李 江王 健

（1. 新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局 新疆烏魯木齊市 830000 2. 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)分析

李 江1王 健2

（1. 新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局 新疆烏魯木齊市 830000 2. 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)、洪水預(yù)測(cè)及大壩度汛風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)土石圍堰、混凝土圍堰進(jìn)行了專(zhuān)題比選，對(duì)擋水圍堰型式、過(guò)水圍堰型式進(jìn)行了分析研究。堆石混凝土圍堰可充分利用開(kāi)挖洞渣料，圍堰施工速度快，并且能夠較好的應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水，過(guò)水也是安全的。經(jīng)過(guò)度汛檢驗(yàn)，較好地解決了該工程遭遇超標(biāo)洪水時(shí)堰頂過(guò)流可能引起的潰壩問(wèn)題，取得了較好的效果，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

拱壩 土石圍堰 堆石混凝土 型式比選 風(fēng)險(xiǎn)

1 工程概況

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

山口電站主要由常態(tài)混凝土拱壩、開(kāi)敞式溢洪道、放水深孔、引水式岸邊廠房等組成。發(fā)電引水系統(tǒng)采用一管四機(jī)布置型式，電站布置兩臺(tái)單機(jī)80MW和兩臺(tái)單機(jī)30MW的水輪發(fā)電機(jī)組。

布爾津河徑流補(bǔ)給是以季節(jié)性積雪的融雪水為主，夏季降雨補(bǔ)給為輔，并有少量冰川融水，冬季主要靠地下水補(bǔ)給，徑流年際變化不大。工程區(qū)氣候干燥，四季中春秋兩季短。主要?dú)夂蛱卣鳛椋簹鉁氐?，少酷暑，多?yán)寒，冷暖懸殊，氣溫年差較大，日差較明顯。

根據(jù)布爾津氣象站1961年～2007年的氣象資料統(tǒng)計(jì)：工程所處地區(qū)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(fā)量為1619.5mm，多年平均風(fēng)速3.7 m/s，極端最大風(fēng)速32.1m/s，最大積雪深46cm，最大凍土深127cm。月平均氣溫要素見(jiàn)表1。

表1 歷年月平均氣溫要素統(tǒng)計(jì)表（℃）

2 可研階段施工導(dǎo)流及度汛

2.1 導(dǎo)流時(shí)段

根據(jù)工程施工總進(jìn)度計(jì)劃，施工總工期為4.5年，在整個(gè)施工期內(nèi)，壩體共經(jīng)歷三個(gè)汛期。綜合考慮樞紐水文、氣象條件、度汛標(biāo)準(zhǔn)、大壩混凝土澆筑強(qiáng)度等因素，大壩施工導(dǎo)流及壩體施工期臨時(shí)度汛采用圍堰及壩體臨時(shí)斷面擋水、導(dǎo)流洞泄洪方式。1

大壩施工導(dǎo)流、度汛時(shí)段可劃分為：初期圍堰擋水時(shí)段、主體工程施工期圍堰度汛和蓄水完建時(shí)段三個(gè)階段。(1)初期圍堰擋水時(shí)段為第三年5月至第四年8月，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇，施工導(dǎo)流由圍堰擋水，導(dǎo)流洞泄流；(2)主體工程施工期壩體臨時(shí)度汛階段為第四年8月至第五年10月，當(dāng)壩體澆筑高度超過(guò)圍堰頂高程后，度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，此時(shí)壩體度汛期壩前最高水位602.29m，仍然由圍堰斷面擋水，導(dǎo)流洞泄流；圍堰設(shè)計(jì)按施工度汛高程一次建成，即達(dá)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(dǎo)流洞下閘封堵，由壩體擋水，深孔泄流。

2.2 導(dǎo)流及度汛標(biāo)準(zhǔn)

本工程屬大（2）型Ⅱ等工程，主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2004）導(dǎo)流建筑物級(jí)別劃分相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)流洞及上下游圍堰為4級(jí)。

考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件，施工時(shí)段主要為4月至10月，而汛期為5月至8月，根據(jù)壩址區(qū)氣象及水文條件，經(jīng)分析，一個(gè)枯水期內(nèi)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(dǎo)流建筑物（圍堰）類(lèi)型為土石結(jié)構(gòu)。

由于本工程河段已經(jīng)有了51年的實(shí)測(cè)資料，且進(jìn)行了歷史洪水調(diào)查，施工導(dǎo)流期洪水標(biāo)準(zhǔn)采用下限值是可行的，因此該工程導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用P=10%（10年一遇）的全年洪水，相應(yīng)洪峰流量為1594m3/s。

