括定向爆破（如碧口、比克奈特、努列克等工程）、浮运沉箱（如威尔斯戈特、劳威尔等工程）、下闸截流（如乌江渡、三门峡、鬼门河、郎斯等工程）及预制混凝土块体截流等方法。

（3）无戗堤截流法。指直接修建围堰的截流法，常见有钢板桩格仓（如骨塔基工程）、木笼围堰（如新安江工程）和水力冲填（如兰德尔堡、劳博萨雷等工程）等方法。

通过对国内外截流技术发展的研究，目前常用的几种截流方法都有不同的特点，建设项目应根据自身的自然条件和特点，选择不同的截流方法。

浮桥平堵是苏联20世纪40、50年代采用较多的一种截流方式，该方式适合在水头3m以下、流速4m／s以下的河道截流，而且架浮桥技术难度大，设备昂贵，且与通航发生干扰，目前已较少应用。

栈桥平堵施工较安全，技术把握性较大，可用于大流量（1000m3／s以上）、高落差（3.5m以上）的河道截流；但栈桥施工工期长，投资也大，且与通航发生干扰。

随着大容量、高效率挖装运输机械的普遍使用，在河道截流工程中一般首选单戗立堵方法，它施工快速简单、投资小、干扰少。对于截流最终落差3.5m左右、龙口最大流速7m／s左右的截流工程，只要采取可靠技术措施，配备足够的大型施工机械，单戗立堵仍然有把握顺利截流。

当落差（4m以上）和流速（8m／s以上）过大时，一般可重点研究双戗立堵截流方案。但我国工程实践表明，双戗堤截流技术复杂，第二道戗堤并不总能很理想地分担截流落差和能量，因此还应从另一角度研究加大导流建筑物分流能力的可能性，进行综合比较确定。

在将单戗立堵作为主要截流手段条件下，还应充分发挥河床中平抛、瞬间封堵等手段的辅助作用，尤其是预平抛石料的作用十分明显，它既可保护河床增加糙率，也可减少水深，提高戗堤进占稳定性，几乎是每个立堵截流工程都要采用的基本措施。漫湾水电站在最后合龙的困难时段，采用瞬时放倒铅丝笼塔堵口，大大减轻了截流难度；碧口水电站利用定向爆破截流，有条件的工程也可参考采用。

下闸截流方法在三门峡和乌江渡工程中曾成功采用，可克服7m以上的截流落差，但这种方法须具备建造截流闸的地形地质条件，一般难以成为普遍采用的截流方法。

2）目前的截流技术措施

（1）减小龙口流量、流速、落差以及改善流态等水力要素。减小龙口流量目前主要是采用导流明渠或隧洞等方法，创造良好的分流条件；增建截流闸；堤下埋管或用框架作抛料、增大戗堤透水性，加大渗流量等。(www.xing528.com)

减小龙口流速，目前采用宽戗堤增加龙口的沿程阻力，减缓龙口比降，如密苏里河奥瓦赫工程（截流最大流速8.8m／s）戗堤宽273.0m，增加龙口宽度进行平堵，可减小流速。伏尔加格勒电站龙口宽度为300m，我国葛洲坝截流龙口宽度为220m。沿海地区围垦工程在龙口外侧抛拦石坝，可降低潮水进出龙口的流速。

在减小落差方面，目前采用双戗堤和三戗堤截流方案以分散落差。

（2）增加基础抗冲能力。为保护软基河床或覆盖层免遭冲刷，一般采用护底。目前护底材料常用铅丝笼块石（宾格网）、合金网兜石、块石、混凝土软体排及柴石枕护底等。

（3）提高抛投料的抗滑稳定性。为增加河床抗滑稳定性，目前采用在龙口预抛各种块料加糙河床，形成拦石坝；设置钢管拦石栅或块石串等。

增加块体自重的方法有：采用重型混凝土块体，如葛洲坝工程用25t混凝土块；大单位重石料（如布拉茨克工程用3t／m3的辉绿岩块）；各种石笼（如葛洲坝工程用3t钢筋笼）；块串（如漫湾电站15t四面体或铅丝笼双串），甚至采用巨型混凝土沉箱。采用有利于稳定的异形体，如重心低的四面体等。采用高强抛投，用重型机械快速抛投，充分利用抛料的群体作用，迅速实现截流。

3.1.2.2 潮汐区圈围截流技术

在沿海修筑海堤围割部分海域的工程称为围海工程，主要目的是挡潮防浪、控制围区水位，满足农垦、制盐、蓄淡、养殖、海岸防护等要求。中国早在汉代已有小规模的围海，唐代与宋代时江苏、浙江沿海农业和盐业日益发达，围海规模逐渐扩大，出现了百里长堤。随着历史的发展，人类对海岸滩涂资源利用的需求逐渐增加，加速了围海事业的发展，发展速度较快的国家有荷兰、日本等，如荷兰的须德海围垦工程、三角洲计划、瓦典海计划；日本的有明围垦、谏早围垦、利根川堵口工程等。近30年来，我国沿海各省市围海数百万亩，围海工程技术也逐渐得到发展。

