布爾津山口水電站圍堰型式選擇與風險分析

李 江王 健

（1. 新疆水利水電規劃設計管理局 新疆烏魯木齊市 830000 2. 新疆水利水電勘測設計研究院 新疆烏魯木齊市 830000)

布爾津山口水電站圍堰型式選擇與風險分析

李 江1王 健2

（1. 新疆水利水電規劃設計管理局 新疆烏魯木齊市 830000 2. 新疆水利水電勘測設計研究院 新疆烏魯木齊市 830000)

布爾津山口水電站圍堰可研審查確定為土石圍堰，施工期根據當地氣候特點、洪水預測及大壩度汛風險，對土石圍堰、混凝土圍堰進行了專題比選，對擋水圍堰型式、過水圍堰型式進行了分析研究。堆石混凝土圍堰可充分利用開挖洞渣料，圍堰施工速度快，并且能夠較好的應對超標準洪水，過水也是安全的。經過度汛檢驗，較好地解決了該工程遭遇超標洪水時堰頂過流可能引起的潰壩問題，取得了較好的效果，達到了預期目標。

拱壩 土石圍堰 堆石混凝土 型式比選 風險

1 工程概況

布爾津山口水電站工程規模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，具有供水、發電等綜合效益。壩址區地震基本烈度為Ⅶ度。水庫正常蓄水位646.0m，總庫容2.22億m3，主壩最大壩高94m。電站裝機220MW，多年平均發電量6.64億kW·h，保證出力14.4MW。

山口電站主要由常態混凝土拱壩、開敞式溢洪道、放水深孔、引水式岸邊廠房等組成。發電引水系統采用一管四機布置型式，電站布置兩臺單機80MW和兩臺單機30MW的水輪發電機組。

布爾津河徑流補給是以季節性積雪的融雪水為主，夏季降雨補給為輔，并有少量冰川融水，冬季主要靠地下水補給，徑流年際變化不大。工程區氣候干燥，四季中春秋兩季短。主要氣候特征為：氣溫低，少酷暑，多嚴寒，冷暖懸殊，氣溫年差較大，日差較明顯。

根據布爾津氣象站1961年～2007年的氣象資料統計：工程所處地區多年平均氣溫為5℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫-41.2℃，多年平均降水量為153.4mm， 多年平均蒸發量為1619.5mm，多年平均風速3.7 m/s，極端最大風速32.1m/s，最大積雪深46cm，最大凍土深127cm。月平均氣溫要素見表1。

表1 歷年月平均氣溫要素統計表（℃）

2 可研階段施工導流及度汛

2.1 導流時段

根據工程施工總進度計劃，施工總工期為4.5年，在整個施工期內，壩體共經歷三個汛期。綜合考慮樞紐水文、氣象條件、度汛標準、大壩混凝土澆筑強度等因素，大壩施工導流及壩體施工期臨時度汛采用圍堰及壩體臨時斷面擋水、導流洞泄洪方式。1

大壩施工導流、度汛時段可劃分為：初期圍堰擋水時段、主體工程施工期圍堰度汛和蓄水完建時段三個階段。(1)初期圍堰擋水時段為第三年5月至第四年8月，導流洪水標準采用10年一遇，施工導流由圍堰擋水，導流洞泄流；(2)主體工程施工期壩體臨時度汛階段為第四年8月至第五年10月，當壩體澆筑高度超過圍堰頂高程后，度汛洪水標準采用20年一遇，此時壩體度汛期壩前最高水位602.29m，仍然由圍堰斷面擋水，導流洞泄流；圍堰設計按施工度汛高程一次建成，即達到604.0m高程。(3)第五年10月至年底為蓄水完建階段，圍堰拆除，導流洞下閘封堵，由壩體擋水，深孔泄流。

2.2 導流及度汛標準

本工程屬大（2）型Ⅱ等工程，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。根據《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303-2004）導流建筑物級別劃分相關規定，導流洞及上下游圍堰為4級。

考慮當地氣候條件，施工時段主要為4月至10月，而汛期為5月至8月，根據壩址區氣象及水文條件，經分析，一個枯水期內永久建筑物不能修筑至汛期洪水位以上，因此考慮圍堰采用全年擋水，導流建筑物（圍堰）類型為土石結構。