根據(jù)施工總進(jìn)度安排，本工程第四年8月壩體澆筑高程將超過(guò)擋水圍堰604.0m高程，且壩前攔洪庫(kù)容為0.215億m3，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，綜合分析大壩初期導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)、施工進(jìn)度、度汛期對(duì)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(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)采用P=5%，相應(yīng)洪峰流量為1930m3/s。由此確定圍堰按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)修建，滿足導(dǎo)流、度汛的要求，使大壩一直在圍堰保護(hù)下正常施工。

導(dǎo)流洞封堵時(shí)段確定為第五年汛末，下閘封堵設(shè)計(jì)流量采用9月下旬10年一遇月平均流量，相應(yīng)流量141.7m3/s。封堵時(shí)段設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用9月至次年4月期間10年一遇，相應(yīng)洪峰流量為474m3/s。導(dǎo)流度汛特性見(jiàn)表2。

表2 常態(tài)混凝土拱壩方案導(dǎo)流度汛特性表（可研階段）

2.3 導(dǎo)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(zhuǎn)彎狀，便于布置導(dǎo)流洞，所以推薦方案施工導(dǎo)流采用河床一次斷流，上下游圍堰擋水，左岸導(dǎo)流隧洞全年導(dǎo)流的方式。導(dǎo)流洞后期封堵。

2009年工程開(kāi)工建設(shè)，2010年7月導(dǎo)流洞工程全部貫通，按計(jì)劃2010年8～9月?lián)駲C(jī)實(shí)現(xiàn)截流，2011年5月進(jìn)入度汛期，2013年10月主體工程完工，機(jī)組具備發(fā)電條件。

3 施工期圍堰型式變更

3.1 導(dǎo)流工程實(shí)施現(xiàn)狀及變更緣由

2009年底～2010年初導(dǎo)流洞工程建設(shè)期間，當(dāng)?shù)卦馐?0年不遇的大雪，5～6月汛期，該河上游各支流水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)最大洪峰流量為1950m3/s，達(dá)到P=5%（20年一遇，1930m3/s），更是超過(guò)原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)P=10%(10年一遇)的洪峰流量。根據(jù)當(dāng)年汛期水文資料統(tǒng)計(jì)結(jié)合有關(guān)部門(mén)對(duì)2011年洪水的預(yù)測(cè)分析，2011年圍堰第一個(gè)擋水年份可能會(huì)遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，若遇強(qiáng)降雨及氣溫回升過(guò)早，圍堰可能會(huì)面臨更大的洪水，需要認(rèn)真研究度汛方案。由于圍堰還未實(shí)施，存在調(diào)整變化的余地。

3.2 圍堰型式分析

本工程的保護(hù)對(duì)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(shí)工程區(qū)施工有效時(shí)段均為每年的5～10月，冬季停工期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，壩體施工時(shí)段非常短，年上升一般在30～35m左右。原設(shè)計(jì)方案考慮水文資料的變化規(guī)律及度汛問(wèn)題，采用了土石圍堰一次建成達(dá)到抵擋20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的高度，從而使拱壩施工期在圍堰保護(hù)下順利建設(shè)，封拱后再由壩體擋水。

國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明，影響圍堰選擇的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)為：（1）洪枯流量比：當(dāng)洪枯比小于20時(shí)，多用不過(guò)水圍堰法導(dǎo)流；當(dāng)洪枯比大于50以后，多用過(guò)水圍堰的導(dǎo)流方式。（2）洪枯水位變幅：當(dāng)變化幅度小于6時(shí)，多采用不過(guò)水圍堰的形式；當(dāng)變化幅度大于12以后，多采用過(guò)水圍堰導(dǎo)流法。（3）導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量：當(dāng)導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量Q < 2000m3/s時(shí)，多用不過(guò)水圍堰法導(dǎo)流；當(dāng)Q >10000m3/s時(shí)，多用過(guò)水圍堰法。本工程洪枯比>20，水位變幅<6，導(dǎo)流流量P=5%時(shí)接近2000m3/s。因此，根據(jù)大多數(shù)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可研階段采用不過(guò)水圍堰。

