任金明，陳煒旻，蔡建國，王永明

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

水利水電樞紐建設(shè)的先導(dǎo)工程——導(dǎo)截流和圍堰工程，無疑是樞紐的關(guān)鍵工程之一，這方面國內(nèi)外有很多成功的經(jīng)驗(yàn)和可靠的設(shè)計(jì)理論。但是，對于一些新出現(xiàn)的情況，僅依靠現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理論和經(jīng)驗(yàn)是不夠的。河流梯級開發(fā)時(shí)，一方面上游在建高壩大庫工程具有一定的調(diào)節(jié)庫容，可以部分削減下游各梯級電站水庫的施工洪水，減小下游梯級電站導(dǎo)流泄水建筑物的規(guī)模、減少工程投資以及縮短工期；另一方面，在某些情況下，若發(fā)生超標(biāo)洪水時(shí)，上游在建的高壩大庫工程出現(xiàn)潰壩或者潰堰，天然施工洪水與上游臨時(shí)潰壩或潰堰洪水疊加，將會改變下游河道的天然水文條件，對下游大壩安全建設(shè)帶來更多不確定性因素，并會對下游城鎮(zhèn)的社會、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等方面造成重大影響。因此，考慮河流梯級開發(fā)幾座水電工程同時(shí)建設(shè)條件下施工洪水的獨(dú)有特性，研究施工洪水與高壩大庫工程建設(shè)的安全、施工導(dǎo)截流及圍堰系統(tǒng)安全關(guān)系是大江大河梯級開發(fā)面臨的新課題。

1 梯級電站的施工導(dǎo)截流既往研究與實(shí)踐

1.1 梯級電站施工導(dǎo)截流問題的研究

在我國梯級水電開發(fā)程度較高的黃河上游河段，許多專家學(xué)者對梯級電站的施工導(dǎo)截流問題進(jìn)行了較深入的研究。梯級電站設(shè)計(jì)洪水方法一直是梯級電站水文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，有關(guān)專家、學(xué)者針對黃河上游河段進(jìn)行了梯級電站水庫施工洪水分析，幾十年來在黃河上游梯級電站設(shè)計(jì)中已總結(jié)出一套比較完整的設(shè)計(jì)洪水及施工洪水計(jì)算方法。此外，一些專家學(xué)者對其它江河流域的梯級電站施工導(dǎo)截流問題也有一定程度的研究。以長江梯級電站為例，有關(guān)專家、學(xué)者在三峽工程導(dǎo)截流及深水高土石圍堰研究中，對三峽工程明渠截流進(jìn)行了運(yùn)用樞紐調(diào)度減輕截流難度影響的數(shù)學(xué)模型計(jì)算。

有關(guān)梯級電站水庫群設(shè)計(jì)洪水及聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行實(shí)質(zhì)上與梯級電站的施工導(dǎo)截流問題是密切相關(guān)的，這些方面也是目前學(xué)術(shù)界和工程界研究的熱點(diǎn)之一。

1.2 上游已成水庫對施工導(dǎo)流的調(diào)蓄、削峰實(shí)踐

在擬建工程的上游有已成梯級，無疑上游的已成水庫有調(diào)蓄、削峰的控制作用。梯級開發(fā)電站樞紐所在河段上游建有水庫時(shí)，導(dǎo)流建筑物采用洪水標(biāo)準(zhǔn)按上游梯級電站水庫的影響及調(diào)蓄作用考慮，國內(nèi)外都有工程實(shí)例。從已收集到的資料來看，我國長江流域、西南諸河及黃河流域相關(guān)資料比較齊全，此外還有第二松花江干流上梯級開發(fā)電站施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及流量確定的實(shí)例。上游建有梯級水庫時(shí)，有調(diào)蓄、削峰作用。當(dāng)水庫較大時(shí)，可控制其下泄量，下游施工工程的導(dǎo)流設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)一般仍按規(guī)范規(guī)定的范圍，用同頻率的上游洪水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后的下泄量加區(qū)間流量確定。如八盤峽電站施工時(shí)，考慮了上游劉家峽水庫的調(diào)節(jié)作用。天然設(shè)計(jì)流量6 350 m3/s，校核流量7 300 m3/s，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后兩者下泄均為4 540 m3/s，在選定頻率5%的情況下，區(qū)間流量為960 m3/s，得八盤峽導(dǎo)流設(shè)計(jì)流量5 500 m3/s。但如上游水庫建在支流上，或雖在干流上，而有較大支流匯入時(shí)，干、支流的洪峰流量不能簡單地疊加。需分析干、支流洪水的成因和發(fā)生時(shí)間，根據(jù)洪峰的傳播時(shí)間考慮錯峰作用，必須嚴(yán)格控制水庫調(diào)度才能達(dá)到錯峰的目的。當(dāng)然，如果水庫調(diào)度不當(dāng)，使干、支流洪峰遭遇，可能出現(xiàn)比天然情況下更大的流量。