由于本工程河段已經有了51年的實測資料，且進行了歷史洪水調查，施工導流期洪水標準采用下限值是可行的，因此該工程導流設計洪水標準采用P=10%（10年一遇）的全年洪水，相應洪峰流量為1594m3/s。

根據施工總進度安排，本工程第四年8月壩體澆筑高程將超過擋水圍堰604.0m高程，且壩前攔洪庫容為0.215億m3，根據相關規定，綜合分析大壩初期導流標準、施工進度、度汛期對施工的影響及大壩安全施工等各種因素，第四年8月以后壩體施工期臨時度汛標準采用P=5%，相應洪峰流量為1930m3/s。由此確定圍堰按20年一遇洪水標準修建，滿足導流、度汛的要求，使大壩一直在圍堰保護下正常施工。

導流洞封堵時段確定為第五年汛末，下閘封堵設計流量采用9月下旬10年一遇月平均流量，相應流量141.7m3/s。封堵時段設計標準采用9月至次年4月期間10年一遇，相應洪峰流量為474m3/s。導流度汛特性見表2。

表2 常態混凝土拱壩方案導流度汛特性表（可研階段）

2.3 導流方式

上壩址主河道呈“V”型河谷，主河床比較狹窄，河道呈轉彎狀，便于布置導流洞，所以推薦方案施工導流采用河床一次斷流，上下游圍堰擋水，左岸導流隧洞全年導流的方式。導流洞后期封堵。

2009年工程開工建設，2010年7月導流洞工程全部貫通，按計劃2010年8～9月擇機實現截流，2011年5月進入度汛期，2013年10月主體工程完工，機組具備發電條件。

3 施工期圍堰型式變更

3.1 導流工程實施現狀及變更緣由

2009年底～2010年初導流洞工程建設期間，當地遭受60年不遇的大雪，5～6月汛期，該河上游各支流水文站點實測最大洪峰流量為1950m3/s，達到P=5%（20年一遇，1930m3/s），更是超過原設計洪水標準P=10%(10年一遇)的洪峰流量。根據當年汛期水文資料統計結合有關部門對2011年洪水的預測分析，2011年圍堰第一個擋水年份可能會遭遇超標準洪水，若遇強降雨及氣溫回升過早，圍堰可能會面臨更大的洪水，需要認真研究度汛方案。由于圍堰還未實施，存在調整變化的余地。

3.2 圍堰型式分析

本工程的保護對象是施工期的拱壩，由于受封拱灌漿的影響，一般不希望施工期由拱壩擋水度汛，同時工程區施工有效時段均為每年的5～10月，冬季停工期長達6個月，壩體施工時段非常短，年上升一般在30～35m左右。原設計方案考慮水文資料的變化規律及度汛問題，采用了土石圍堰一次建成達到抵擋20年一遇洪水標準的高度，從而使拱壩施工期在圍堰保護下順利建設，封拱后再由壩體擋水。

國內外經驗表明，影響圍堰選擇的幾項主要技術指標為：（1）洪枯流量比：當洪枯比小于20時，多用不過水圍堰法導流；當洪枯比大于50以后，多用過水圍堰的導流方式。（2）洪枯水位變幅：當變化幅度小于6時，多采用不過水圍堰的形式；當變化幅度大于12以后，多采用過水圍堰導流法。（3）導流設計流量：當導流設計流量Q < 2000m3/s時，多用不過水圍堰法導流；當Q >10000m3/s時，多用過水圍堰法。本工程洪枯比>20，水位變幅<6，導流流量P=5%時接近2000m3/s。因此，根據大多數工程的實踐經驗可研階段采用不過水圍堰。

結合工程特性、施工時段及2011年度汛的要求，考慮了幾種可能方案。

該方案堰頂高程597.5m，圍堰最大高度27.7m，堰長154m，同時考慮度汛風險，圍堰右側設置非常溢洪道；該方案建設標準較低，圍堰不過水，超標洪水通過非常溢洪道下泄，40m底寬可承擔泄量159.6m3/s，消能設施復雜，需要修建至大壩基坑，施工期過水時大壩停工，淹沒基坑，且沖毀下游圍堰需要二次修建。由于模型試驗周期較長，采用土石過水圍堰或非常溢洪道均比較復雜，缺少設計及試驗周期。國內外已建土石過水圍堰均較低，且需要采用大量的防護措施。烏江東風水電站大壩圍堰設計堰高17.5m，堰頂長度73m，過堰流量3785m3/s，最大單寬流量52.6m3/s·m，模型試驗效果良好，工程實際過流8次，歷時220h，最大過堰流量4250m3/s，最大單寬流量57m3/s·m，最大過堰流速11.6m/s，堰頂最大水深10.3m，運行后發現下游平臺和下游坡交接處產生局部破壞。本工程圍堰堰高27.7m，實施難度較大，不予考慮。

