施工过程水流控制与围堰安全9787030500809
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作者杨文俊，郭熙灵，周良景，胡志根
出版社科学出版社
ISBN9787030500809
出版时间2016-09
装帧精装
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定价258元
货号8932629
上书时间2024-12-20
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作者简介
杨文俊，1966年10月出生，湖北应城人。1992年获武汉水利电力学院（现武汉大学）水力学及河流动力学硕士穴位，2005年获清华大学水利工程博士学位。现任长江水利委员会长江科学院副总工程师，教授级不错工程师（专业技术二级），博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家，新世纪百千万人才工程人选，水利部“5151人才工程”首批部级人选，首届中国水利学会杰出青年奖及首届张光斗很好青年科技奖获得者，湖北省很好科技工作者。成果获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一（特）等奖6项，湖北省自然科学二等奖1项。曾到加拿大Regina大学做涝问学者。长期从事水工水力学（泄洪消能、导截流、施工期通航及鱼游通道恢复）、工程泥沙（泥沙环境、淤损库容恢复）及水流量测等研究。
目录
序一
序二
前言
第1章绪论1
1.1工程背景1
1.2研究现状及存在的问题3
1.2.1施工导流风险分析与决策研究3
1.2.2导流标准体系及存在的问题6
1.2.3减轻截流难度关键技术研究及存在的问题7
1.2.4深厚覆盖层上围堰安全研究现状及存在的问题10
第2章水利水电工程导流标准15
2.1导流阶段的合理划分16
2.1.1高坝大库水利水电工程施工导流的特点17
2.1.2导流阶段划分的概念及意义20
2.1.3导流阶段的合理划分27
2.2导流阶段划分及其工程应用39
2.2.1不同坝型导流阶段的划分39
2.2.2导流阶段与导流设计工况对应关系分析68
2.2.3导流阶段划分的工程应用77
2.2.4高拱坝中后期导流底孔的设置81
2.3导流泄水建筑物洪水标准研究88
2.3.1主要导流泄水建筑物特征及其应用88
2.3.2导流泄水建筑物导流标准的合理选取91
2.4坝体度汛标准研究102
2.4.1坝体度汛方式103
2.4.2影响度汛方案的因素103
2.4.3坝体度汛方案105
2.4.4坝体度汛标准的合理选取125
2.5小结140
2.5.1主要结论140
2.5.2规范制（修）订建议142
第3章梯级电站环境下施工导截流标准影响因素143
3.1梯级电站的施工导截流标准问题143
3.1.1国内梯级电站施工导截流工程实践143
3.1.2国外梯级电站的施工导截流工程实践144
3.1.3国内外梯级电站的施工导截流问题研究144
3.2梯级电站施工洪水特性及其导截流标准应用145
3.2.1梯级电站水库群类型及其特点145
3.2.2梯级电站水库施工洪水分析149
3.2.3梯级电站水库调蓄下的导截流标准实施现状154
3.3梯级电站运行的水库调蓄作用163
3.3.1上游电站水库调蓄作用下施工洪水流量的合理选取原则163
3.3.2梯级电站水库运行减小施工设计洪水166
3.4梯级电站运行对导截流的影响177
3.4.1上游水库调蓄对导截流影响177
3.4.2下游梯级水库回水对导截流的影响188
3.5梯级电站围堰溃决对导流标准选取影响分析197
3.5.1梯级电站围堰溃决影响分析197