國外也有類似的工程實(shí)例。如前蘇聯(lián)庫爾普塞電站是納倫河上第二個(gè)梯級電站，它的上游就是具有多年調(diào)節(jié)庫容的托克托古里電站。庫爾普塞電站的施工導(dǎo)流就考慮了上游托克托古里水庫的調(diào)蓄作用，將頻率為1%的流量2 980 m3/s降低為1 800 m3/s。施工中，進(jìn)一步考慮將托克托古里水庫放空，從而把庫爾普塞電站的設(shè)計(jì)施工流量降低到1 100 m3/s，使導(dǎo)流隧洞的斷面盡可能減小，節(jié)約了大量導(dǎo)流工程投資。再如菲律賓阿格諾河上的賓加電站的施工導(dǎo)流，采用隧洞全年導(dǎo)流，考慮上游安布克勞水庫調(diào)蓄部分洪水，將導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)定為重現(xiàn)期30年洪水。加拿大馬尼夸根河梯級開發(fā)電站馬尼克3號電站在施工導(dǎo)流時(shí)，考慮了上游水庫調(diào)蓄洪水，將導(dǎo)流流量定為2 400 m3/s。又如美國華盛頓州東北角的哥倫比亞河支流龐多勒河的邦德里電站，施工導(dǎo)流期間，經(jīng)上游水庫調(diào)節(jié)，減小了洪峰流量，按實(shí)測最大流量確定導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)龐多勒河上每年發(fā)生較大洪水的特點(diǎn)，要求確定一個(gè)合適的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)以免導(dǎo)流建筑物造價(jià)過高。假如采用全年重現(xiàn)期5年或10年的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)，則需要大隧洞或高圍堰，相應(yīng)造價(jià)大幅增加。在壩址河道中僅夏季的流量有重要的影響，大于1 415 m3/s以上的洪水均發(fā)生在每年的5～7月。因此，確定導(dǎo)流流量為1 415 m3/s，以保證每年12個(gè)月中有9個(gè)月的工期，相應(yīng)確定施工計(jì)劃。根據(jù)這樣的標(biāo)準(zhǔn)選擇出了一個(gè)合理的圍堰和一條導(dǎo)流隧洞的規(guī)模以保證最經(jīng)濟(jì)的施工計(jì)劃，并安排出了一個(gè)在3年連續(xù)施工中充分利用每年9個(gè)月枯水季節(jié)的相當(dāng)嚴(yán)格的施工進(jìn)度，大大減少了工程投資。

2 梯級電站水庫調(diào)蓄對施工導(dǎo)截流的影響因素

（1）梯級電站水庫調(diào)蓄的影響與各級電站水庫的調(diào)節(jié)性能及調(diào)度方式密切相關(guān)。如：①受水庫調(diào)節(jié)和發(fā)電的影響，枯水期的來水流量較天然狀態(tài)下增加，并趨于穩(wěn)定。②受梯級電站水庫群的防洪調(diào)度影響，大洪水出現(xiàn)的幾率較天然狀態(tài)呈下降趨勢。③受電網(wǎng)內(nèi)部調(diào)峰調(diào)度的影響，流量的日變化比較大等。

梯級電站水庫調(diào)蓄對施工導(dǎo)截流的影響是多方面的，涉及因素很多。

梯級電站水庫的修建改變了天然河道的水文特性，相關(guān)的水文條件也發(fā)生了較大變化。如：①隨著各流域梯級電站水庫群的初步形成，人工駕馭洪水的能力有了進(jìn)一步的提高；②在梯級開發(fā)河流上的工程，尤其是在上游有龍頭水庫控制的情況下，施工期遭遇超標(biāo)洪水的風(fēng)險(xiǎn)要比天然河流上小得多。