方案二：土石圍堰，按20年標準建設

該方案即可研階段設計方案，堰頂高程603.0m，圍堰最大高度33.7m，堰長193m，該方案建設標準較高，圍堰不過水，可滿足導流期10年一遇洪水標準及度汛期20年一遇洪水工況。施工簡單，速度快、投資省，可充分利用開挖石渣料筑壩，壩面采用土工膜防滲，現澆混凝土板護坡。若遭遇超標準洪水，只能通過加設1～2m高子堰抵御洪水，按照2011年預測的度汛洪水特性，仍然存在較大的漫壩及度汛風險。阿勒泰某水電站施工時，上游強降雨造成洪水來勢迅猛，土石圍堰遭遇超標準洪水，圍堰漫頂突然潰決，造成施工中斷，損失達數百萬元。

方案三：混凝土過水圍堰，按10年標準建設

該方案堰頂高程597.5m，圍堰最大高度27.7m，堰長154m。同時考慮度汛風險，為降低施工難度及投資，壩后為臺階式消能工型式，施工期過水時基坑停止施工。該方案正常情況可以抵御10年一遇洪水，同時又利用重力壩斷面特性，解決了遭遇超過10年以上超標準洪水時堰頂溢流下泄洪水的問題，避免圍堰潰決時對河道下游和工程本身形成大的安全隱患。常態混凝土型式施工速度慢、溫控復雜；碾壓混凝土斷面較小不適合機械化施工；自密實混凝土成本較高；膠凝砂礫石筑壩速度較快，但坡面為滿足防沖要求，增加混凝土防護，投資較高；而堆石混凝土可以充分利用石渣料，施工工藝簡單，綜合單價較低，施工效率高，工期短。山西晉城圍灘水電站工程，壩高59m；山西臨汾清峪水庫，壩高42.5m；恒山水庫除險加固，壩高69m；均采用了堆石混凝土型式，使用效果良好。經綜合比選考慮，采用堆石混凝土作為混凝土圍堰的代表參與進一步比選。

通過上述分析，對土石不過水圍堰（方案二）與混凝土過水圍堰（方案三）進行了進一步技術經濟比選。成果見表3。

經技術經濟綜合分析，可研階段土石圍堰設計方案導流P=10%、度汛P=5%，均為《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303-2004）表3.2.6條規定的4級建筑物洪水標準下限；本次提出的混凝土圍堰設計方案導流P=10%、度汛P=5%，均為表3.2.6條規定的4級建筑物洪水標準上限；從洪水重現期角度分析，洪水標準提高了。采用混凝土圍堰，盡管投資較土石圍堰高出171.31萬元，但具有結構簡單、施工快速，抵御超標準洪水能力強的優勢，作為施工期選定方案。經專家論證咨詢同意采用該方案。

3.3 施工導流及度汛方式的調整

脊柱損傷屬于臨床常見骨折,該疾病病情進展速度較快,需要及時采取治療手段提高患者生命質量安全。相對于常見脊柱內固定手術而言,經椎弓根螺釘固定治療效果更加顯著,其在脊柱損傷疾病中具有一定的應用價值。本文主要選取本院2015年6月至2017年12月收治的72例脊柱損傷患者為研究案例,對經椎弓根螺釘固定療效進行觀察分析,具體內容如下。

根據大壩進度計劃，結合氣候及洪水預測，對原設計施工進度、導流方案進行調整。確定2011年8月下旬截流，至2011年年底，壩體澆筑至570.0m高程，完成壩體澆筑量4.74萬m3；2012年10月壩體澆筑至610.0m高程，完成壩體澆筑量14.85萬m3；2013年10月澆筑至649.0m壩頂高程，完成壩體澆筑量14.68萬m3；2013年10月機組具備發電條件。