3.5.2梯级电站围堰溃堰需进一步研究的问题201
3.6梯级电站水库调蓄对白鹤滩、乌东德电站导截流影响研究202
3.6.1梯级电站水库调蓄对白鹤滩电站导截流影响研究202
3.6.2上游水库调蓄对降低乌东德导流流量的作用分析210
3.7小结215
3.7.1结论215
3.7.2建议217
第4章截流水动力学过程与能量耗散规律218
4.1立堵截流进占规律218
4.1.1立堵截流戗堤进占扩展断面的形成219
4.1.2口门水力参数变化规律220
4.1.3舌形体形成与水力条件的关系221
4.2立堵截流龙口合龙水力参数224
4.2.1截流龙口水力参数的确定225
4.2.2立堵截流合龙期龙口水力计算227
4.2.3计算结果与实测验证232
4.2.4单戗立堵合龙期诸参数的变化规律233
4.3截流过程水能耗散机理及戗堤进占速度与抛投料流失关系235
4.3.1水流与抛投料的相互作用235
4.3.2截流龙口的水流能量235
4.3.3戗堤进占速度分析236
4.3.4抛投料流失分析238
4.4截流难度及其衡量指标242
4.4.1截流难度概念的探讨242
4.4.2截流难度影响因素分析244
4.4.3截流难度的衡量指标247
4.5小结249
第5章截流料抗冲稳定性研究251
5.1截流块体稳定机理及其计算公式251
5.1.1截流块体稳定计算基本关系式推导251
5.1.2截流块体稳定经典计算公式探讨253
5.1.3截流块体稳定实用计算基本关系式254
5.1.4平堵截流中基本关系式的应用254
5.1.5立堵截流中基本关系式的应用259
5.2特殊截流料抗滑稳定性264
5.2.1混凝土块体抗滑稳定试验264
5.2.2六面体钢筋笼稳定性试验270
5.2.3四面体钢筋笼稳定性试验281
5.2.4圆柱线体材料稳定性试验284
5.3宽级配群体抛投石渣混合料的稳定性288
5.3.1立堵截流抛投稳定性289
5.3.2平堵截流起动试验300
5.4覆盖层河床截流冲刷问题307
5.4.1河床覆盖层稳定影响因素分析307
5.4.2覆盖层起动流速计算309
5.4.3截流龙口覆盖层冲刷深度计算313
5.4.4覆盖层河床截流模型的模拟技术问题320
5.5降低截流难度的技术措施326
5.5.1从抛投材料角度提高抗滑止动能力326
5.5.2从抛投材料接触边界角度提高抗滑止动能力328
5.6小结329
第6章降低截流难度的截流施工方案与措施330
6.1双戗截流落差分配有效控制技术330
6.1.1双戗堤截流落差分配的影响因素330
6.1.2落差分配控制的敏感性333
6.1.3分析与讨论347
6.2宽戗堤截流水力特性及减轻截流难度效果348
6.2.1模型设计及测点布置348
6.2.2预备试验350
6.2.3宽戗堤截流水力特性351
6.2.4宽戗堤效应分析359
6.2.5分析与讨论360
6.3减小截流指标的临机决策截流361
6.3.1明渠提前截流的必要性362
6.3.2截流标准的选择362
6.3.3明渠截流方案分析366
6.3.4明渠提前截流工程影响分析366
6.3.5截流短、中期水情预报367
6.3.6截流方案模型试验及截流难度措施371
6.3.7明渠提前截流风险分析376
6.4梯级水库调度措施376
第7章粗粒料力学特性与渗透特性的尺寸效应377
7.1缩尺效应377
7.1.1压实及力学特性试验缩尺效应377
7.1.2渗透试验尺寸效应379
7.2压实和力学特性缩尺研究380
7.2.1缩尺方法与试验级配380
7.2.2压实特性缩尺研究382
7.2.3力学特性缩尺研究385
7.3渗透试验尺寸效应388
7.3.1渗透试验尺寸效应规律388
7.3.2渗透试验超径颗粒处理方法研究392