（2）上游梯級對施工導(dǎo)截流的影響汛期與非汛期有很大的不同，但都包括有利與不利影響兩個(gè)方面。汛期影響的有利因素占主導(dǎo)，而非汛期的影響則不能一概而論。如：①在施工工程的上游有已建梯級電站，無疑上游的已建水庫有調(diào)蓄、削峰的控制作用。②非汛期影響的設(shè)計(jì)流量主要涉及截流、導(dǎo)流底孔設(shè)置、泄水建筑物的下閘、封堵（堵頭）施工期、水庫蓄水、防滲墻施工平臺高程等設(shè)計(jì)。

（3）下游梯級對施工導(dǎo)截流的影響主要為水位的影響，同樣包括有利與不利影響兩個(gè)方面。一方面天然河道水位抬高由此帶來的一系列問題，另一方面為下游水庫調(diào)蓄對減輕施工導(dǎo)截流難度和問題有一定的輔助作用。

回水位的影響主要涉及圍堰、截流（關(guān)系到導(dǎo)流隧洞進(jìn)口高程的確定）、圍堰防滲墻施工平臺高程確定、導(dǎo)流隧洞下閘、封堵等設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

（4）上游梯級與下游梯級電站同時(shí)在建兩工程的施工導(dǎo)截流互為影響。

3 梯級建設(shè)條件下對白鶴灘水電站導(dǎo)截流影響研究

3.1 上游電站對白鶴灘水電站施工導(dǎo)流影響的考慮

（1）汛期洪水流量——根據(jù)水文、水能分析和錦屏一級、二灘電站的泄洪能力及洪水調(diào)度方式，兩電站泄洪建筑物的泄流能力相對較大，對于汛期重現(xiàn)期100年以下洪水，水庫將不起削峰作用。只有在洪水期進(jìn)行控制調(diào)度運(yùn)行情況下，水庫才可對白鶴灘電站施工期洪水起調(diào)蓄削峰作用。從安全角度考慮，導(dǎo)流設(shè)計(jì)時(shí)不考慮上游已建電站（包括烏東德電站）對洪水調(diào)蓄的影響。

（2）枯水期的設(shè)計(jì)流量——考慮到截流和下閘時(shí)間均很短，截流和下閘設(shè)計(jì)時(shí)均不考慮上游桐子林、觀音巖電站機(jī)組發(fā)電影響（但截流戧堤頂高程確定需考慮其影響），采用天然情況設(shè)計(jì)流量；水庫蓄水情況雖然時(shí)間較長，但考慮上游桐子林、觀音巖電站機(jī)組發(fā)電的影響情況較為復(fù)雜，也采用天然情況設(shè)計(jì)流量。封堵（堵頭）施工及防滲墻施工時(shí)間長，以及導(dǎo)流底孔的設(shè)置，設(shè)計(jì)流量考慮受上游桐子林、觀音巖電站機(jī)組滿發(fā)流量的影響，為安全計(jì)，按最不利情況桐子林、觀音巖電站機(jī)組同時(shí)滿發(fā)超24 h考慮。

3.2 下游電站回水對白鶴灘水電站施工導(dǎo)流影響的考慮

溪洛渡電站庫區(qū)回水位的影響主要涉及白鶴灘電站圍堰、截流（關(guān)系到導(dǎo)流隧洞進(jìn)口高程的確定）、圍堰防滲墻施工平臺高程確定、導(dǎo)流隧洞下閘、封堵等設(shè)計(jì)項(xiàng)目，上述的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，除截流設(shè)計(jì)外均按考慮回水位的影響設(shè)計(jì)。

4 梯級電站水庫調(diào)蓄下導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)的選擇

4.1 梯級電站水庫調(diào)蓄下的施工洪水分折

為減小設(shè)計(jì)工程的施工導(dǎo)流流量，要求上游水庫在發(fā)生與施工導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的洪水時(shí)控制下泄流量，一般根據(jù)施工要求和上游水庫的調(diào)蓄能力，擬定幾個(gè)水庫下泄流量方案，通過比較來選定合理的方案，由此確定設(shè)計(jì)工程的施工設(shè)計(jì)洪水和相應(yīng)的上游水庫在設(shè)計(jì)工程施工導(dǎo)流期間的運(yùn)行調(diào)度方式。降低上游水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)。降低上游水庫的汛限水位。水庫防洪調(diào)度原則造成上游水庫提前蓄水，多占用防洪庫容，從而降低水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)，使水庫承擔(dān)的防洪風(fēng)險(xiǎn)增加。

