落久水利樞紐主壩上游圍堰自潰設計與實踐

丁志堅

(廣西壯族自治區柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545005)

1 基本情況

落久水利樞紐工程位于廣西柳州市融水苗族自治縣境內的貝江下游，水庫總庫容3.46億m3，為大(2)型水利工程，工程任務為以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發電和航運等綜合利用。

貝江是柳江干流融江河段的支流之一，發源于黔桂交界的九萬大山，全流域集雨面積1790km2。貝江流域是廣西著名的暴雨中心區之一，實測24小時最大雨量779.1mm，創廣西最高紀錄；7天雨量1689.4mm，居全國第2位。根據壩址上游7.42km處的勾灘水文站歷年實測資料統計，貝江洪水多為單峰型，洪量主要集中在1～3d內。

落久工程的主要建筑物攔河主壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長度317.9m，最大壩高59.8m，目前正在建設中。

2 主壩施工導流設計方案

2.1 導流方式及標準

工程施工采用一期圍堰，左岸隧洞導流。上、下游均采用土石圍堰，按4級臨時建筑物設計。導流時段9月1日—次年4月30日，洪水標準為10年一遇，相應的洪峰流量為1270m3/s。

2.2 導流建筑物設計

工程的導流建筑物有導流隧洞、上游橫向土石圍堰、下游橫向土石圍堰等。為方便說明，本文提到的圍堰，除注明外，均指上游圍堰。

導流隧洞位于樞紐主壩上游左岸約150m處，城門形斷面，洞寬6.50m，洞高9.00m。

上游圍堰頂高程132.21m，頂寬7.0m，頂長202.05m，最大堰高24.21m。下游圍堰頂高程為114.80m，頂寬7.0m，頂長150m，最大堰高6.8m。

根據設計的施工進度方案，工程總工期為40個月。主壩區截流安排在第1年9月下旬，第1年11月開始碾壓混凝土。計劃第2年4月底之前壩體全面碾壓至118m高程，然后將上游圍堰部分拆除，利用壩體過水+導流洞聯合泄洪度過第一個汛期。在第一汛期(第2年5月至8月)內不安排施工。第2年9月開始恢復施工，在第二汛期前將壩體及廠房已搶至了144.00m高程。這時，汛期對施工的影響不大，可根據氣候情況相機進行施工。

3 主壩上游圍堰防洪度汛

工程于2016年10月28日截流，最終形成的圍堰為：上游圍堰主要用兩岸壩基開挖出來的風化砂巖或泥巖料填筑，粘土心墻防滲。圍堰頂高程132.21m，頂寬10m，頂長202.05m；迎水面邊坡：118.31m高程以下為1∶2.5，118.31m高程以上為1∶2，背水面邊坡為1∶2；心墻頂高程131m，頂寬4m，上下游坡1∶0.2，最低底高程108m；為了防止在施工期可能出現的超標準洪水漫堰淘刷堰腳，給施工人員、設備以及下游村屯有一定的撤出時間，圍堰背水面坡用鋼筋石籠進行護坡。鋼筋石籠布置在圍堰中部，寬70m，厚1m，從坡腳一直鋪到125m高程。后為施工機械上堰方便，在圍堰背水面設戧道，戧道上的鋼筋石籠改為C15混凝土面板厚0.3m。

下游圍堰全部用兩岸壩基開挖出來的風化砂巖或泥巖料填筑，堰頂高程為115.00～116.00m，頂寬13～28m，堰頂長約155m。

由于種種原因，大壩的施工進度滯后嚴重。到5月初，河床中大壩5#～8#壩塊僅碾壓到110m高程，左岸3#～4#和右岸9#～10#壩塊僅碾壓到114m高程，都遠未到達原設計要求的整體碾壓到118m高程。同時，為保護碾壓混凝土壩體的施工，上游圍堰還無法拆除，堰頂仍保持在132.21m高程。但貝江5月已進入主汛期，堰前水位基本保持在120m高程以上，在上游圍堰前形成一個庫容1200萬m3以上，最大總庫容可達4271萬m3的中型水庫。如何處置上游圍堰，成了本工程防洪度汛必需解決的主要問題。