7.4成果应用398
7.4.1粗粒料力学特性试验成果应用398
7.4.2渗透试验成果的应用401
7.5小结403
第8章深厚覆盖层上围堰渗流控制405
8.1围堰渗流控制体系406
8.1.1围堰和基坑安全对渗流控制的要求406
8.1.2围堰和基坑渗流控制措施407
8.1.3围堰渗流控制体系实例410
8.1.4渗流控制体系失效的后果及其早期判别412
8.1.5渗流控制体系失效的应急处置与后期处理413
8.2围堰渗流控制安全论证414
8.2.1围堰运行状态下稳定渗流分析414
8.2.2基坑施工降水渗流分析420
8.3防渗体、堰体与地基相互作用模拟技术428
8.3.1防渗墙墙壁与周围介质接触面剪切特性试验428
8.3.2防渗墙刺入土体变形的模型试验与数值模拟434
8.3.3复合土工膜与围堰填料接触特性441
8.3.4防渗体与堰体和地基相互作用数值模拟444
8.4小结459
第9章围堰结构与边坡稳定安全变形监控461
9.1围堰结构安全监测布置原则461
9.1.1围堰结构安全监测原则461
9.1.2深厚覆盖层条件下土石围堰安全监测布置原则463
9.2围堰监测埋设技术464
9.2.1界面土压力盒埋设方法存在的不足465
9.2.2顶推法埋设界面土压力盒的优化模型试验465
9.3围堰结构安全综合评价470
9.3.1围堰失效的主要形式及影响围堰安全的主要因素470
9.3.2围堰结构安全综合评价方法研究471
9.3.3深厚覆盖层条件下土石围堰安全综合评价方法473
9.4围堰边坡稳定变形与应力协调性475
9.4.1高土石围堰边坡稳定性分析475
9.4.2深厚覆盖层高土石围堰应力及变形分析481
9.5小结489
第10章围堰施工中新技术新材料的应用491
10.1深水围堰塑性混凝土墙体新材料491
10.2土工膜与防渗墙联结形式新技术504
10.2.1复合土工膜与堰体砂砾料间的直剪摩擦试验504
10.2.2联结形式的离心模型试验512
10.2.3试验分析520
10.3小结521
第11章梯级水电站建设条件下导截流系统风险分析522
11.1施工导截流系统风险分析522
11.1.1风险理论发展背景522
11.1.2施工导流风险523
11.1.3施工围堰风险分析524
11.1.4结构风险分析526
11.2施工截流风险分析529
11.2.1基于实测流量的截流风险分析529
11.2.2基于实测水文资料的截流风险分析531
11.2.3基于短期施工洪水预报截流风险分析533
11.2.4截流方案比选及其风险536
11.3梯级电站建设条件下导流系统风险分析542
11.3.1施工导流系统风险影响因素542
11.3.2梯级电站建设条件下施工洪水不确定性543
11.3.3梯级电站建设条件下施工导流风险计算550
11.3.4上游水电站控泄条件下施工导流风险计算555
11.3.5白鹤滩水电站施工导流风险计算564
11.4高土石围堰结构风险分析571
11.4.1围堰边坡失稳风险571
11.4.2围堰渗透破坏风险578
11.4.3土石围堰结构风险581
11.4.4实例分析584
……
第12章施工导流系统综合风险多目标决策
参考文献
彩图
内容摘要
靠前章绪论
本章阐述了深厚覆盖层条件下梯级水电开发导截流及围堰安全控制技术的研究背景，介绍了施工导截流设计标准、减轻截流难度关键技术、围堰结构安全、渗流控制安全等方面的成果及需求，分析了导截流关键技术及导流系统风险分析与系统决策等方面的研究应用现状及存在的问题。
1.1工程背景