（1）在梯級水庫既定的調(diào)度原則下，分析水庫調(diào)蓄對施工洪水的影響。選取的導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)不僅要研究河流洪水特性及干支流洪水的組合規(guī)律，還需研究水庫的調(diào)度運(yùn)行方式，使上、下游梯級工程相協(xié)調(diào)，并使整個(gè)梯級水庫群防洪系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)最小。

（2）加大其防洪庫容，用以削減中小洪水的下泄流量。降低上游水庫的汛限水位，加大其防洪庫容，用以削減中小洪水的下泄流量，是減少水庫下游工程施工洪水的有效途徑之一。但是，由于占用了部分興利庫容，將造成梯級電能的損失，需要通過經(jīng)濟(jì)比較來論證方案的合理性。

（3）減少上游水庫的中小洪水泄量，加大大洪水時(shí)的敞泄流量。在保證上游水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不變的前提下，減少中小洪水下泄流量，加大大洪水時(shí)的敞泄流量來滿足下游工程的施工要求。采用這一方案時(shí)，應(yīng)充分注意到各梯級電站水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)、泄流能力及下游防洪要求等的相互協(xié)調(diào)關(guān)系。

（4）對于梯級電站水庫，特別是設(shè)計(jì)水庫上游建有防洪標(biāo)準(zhǔn)較高、防洪庫容較大的水庫，是否可短期內(nèi)降低上游水庫的防洪標(biāo)準(zhǔn)，利用其一部分防洪庫容削減下游設(shè)計(jì)工程的施工洪水，在做技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的同時(shí)應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，以確定短期內(nèi)所能接受的風(fēng)險(xiǎn)，為最終決策提供依據(jù)。

（5）洪水傳播時(shí)間的影響因素：洪水傳播時(shí)間是指一場洪水的某一特征值（一般是洪峰流量）在某一河段上下站出現(xiàn)的時(shí)間差。準(zhǔn)確地掌握或預(yù)報(bào)洪峰傳播時(shí)間對做好防洪減災(zāi)工作至關(guān)重要。

所謂洪水內(nèi)部因素，主要是洪水流量的量級、洪水過程以及洪水的含沙量。洪水量級的大小主要是影響過水?dāng)嗝婷娣e和水深，從而改變影響水流的外部條件。洪水含沙量不同主要是影響水流自身的密度，從而影響流速。

4.2 幾個(gè)問題的討論

4.2.1 調(diào)蓄作用考慮與否問題

（1）梯級電站水庫的施工洪水問題，不僅要研究河流洪水特性及干支流洪水的組合規(guī)律，還需研究水庫的調(diào)度運(yùn)行方式，并通過經(jīng)濟(jì)比較和風(fēng)險(xiǎn)分析，合理確定水庫下游擬建工程的施工洪水及上游水庫的最優(yōu)運(yùn)用方式。

（2）合理削減水庫下游的中小洪水，不僅可以減少下游擬建工程的施工導(dǎo)流流量，還可以減少水庫淹沒損失，進(jìn)一步降低工程造價(jià)，縮短工期，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）若壩址天然和受調(diào)洪影響的洪水成果相差不大，設(shè)計(jì)洪水可直接采用天然設(shè)計(jì)洪水成果。

因此應(yīng)適度考慮上游水庫的調(diào)蓄作用。

4.2.2 汛期施工洪水設(shè)計(jì)流量問題

擬建工程在汛期內(nèi)某種頻率下的設(shè)計(jì)流量，由上游水庫同頻率下的泄流量和同頻率下的區(qū)間流量兩部分組成。二者的疊加要進(jìn)行分析論證：