表3 圍堰堰體型式對比

施工度汛時段仍為三個時段：初期圍堰擋水時段、主體工程施工期圍堰度汛和蓄水完建時段。

（1）初期圍堰擋水時段為2012年5月至2012年8月，導流洪水標準采用10年一遇，施工導流由圍堰擋水，導流洞泄流；遇超標準洪水則基坑過水。

（2）主體工程施工期壩體臨時度汛階段為2012年9月至2013年10月，當壩體澆筑高度超過圍堰頂高程后，度汛洪水標準采用20年一遇，此時壩體度汛期壩前最高水位602.29m，超過圍堰頂高程，大壩臨時斷面擋水，導流洞泄流。

（3）2013年10月至2013年12月底為蓄水完建階段，圍堰拆除，導流洞下閘封堵，由壩體擋水，深孔泄流。初步確定10月份下閘封堵，2013年10月底機組具備發電條件。

3.4 漫壩風險分析

按選定方案，遇洪水標準10年一遇，圍堰正常擋水度汛。遇洪水標準20年一遇，來水1930m3/s，導流洞和圍堰聯合泄流，分別承擔1513.4m3/s、210.7m3/s，圍堰堰上水頭1.16m，流速1.37m/s，經壩后臺階式斷面下泄，流速低，不會對下游造成沖刷危害。

采用《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2005）進行圍堰擋水及過水工況的穩定分析，抗滑、抗傾穩定系數均符合規范要求。圍堰基礎應力計算結果表明，正常水位工況及過水工況壩踵的垂直應力大于零，壩趾的垂直應力均小于壩基的容許壓應力，完建工況圍堰基礎最大豎直向壓應力為-0.026MPa，小于容許拉應力值-0.1MPa。

采用過水圍堰方案時，由于大壩基坑無法保護，只能采用臨時防護措施，初步估算，大壩基坑在上下游圍堰之間形成水塘，估算水量為13萬m3，汛后采取抽排或采用堰下埋管的方式導至圍堰下游。下游圍堰采用堰面設置防滲塑膜及混凝土護面、鋼筋籠進行保護。

綜合分析，結合上游水文預報，當混凝土圍堰遭遇超標準洪水時壩頂溢流，洪水下泄至基坑，影響大壩施工，采取壩體臨時防護、下游圍堰保護等一系列防護措施后可確保施工安全?；舆^水淹沒后的處理工作量不大，對工期影響也較小。

4 應用效果評價

山口水電站圍堰采用堆石混凝土后，施工自9月初截流后開始，11月6日停工進行越冬保溫處理，4月份進行了剩余混凝土的澆筑，施工過程中技術人員進行指導，每日完成的堆石混凝土澆筑量在700～1000m3，平均月澆筑量在15000 m3以上。自密實混凝土單方水泥用量為160kg/m3，水膠比為0.3，單方堆石混凝土的水泥用量為72kg/m3，單方混凝土水泥用量遠低于其他混凝土，混凝土的絕熱溫升大幅降低，施工過程中未采取任何溫控措施，澆筑完成后未發現混凝土裂縫，外觀質量良好。造價也相對較低，綜合單價約280元/m3，顯著低于普通的常態混凝土。

堆石混凝土中自密實混凝土的強度為C15，28天抗壓強度取樣60組，最小值18MPa，最大值25.2MPa，均值20.6MPa，合格率100%，鉆孔取芯和壓水試驗結果表明，各項指標均在設計和理論計算的范圍內。歷經兩個冬天考驗，整體未發現有裂縫及凍融破壞，結構完好。而且通過洪水檢驗，圍堰具有較好的防滲性，層間接合處未發現滲水現象，施工質量控制良好。

5 結語

土石圍堰擁有較成熟的施工技術與經驗，但抵御超標準的洪水能力較差。堆石混凝土圍堰雖然是新技術，但是結合本工程的實際現狀，堆石材料較為充足，不需要另行開挖，圍堰施工速度快，工程造價較省，并且能夠較好的應對超標準洪水。經過度汛檢驗，堆石混凝土圍堰較好地解決了該工程遭遇超標洪水時堰頂過流可能引起的潰壩問題。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.023

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1672-2469（2014）08-0073-04

李 江（1971年—），男，教授級高級工程師。