修建位于河床上的水工建筑物，在施工过程中，一般需使天然径流部分或全部改道。利用围堰或较为水工建筑物的已成部分，在其保护下形成基坑，排水后进行干地施工。为方便施工，随施工时间和空间的变化，必须使河道的天然来水按人们预先设计的部位泄向下游，在这一过程中，导流和截流是两个密切相关的重要环节，截流是改流的前提，是施工从局部转向全面的转折；利用导流和截流对水流过程进行控制的目的是为了形成较好的施工环境，而围堰是工程施工的屏障。导截流、围堰挡水、排水等就是施工过程对水流的控制，是解决施工和水流矛盾的时空变化过程，是一个全局性、根本性、战略性的问题，它不仅影响坝址、坝型的选择、水工建筑物及其枢纽布置的合理性，而且直接影响到人民的生命财产安全和工程工期。
我国的水能资源很好丰富，已规划的十三个水电基地中位于东部、中部地区的已基本完成，位于西部地区的已进入全面梯级开发建设阶段，如金沙江下游梯级水利水电工程向家坝、溪洛渡、白鹤滩以及乌东德等相继开发兴建。该地区在建和规划的水电工程中，河床上普遍存在深厚覆盖层。新构造运动、切蚀崩塌、地震山崩、滑坡、第四纪冰川作用、泥石流、区域断裂破碎带等地质活动都是深厚覆盖层的形成因素。这些不同的地质作用，使得覆盖层的材料性质及分布变化多端。覆盖层颗粒组成一般偏粗、颗粒形状变化大、结构不紧密、厚度分布不均匀。这些水利水电工程多处高山峡谷和高烈度地震区，地质条件十分复杂，施工环境恶劣，施工水流过程控制复杂，在此条件下，相应的导截流和围堰建筑物的安全性都存在新的尚未认识的问题急需研究，以保证工程设计和建设安全的需要。
1)梯级库群开发施工洪水与工程建设安全
目前，河流梯级开发时上游在建高坝大库工程具有一定的调节库容，可以部分削减下游各梯级水库的施工洪水，而在某些情况下，若发生超标洪水时上游在建的高坝大库工程出现溃坝或者溃堰，天然施工洪水与上游临时溃坝或溃堰洪水叠加，将会改变下游河道的天然水文条件，对下游大坝安全建设带来更多不确定性因素，并会对下游城镇的社会、环境、经济等造成重大影响。因此，考虑河流梯级开发条件下施工洪水的专享特性，研究施工洪水与高坝大库工程建设的安全、施工导截流与围堰系统安全之间的关系是大江大河梯级开发面临的新课题。
2)科学合理的设计需要
水利枢纽建设的先导工程——导截流和围堰工程，无疑是枢纽的关键工程，这方面靠前外有很多成功的经验和可靠的设计理论。但是，对于一些新出现的情况，仅依靠现有的设计理论和经验是不够的。以往我国在西南地区建坝相对较少，对于该地区普遍遇到的覆盖层厚、水头落差大、水位涨落快等情况，理论和经验积累不足。围堰虽是临时建筑物，但很好重要，针对山区河流的特殊水文条件，导流和围堰应有怎样的安全标准，如何合理安排度汛和围堰施工工期，都存在一些关键问题需要研究。
近十几年来，我国相继建成了一批进度快、质量好、施工洪水设计标准选择合理的工程，但在工程实践中发现，执行规范中的设计洪水标准规定还存在以下一些问题：①导流建筑物的设计洪水标准在选择过程中，未考虑风险度因素，安全性和经济性没有统一；②建筑物级别为3级的高土石围堰，没有抵御超标洪水的具体规定；③下闸前，坝体临时挡水度汛的设计洪水标准偏高，且只用库容一个指标选择过于笼统；④规范中导流泄水建筑物封堵期选用5～20年一遇的设计标准，近年来，出现了不少跨汛封堵的工程，特别是对于大型导流明渠封堵，当封堵使用的土石围堰需要跨汛挡水发电时，原规范规定的标准就显得略低；⑤未考虑梯级开发河流的来水特点，截流设计标准偏高等。针对存在的问题，应从靠前外实际工程资料出发，结合设计实践，对大型水利水电工程施工导流标准问题进行归纳总结，进一步处理好安全、经济和风险之间的关系，以达到三者有机的统一。
3)科学、高效、安全截流的需要