結(jié)合工程特性、施工時(shí)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(zhǎng)154m，同時(shí)考慮度汛風(fēng)險(xiǎn)，圍堰右側(cè)設(shè)置非常溢洪道；該方案建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，圍堰不過(guò)水，超標(biāo)洪水通過(guò)非常溢洪道下泄，40m底寬可承擔(dān)泄量159.6m3/s，消能設(shè)施復(fù)雜，需要修建至大壩基坑，施工期過(guò)水時(shí)大壩停工，淹沒(méi)基坑，且沖毀下游圍堰需要二次修建。由于模型試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，采用土石過(guò)水圍堰或非常溢洪道均比較復(fù)雜，缺少設(shè)計(jì)及試驗(yàn)周期。國(guó)內(nèi)外已建土石過(guò)水圍堰均較低，且需要采用大量的防護(hù)措施。烏江東風(fēng)水電站大壩圍堰設(shè)計(jì)堰高17.5m，堰頂長(zhǎng)度73m，過(guò)堰流量3785m3/s，最大單寬流量52.6m3/s·m，模型試驗(yàn)效果良好，工程實(shí)際過(guò)流8次，歷時(shí)220h，最大過(guò)堰流量4250m3/s，最大單寬流量57m3/s·m，最大過(guò)堰流速11.6m/s，堰頂最大水深10.3m，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)下游平臺(tái)和下游坡交接處產(chǎn)生局部破壞。本工程圍堰堰高27.7m，實(shí)施難度較大，不予考慮。

方案二：土石圍堰，按20年標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

該方案即可研階段設(shè)計(jì)方案，堰頂高程603.0m，圍堰最大高度33.7m，堰長(zhǎng)193m，該方案建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，圍堰不過(guò)水，可滿足導(dǎo)流期10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)及度汛期20年一遇洪水工況。施工簡(jiǎn)單，速度快、投資省，可充分利用開(kāi)挖石渣料筑壩，壩面采用土工膜防滲，現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡。若遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，只能通過(guò)加設(shè)1～2m高子堰抵御洪水，按照2011年預(yù)測(cè)的度汛洪水特性，仍然存在較大的漫壩及度汛風(fēng)險(xiǎn)。阿勒泰某水電站施工時(shí)，上游強(qiáng)降雨造成洪水來(lái)勢(shì)迅猛，土石圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，圍堰漫頂突然潰決，造成施工中斷，損失達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。

方案三：混凝土過(guò)水圍堰，按10年標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

該方案堰頂高程597.5m，圍堰最大高度27.7m，堰長(zhǎng)154m。同時(shí)考慮度汛風(fēng)險(xiǎn)，為降低施工難度及投資，壩后為臺(tái)階式消能工型式，施工期過(guò)水時(shí)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(shí)又利用重力壩斷面特性，解決了遭遇超過(guò)10年以上超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)堰頂溢流下泄洪水的問(wèn)題，避免圍堰潰決時(shí)對(duì)河道下游和工程本身形成大的安全隱患。常態(tài)混凝土型式施工速度慢、溫控復(fù)雜；碾壓混凝土斷面較小不適合機(jī)械化施工；自密實(shí)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(hù)，投資較高；而堆石混凝土可以充分利用石渣料，施工工藝簡(jiǎn)單，綜合單價(jià)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(kù)，壩高42.5m；恒山水庫(kù)除險(xiǎn)加固，壩高69m；均采用了堆石混凝土型式，使用效果良好。經(jīng)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(jìn)一步比選。

通過(guò)上述分析，對(duì)土石不過(guò)水圍堰（方案二）與混凝土過(guò)水圍堰（方案三）進(jìn)行了進(jìn)一步技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。成果見(jiàn)表3。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析，可研階段土石圍堰設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流P=10%、度汛P=5%，均為《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL303-2004）表3.2.6條規(guī)定的4級(jí)建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)下限；本次提出的混凝土圍堰設(shè)計(jì)方案導(dǎo)流P=10%、度汛P=5%，均為表3.2.6條規(guī)定的4級(jí)建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)上限；從洪水重現(xiàn)期角度分析，洪水標(biāo)準(zhǔn)提高了。采用混凝土圍堰，盡管投資較土石圍堰高出171.31萬(wàn)元，但具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工快速，抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，作為施工期選定方案。經(jīng)專(zhuān)家論證咨詢同意采用該方案。

3.3 施工導(dǎo)流及度汛方式的調(diào)整

脊柱損傷屬于臨床常見(jiàn)骨折,該疾病病情進(jìn)展速度較快,需要及時(shí)采取治療手段提高患者生命質(zhì)量安全。相對(duì)于常見(jiàn)脊柱內(nèi)固定手術(shù)而言,經(jīng)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(yīng)用價(jià)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(duì)經(jīng)椎弓根螺釘固定療效進(jìn)行觀察分析,具體內(nèi)容如下。

根據(jù)大壩進(jìn)度計(jì)劃，結(jié)合氣候及洪水預(yù)測(cè)，對(duì)原設(shè)計(jì)施工進(jìn)度、導(dǎo)流方案進(jìn)行調(diào)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(wàn)m3；2012年10月壩體澆筑至610.0m高程，完成壩體澆筑量14.85萬(wàn)m3；2013年10月澆筑至649.0m壩頂高程，完成壩體澆筑量14.68萬(wàn)m3；2013年10月機(jī)組具備發(fā)電條件。