3.1 對上游的影響

按原設計，第一個汛期為壩體(頂高程118m)過水+導流洞聯合泄洪。上游庫區的征地和移民安置工作亦是按此標準推算出的回水線來控制。因此，圍堰不拆除，將會淹沒上游尚未搬遷的村屯和土地，造成新的社會問題，甚至會影響本工程征地和移民安置工作的進一步推進。

3.2 對下游的影響

圍堰設計標準為枯水期10年一遇洪水，洪峰流量1270m3/s，遠小于貝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，圍堰在汛期遭洪水漫頂的可能性非常大，而土石圍堰一旦遭洪水漫頂就有可能造成潰壩。由于本工程上游圍堰最大堰高24.21m，圍堰上游總庫容4271萬m3，一旦潰壩，瞬時洪水將會對下游沿河的長賴、落久等村屯以及江門電站造成巨大的損失。

4 圍堰防洪度汛方案

主壩上游圍堰防洪度汛方案的設計目的是為解決上述問題，使工程能夠安全度汛，保證上、下游人民群眾生命財產的安全。經多方案的比較，最終選定人工拆除與圍堰自潰相結合的方案。該方案是通過河道潰壩計算，確定在洪峰到來之前，圍堰必須拆除的高度，使剩余圍堰被洪水沖潰時所產生的最大潰壩洪水流量不會對下游河道和村屯造成嚴重的影響。同時，解決上游回水的淹沒問題。

4.1 潰壩計算成果

為分析主壩圍堰潰壩對下游的影響，利用經驗公式進行數值計算，并根據計算結果對圍堰的處理提出意見和建議。

4.1.1 壩址斷面處瞬間潰壩最大流量

為安全計，假定圍堰發生瞬時全潰，以此計算最大流量。計算采用里特爾公式，不同堰頂高程的條件下瞬間全潰潰壩最大流量成果見表1，計算公式如下：

(1)

式中，B—潰壩時壩前水面寬度或壩頂長度，m；H0—潰壩前壩址上游水深，m；QM—瞬時橫向一潰到底的最大流量，m3/s。

4.1.2 各斷面最大流量及相應水位

要評估圍堰潰壩洪水對下游的影響，必須做洪水演進分析，計算出各代表斷面的潰壩洪水。下游沿河各村屯房屋最低和房屋集中區高程見表1。江門水電站是貝江流域的最后一個梯級，以發電為主，位于落久壩址下游約13km，屬低水頭徑流式水電站，其閘壩最大泄流能力為7510m3/s。

計算采《水力計算手冊》(第二版)推薦的經驗公式，成果見表1。

(2)

式中，QLM—當潰壩最大流量演進至距壩址為L處時，在該處出現的最大流量，m3/s；W—潰壩時蓄水量，萬m3；QM—壩址處的潰壩最大流量，m3/s；L—距壩址的距離，m；V—河道洪水期斷面最大平均流速，m/s；K—經驗系數；VK—按黃河水利委員會水利科學研究院的資料，對于半山區河道，取值為4.76。

4.1.3 圍堰潰壩對下游防護對象的影響分析

由表1可以看出：當堰頂高程高為132.21m時發生潰壩，潰壩洪水演進至江門水電站時，將超過該電站閘壩的最大泄流量，威脅該電站人員和設施的安全。同時，下游各村屯的房屋集中區均被淹沒；當堰頂高程高為128m時發生潰壩，潰壩洪水將淹沒下游大部分村屯的房屋集中區，但已能通過江門電站的溢流閘壩。

當堰頂高程等于125m時發生潰壩，潰壩洪水僅對下游的部分村屯地面高程較低的少量房屋有影響，對房屋集中區和江門電站基本無影響。

表1 圍堰潰壩計算成果表(瞬時全潰)

當堰頂高程等于或低于122m時發生潰壩，潰壩洪水對下游村屯的影響較小。

4.2 設計方案

4.2.1 設計需要考慮的問題

(1)4月下旬后，圍堰上游水位保持在120m高程以上，人工完全拆除圍堰已無可能。

(2)施工單位的施工能力和施工安全。

(3)以河道潰壩理論計算成果為依據，同時也要考慮土石圍堰的潰壩機制一般為瞬時局部潰壩的特點。

(4)盡量使自潰口控制在河槽中間，以減小潰壩洪水對基坑兩岸邊坡的沖刷破壞。

(5)通過采取必要的措施，盡量延長潰壩時間，減小潰壩最大流量，使潰壩洪水對下游的危害最小，保證下游村屯和江門水電站的安全。

4.2.2 采用方案

經多方案比較，最終采用的方案是配合氣象洪水預報，至少將上游圍堰人工拆除到125m高程；在圍堰頂中部設置引沖槽，以控制自潰口的位置。引沖槽的寬度按河槽底寬(約70m)的1/5取值為15m，槽深要求盡量深挖，以不影響施工安全為標準。同時，在下游圍堰頂部中央開挖5m寬左右的缺口，既可在基坑內形成一定的水墊，也可控制下游圍堰的潰壩位置。