围海工程修建围堤时，通常在堤线上预留一个或几个口门，让潮水自由吞吐，称为龙口。待海堤填筑出水达到一定高度时，封堵这些龙口，称为堵口或截流，圈围大堤的截流是一个关键技术。潮汐区截流不同于大江大河截流，受潮汐的影响，龙口上方的水流是双向的，水流相对江河的截流更复杂，同时，潮汐携带的巨大能量也对龙口的保护提出了一定的要求。

20世纪50年代初期的围海堵口主要是继承传统方法，采用木桩、塘柴等材料，用立堵法堵口。这种方法一般只适用于高滩浅港，不适用较深的堵港工程。50年代中后期以来，广泛采用大块石作为堵口材料，但堵口失败的事例仍然很多。60年代开始，在总结经验的基础上，进行围海堵口问题理论上的分析研究，逐渐形成一套堵口截流方法。但随着围海工程的持续，围海的位置必然将向中、低滩发展，与以往中、高滩圈围相比，龙口截流水力条件将更加恶劣，对龙口保护以及截流的要求更高。

目前，潮汐区圈围常用的截流方法主要有抛石截流、水力填充截流以及两者相结合的方法。也有国家采用瞬时截流法，如荷兰采用浮运水闸式沉箱到龙口定位沉放的堵口方法，但这种方法定位沉放需较长的平潮时间，只能在潮差较小的海域中使用。

抛石截流主要用在龙口规模大、堵口过程中龙口水流流速大的工程。抛石截流法也包括平堵、立堵和平立堵结合3种方法。

（1）平堵是指从龙口底部逐层向上抬高堆石潜堤。初期龙口底槛较低，水流为淹没出流。在底槛升高过程中，流速逐步加大，至槛顶达某一高度，流态从淹没出流过渡到自由流时，流速达最大值，以后随着底槛高程上升，流速反而逐渐减小。平堵时水流分散，水力条件较好，不仅最大流速较小，而且只要上下游有足够的水垫和适当的保护，对基床的冲刷也不严重。平堵时逐层加高，对软基为逐步加荷间歇施工，有利于地基的固结和堤身的稳定。因此，在有条件时应尽量采用平堵法施工。我国目前平堵一般采用船舶抛投。

（2）立堵是指从龙口两侧或一侧堤头进占缩窄口门。立堵时由于口门逐步缩窄，龙口流速逐渐增大，立堵水流较集中，尤其当口门窄而深时水力条件恶化。根据我国沿海潮汐条件，堰顶最大流速可达7～8m／s。这时采用普通块石堵口已无济于事。这种流速很大的集中水流，对基床和堤头的冲刷力很大，要保护好基床和堤头不被冲刷也很困难。因此，在围海堵口中，一般不宜采用立堵法堵口。

（3）在围海堵口中，平堵和立堵往往是结合使用的。平堵时龙口水力条件和地基稳定条件较好，但立堵能发挥陆上施工力量的作用。恰当地采用平立堵相结合的方法，合理地拟定堵口程序，可以扬长避短，回避不利水力条件，而且有利于地基稳定和龙口防护，有利于发挥陆上和水上施工的作用。

围海工程中的水力填充截流方法是指以水力吹填管袋为主要材料的截流方式，通过对布置在龙口的充泥管袋充填来逐步抬升龙口底高程，最终实现截流闭气，如上海南汇东滩促淤圈围四期工程。这种方法主要依赖于充泥管袋的织布强度，对高速水流需要高强度的织布材料。因此，这种方法一般适用于龙口规模较小、截流过程中龙口流速较小的工程，特别适合高滩圈围。上海地区的圈围工程中有很多成功的经验，如上海化学工业园区圈围工程、崇明北沿圈围工程等。

遇到龙口规模较大的情况，可以采用抛石与水力充填相结合的方法来截流，一般先在龙口外侧抛石减缓水流流速，再在龙口采用水力充填方式进行截流闭气，如上海南汇东滩圈围造地工程。

与江河截流不同的是，潮汐区圈围工程的截流需要选择合适的时机实施截流，如在上海地区，通常选择枯季的小潮汛时期，此时潮差小，围内外水位落差小，龙口上流速较小。但是小潮汛时期持续时间只有三四天左右，这就要求龙口的截流闭气能够一气呵成，需要做很多截流前的准备工作，包括保留合适宽度和底高程的龙口状态、做好龙口护底工作等。

随着数值模拟技术的不断发展，数值模拟也越来越多地被应用到潮汐区圈围工程的截流工程中，数值模拟的结果可为截流过程中的龙口宽度和高程等的设置提供技术指导，成为辅助龙口成功截流闭气的一种重要技术手段。