表3 圍堰堰體型式對(duì)比

施工度汛時(shí)段仍為三個(gè)時(shí)段：初期圍堰擋水時(shí)段、主體工程施工期圍堰度汛和蓄水完建時(shí)段。

（1）初期圍堰擋水時(shí)段為2012年5月至2012年8月，導(dǎo)流洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇，施工導(dǎo)流由圍堰擋水，導(dǎo)流洞泄流；遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水則基坑過(guò)水。

（2）主體工程施工期壩體臨時(shí)度汛階段為2012年9月至2013年10月，當(dāng)壩體澆筑高度超過(guò)圍堰頂高程后，度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇，此時(shí)壩體度汛期壩前最高水位602.29m，超過(guò)圍堰頂高程，大壩臨時(shí)斷面擋水，導(dǎo)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(dǎo)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(jī)組具備發(fā)電條件。

3.4 漫壩風(fēng)險(xiǎn)分析

按選定方案，遇洪水標(biāo)準(zhǔn)10年一遇，圍堰正常擋水度汛。遇洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，來(lái)水1930m3/s，導(dǎo)流洞和圍堰聯(lián)合泄流，分別承擔(dān)1513.4m3/s、210.7m3/s，圍堰堰上水頭1.16m，流速1.37m/s，經(jīng)壩后臺(tái)階式斷面下泄，流速低，不會(huì)對(duì)下游造成沖刷危害。

采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）進(jìn)行圍堰擋水及過(guò)水工況的穩(wěn)定分析，抗滑、抗傾穩(wěn)定系數(shù)均符合規(guī)范要求。圍堰基礎(chǔ)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，正常水位工況及過(guò)水工況壩踵的垂直應(yīng)力大于零，壩趾的垂直應(yīng)力均小于壩基的容許壓應(yīng)力，完建工況圍堰基礎(chǔ)最大豎直向壓應(yīng)力為-0.026MPa，小于容許拉應(yīng)力值-0.1MPa。

采用過(guò)水圍堰方案時(shí)，由于大壩基坑無(wú)法保護(hù)，只能采用臨時(shí)防護(hù)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(wàn)m3，汛后采取抽排或采用堰下埋管的方式導(dǎo)至圍堰下游。下游圍堰采用堰面設(shè)置防滲塑膜及混凝土護(hù)面、鋼筋籠進(jìn)行保護(hù)。

綜合分析，結(jié)合上游水文預(yù)報(bào)，當(dāng)混凝土圍堰遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)壩頂溢流，洪水下泄至基坑，影響大壩施工，采取壩體臨時(shí)防護(hù)、下游圍堰保護(hù)等一系列防護(hù)措施后可確保施工安全。基坑過(guò)水淹沒(méi)后的處理工作量不大，對(duì)工期影響也較小。

4 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

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(kāi)始，11月6日停工進(jìn)行越冬保溫處理，4月份進(jìn)行了剩余混凝土的澆筑，施工過(guò)程中技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)，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(shí)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(yuǎn)低于其他混凝土，混凝土的絕熱溫升大幅降低，施工過(guò)程中未采取任何溫控措施，澆筑完成后未發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫，外觀質(zhì)量良好。造價(jià)也相對(duì)較低，綜合單價(jià)約280元/m3，顯著低于普通的常態(tài)混凝土。

堆石混凝土中自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度為C15，28天抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)和理論計(jì)算的范圍內(nèi)。歷經(jīng)兩個(gè)冬天考驗(yàn)，整體未發(fā)現(xiàn)有裂縫及凍融破壞，結(jié)構(gòu)完好。而且通過(guò)洪水檢驗(yàn)，圍堰具有較好的防滲性，層間接合處未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象，施工質(zhì)量控制良好。

5 結(jié)語(yǔ)

土石圍堰擁有較成熟的施工技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，但抵御超標(biāo)準(zhǔn)的洪水能力較差。堆石混凝土圍堰雖然是新技術(shù)，但是結(jié)合本工程的實(shí)際現(xiàn)狀，堆石材料較為充足，不需要另行開(kāi)挖，圍堰施工速度快，工程造價(jià)較省，并且能夠較好的應(yīng)對(duì)超標(biāo)準(zhǔn)洪水。經(jīng)過(guò)度汛檢驗(yàn)，堆石混凝土圍堰較好地解決了該工程遭遇超標(biāo)洪水時(shí)堰頂過(guò)流可能引起的潰壩問(wèn)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(jí)高級(jí)工程師。