（1）當(dāng)上游水庫和區(qū)間不屬于同一暴雨中心時(shí)，區(qū)間流量可取汛期的多年平均最大月（或旬）流量。

（2）當(dāng)上游水庫距擬建工程較近，且屬于同一暴雨中心時(shí)，二者應(yīng)進(jìn)行洪峰疊加。

（3）當(dāng)上游水庫的調(diào)節(jié)庫容較大，且有條件和區(qū)間洪水錯峰時(shí)，區(qū)間應(yīng)取汛期常遇洪水流量和上游水庫的下泄流量疊加。

4.2.3 截流的設(shè)計(jì)流量問題

當(dāng)上游已有電站距擬建工程較近，且區(qū)間無較大的支流時(shí)，建議截流設(shè)計(jì)流量按3個(gè)時(shí)段控制。初期進(jìn)占設(shè)計(jì)流量取時(shí)段內(nèi)多年平均最大流量；合龍流量取和上游電站協(xié)商好的流量。如果在關(guān)機(jī)的情況下，要計(jì)入適量的河槽滲流量和區(qū)間支流來水量；合龍后，防滲墻施工期戧堤的擋水流量應(yīng)取時(shí)段內(nèi)最大可能的發(fā)電流量與某種標(biāo)準(zhǔn)下的區(qū)間流量之和。

4.2.4 下游水庫協(xié)助上游梯級施工期蓄水

當(dāng)水庫初期蓄水時(shí)的下泄流量不能滿足下游綜合用水要求時(shí)，應(yīng)提出臨時(shí)供水措施（如下游水庫的調(diào)蓄等）。

4.2.5 流冰河道梯級電站下游有水庫壅水的排冰

在條件允許時(shí)，開河前夕，下游水庫加大下泄量，將有利于上游梯級順利地度過凌汛。

5 結(jié)語

施工導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)與大壩施工期的安全息息相關(guān)，其本質(zhì)上是防洪安全與經(jīng)濟(jì)之間的權(quán)衡，施工導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)的選取既不能過度，也不能失度，除應(yīng)與工程規(guī)模相適應(yīng)，還應(yīng)妥善解決好安全與經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境之間的矛盾。梯級的導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)選擇應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）對于大型水電工程，在考慮梯級電站水庫調(diào)蓄作用時(shí)，應(yīng)突出安全要求，綜合分析各種有利及不利因素，樹立風(fēng)險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)管理的觀念。

（2）遵循現(xiàn)行DL/T5397-2007《水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》或SL303-2004《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》對梯級電站施工導(dǎo)流方面的有關(guān)規(guī)定。

（3）選取的導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)與上下游梯級工程相協(xié)調(diào)，并使整個(gè)梯級電站水庫群防洪系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)最小。

（4）位于梯級開發(fā)河流上的施工洪水設(shè)計(jì)流量選擇，在一定程度上屬洪水管理范疇，應(yīng)實(shí)施從施工洪水控制到施工洪水管理的觀念轉(zhuǎn)移，需要針對具體情況按工程需要分析論證。

（5）梯級電站導(dǎo)流建筑物的布置及設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水文特性的改變、梯級電站運(yùn)行等因素。

[1]熊炳煊.梯級電站水庫施工洪水分析[J].水電能源科學(xué),1991,9(1):70-74.

[2]熊炳煊,董德蘭.龍羊峽-劉家峽河段梯級電站水庫施工洪水分析[J].水文,1987,(6)：12-16.

[3]楊百銀.黃河上游梯級電站施工洪水優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討-以黃河公伯峽水電站施工洪水優(yōu)化設(shè)計(jì)為例[J].水文,2004,24(1):22-27.

[4]楊百銀.黃河公伯峽水電站施工洪水優(yōu)化方法[J].西北水電,2005,(1):11-14.

[5]曹光明,洪鏑.梯級電站徑流調(diào)節(jié)對下游在建電站工程導(dǎo)截流的影響[J].西北水力發(fā)電,2002,18(3):21-23.

[6]謝小平,石四存,姚福海.公伯峽水電站施工期設(shè)計(jì)洪水流量的合理選擇[J].水力發(fā)電,2002,(8):26-29.

[7]長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,長江水利委員會網(wǎng)信中心.國內(nèi)外大型水電工程導(dǎo)截流標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例選編[M].2010.

[8]任金明,蔡建國,胡志根，等.下游水庫對上游梯級電站施工導(dǎo)截流的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2011,44(3):331-334.