影响截流难度的因素很多，主要有龙口水力指标、龙口河床地形地质条件、截流抛投料性状、进占方法及施工强度等，根据工程具体条件及主要影响因素，研究采取合适的对策措施，降低截流难度。与河道立堵截流有关的水力因素，一般为截流流量Q、截流落差Zmax、龙口优选流速Vmax、龙口单宽功率Nbmax及河道总功率N0等，用哪个作为衡量截流难度的指标至今还没有一个统一的认识，其根本原因在于对截流难度机理的认识有待深入。葛洲坝大江截流的成功，使我国在立堵截流理论和实践上又有了进一步的丰富和提高，达到了世界优选水平，但从葛洲坝截流实践来看，进占几乎未遇到预期的困难，是在异乎寻常的顺利条件下合龙成功的；当时人们普遍认为截流流量越大，则进占难度也越大，而实际情况却与此相反，表明立堵规律还有待进一步深入研究。三峡工程主河道大江截流的特点是大流量、深水、小流速，却出现了堤头坍塌影响施工安全的新问题；三峡明渠截流的特点是大流量、高水深、大落差、高流速、床底光滑等特点，通过特大块石备料和双戗截流措施，化解了截流难度而成功截流；而金沙江下游乌东德、白鹤滩工程的截流特点也是大流量、高水深、大落差、高流速，但河床覆盖层深厚，体现出不同的截流难度，因此，必须进一步研究截流难度机理及减轻截流难度的工程措施，实现科学高效安全截流。
4)深厚覆盖层条件围堰安全的需要
在深厚覆盖层和高水头差条件下，围堰的变形大、防渗体(心墙和土工膜结构等)承受更大的应力和变形，其安全性与以往的围堰也有较大差别。由于覆盖层厚度可达100余米甚至数百米，钻孔取样困难，在其密度和级配都难以通过勘探了解的情况下，其力学性质和渗透性质更是未知数。这使得地下防渗墙该打多深和地基的压缩变形有多大都难以确定。在这些问题未知的情况下，围堰的设计和施工都缺乏充足的理论依据。如果仅仅依靠过去的经验延伸，则建筑物的安全性和经济性都无法保证。
1.2研究现状及存在的问题
1.2.1施工导流风险分析与决策研究
施工导流设计是水利水电工程总体设计的重要组成部分，是水利水电工程施工组织设计的中心环节，各国学者对施工导流及相关领域均有一定的研究。下面分别就施工导流风险估计、导流方案决策、导流风险调配等内容阐述研究进展及存在的问题。
1．施工导流风险及估计
施工导流系统的风险因素多而错综复杂。施工导流风险估计是综合运用相关理论与方法，系统考虑施工导流系统中的不确定性因素，真实、客观地反映施工导流系统发生风险事件的可能性。随着我国水电工程建设的深入，上、下游已建工程对流域建设环境中的水文、水力因素产生了显著影响，对于水电工程的导截流标准选择也带来了新的问题。
风险分析及估计是为了准确量化研究对象发生风险事件的可能性，从而为方案决策提供理论基础。施工导流风险分析是导流规划设计的关键内容，为施工导流标准的制定和方案决策提供了重要依据。目前，水利水电研究工作者多是从水文、水力、围堰堰前水位的角度来对施工导流风险展开研究的。
近来，水电站梯级建设条件下的施工导截流问题越来越受到水利水电工程界学者的重视。吉超盈(2005)提出通过汛期临时改变上游梯级水库运行方式来减小下游工程施工导流流量的优化设计方法，并进行了经济效益分析。任金明等(2011)探讨了下游梯级水库对上游梯级电站施工导截流的影响，并给出了应对策略。当考虑上游水库控泄情况时，上述研究主要探讨了方案标准的经济性和可行性，但风险分析缺乏系统的理论和技术支撑。刘招等(2008)探讨了利用上游安康水电站控泄来减小下游蜀河水电工程施工导流流量，并利用概率统计基本原理，综合考虑上游控泄洪水与区间洪水影响，推导了下游水电站施工导流风险计算模型。
2．导流方案决策与导流标准选定
施工导流方案决策是水利水电工程规划设计中的关键环节，对水电工程导流建筑物的选择、工程的投资费用安排、主体工程施工过程中的安全，以及施工进度的计划等都有重大影响。因此，施工导流方案的优选，是贯穿水电工程整个建设期的关键问题，关系到工程的投资、安全、效益，靠前外不少学者相继开展了这方面的研究探讨，取得了丰富的研究成果。
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