在洪水到來之前，圍堰拆除施工的實際形象為上游圍堰全面開挖拆除至125.00m高程，頂寬約50m。圍堰頂中部預留引沖槽底寬15m，槽底高程123m，開挖邊坡1∶1。上游圍堰背水面坡保留已鋪設的1m厚鋼筋石籠，總寬度70m至坡底，坡上的施工戧道鋪有C15混凝土面板，厚0.3m；下游圍堰頂高115.00～116.00m，預留缺口底高程111.50m，底寬5m，開挖邊坡1∶1。

5 圍堰過洪及自潰過程

圍堰按設計方案施工后，在自潰之前過了兩次水，為我們提供了較好的觀測圍堰自潰的機會。如圖1—5所示。圍堰第一次過水情況見表2，第二次過水情況見表3。由此得出以下結論：

(1)6月16日，引沖槽過洪歷時約6小時10分，最大過洪水深約0.7m，最大單寬流量約1m3/s/m。

表2 圍堰第一次過洪情況表

表3 圍堰第二次過洪情況

圖1 圍堰過水情況1

圖2 圍堰過水情況2

圖3 圍堰過水情況3

圖4 圍堰過水情況4

圖5 圍堰過水后最終狀態

過洪后，檢查發現引沖槽并沒有被沖刷擴大，僅在圍堰下游坡腳有很少一部分鋼筋石籠被沖毀，過洪沒有對圍堰整體造成損害。

(2)圍堰的自潰先從引沖槽控制的缺口開始垂向局部潰壩，然后再向兩側橫向延伸。從6月28日現場觀測記錄看，10∶40～13∶30為淘刷過程，歷時約3小時。圍堰從10∶40開始過水，12∶00開始出現明顯淘刷，13∶30開始局部潰決；13∶30～14∶00為圍堰垂向潰決過程，歷時約30分鐘；14∶00～16∶30為圍堰潰口向橫向延伸過程，延伸速度最快約為0.46m/分，平均延伸速度約為0.28m/分，歷時約2小時30分鐘。圍堰最終潰決為寬約100m的缺口。

(3)潰壩流量受到缺口寬度的控制。我們通過缺口寬度估算和下游斷面水位流量關系查算，估算出本次最大的流量為1700～2000m3/s，約為理論計算量(瞬間全潰)的1/5，小于貝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，本次圍堰自潰拆除未對基坑已澆筑的壩塊和兩岸的邊坡造成影響，也未給下游村屯和江門電站造成損失。

(4)鋼筋石籠對延長坡腳的淘刷時間有很大的作用，但在圍堰潰口向橫向延伸過程，鋼筋石籠起的作用并不大。

(5)本次圍堰自潰過程與設計的設想基本吻合，上游圍堰沖毀約100m，下游圍堰完全沖毀，河道已大致恢復天然狀態。

6 建議

(1)在汛期，采用土石圍堰自潰的方式度汛是可行的。通過設計，可以將潰壩的影響控制在一定的范圍內，使其不對下游的保護目標造成危害。

(2)用風化料(無粘性土)填筑的圍堰也有一定抗低水頭、小流量洪水漫壩的能力。

(3)自潰拆除較高的圍堰，應設置引沖槽。引沖槽控制著潰決口位置和潰壩最大流量。引沖槽的斷面尺寸設計，應盡量將洪水控制在槽內下泄，不使洪水漫過圍堰頂。

(4)鋼筋石籠對延長坡腳的淘刷時間有很大的作用，使用鋼筋石籠保護圍堰的坡腳，在施工期遭遇超標準洪水漫壩時，可以給人員、設備以及下游的保護對象留出一定的撤出時間。