布尔津山口水电站围堰型式选择与风险分析

李 江王 健

（1. 新疆水利水电规划设计管理局 新疆乌鲁木齐市 830000 2. 新疆水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐市 830000)

布尔津山口水电站围堰型式选择与风险分析

李 江1王 健2

（1. 新疆水利水电规划设计管理局 新疆乌鲁木齐市 830000 2. 新疆水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐市 830000)

布尔津山口水电站围堰可研审查确定为土石围堰，施工期根据当地气候特点、洪水预测及大坝度汛风险，对土石围堰、混凝土围堰进行了专题比选，对挡水围堰型式、过水围堰型式进行了分析研究。堆石混凝土围堰可充分利用开挖洞渣料，围堰施工速度快，并且能够较好的应对超标准洪水，过水也是安全的。经过度汛检验，较好地解决了该工程遭遇超标洪水时堰顶过流可能引起的溃坝问题，取得了较好的效果，达到了预期目标。

拱坝 土石围堰 堆石混凝土 型式比选 风险

1 工程概况

布尔津山口水电站工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，具有供水、发电等综合效益。坝址区地震基本烈度为Ⅶ度。水库正常蓄水位646.0m，总库容2.22亿m3，主坝最大坝高94m。电站装机220MW，多年平均发电量6.64亿kW·h，保证出力14.4MW。

山口电站主要由常态混凝土拱坝、开敞式溢洪道、放水深孔、引水式岸边厂房等组成。发电引水系统采用一管四机布置型式，电站布置两台单机80MW和两台单机30MW的水轮发电机组。

布尔津河径流补给是以季节性积雪的融雪水为主，夏季降雨补给为辅，并有少量冰川融水，冬季主要靠地下水补给，径流年际变化不大。工程区气候干燥，四季中春秋两季短。主要气候特征为：气温低，少酷暑，多严寒，冷暖悬殊，气温年差较大，日差较明显。

根据布尔津气象站1961年～2007年的气象资料统计：工程所处地区多年平均气温为5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃，多年平均降水量为153.4mm， 多年平均蒸发量为1619.5mm，多年平均风速3.7 m/s，极端最大风速32.1m/s，最大积雪深46cm，最大冻土深127cm。月平均气温要素见表1。

表1 历年月平均气温要素统计表（℃）

2 可研阶段施工导流及度汛

2.1 导流时段

根据工程施工总进度计划，施工总工期为4.5年，在整个施工期内，坝体共经历三个汛期。综合考虑枢纽水文、气象条件、度汛标准、大坝混凝土浇筑强度等因素，大坝施工导流及坝体施工期临时度汛采用围堰及坝体临时断面挡水、导流洞泄洪方式。1

大坝施工导流、度汛时段可划分为：初期围堰挡水时段、主体工程施工期围堰度汛和蓄水完建时段三个阶段。(1)初期围堰挡水时段为第三年5月至第四年8月，导流洪水标准采用10年一遇，施工导流由围堰挡水，导流洞泄流；(2)主体工程施工期坝体临时度汛阶段为第四年8月至第五年10月，当坝体浇筑高度超过围堰顶高程后，度汛洪水标准采用20年一遇，此时坝体度汛期坝前最高水位602.29m，仍然由围堰断面挡水，导流洞泄流；围堰设计按施工度汛高程一次建成，即达到604.0m高程。(3)第五年10月至年底为蓄水完建阶段，围堰拆除，导流洞下闸封堵，由坝体挡水，深孔泄流。

2.2 导流及度汛标准

本工程属大（2）型Ⅱ等工程，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）导流建筑物级别划分相关规定，导流洞及上下游围堰为4级。

考虑当地气候条件，施工时段主要为4月至10月，而汛期为5月至8月，根据坝址区气象及水文条件，经分析，一个枯水期内永久建筑物不能修筑至汛期洪水位以上，因此考虑围堰采用全年挡水，导流建筑物（围堰）类型为土石结构。

由于本工程河段已经有了51年的实测资料，且进行了历史洪水调查，施工导流期洪水标准采用下限值是可行的，因此该工程导流设计洪水标准采用P=10%（10年一遇）的全年洪水，相应洪峰流量为1594m3/s。

根据施工总进度安排，本工程第四年8月坝体浇筑高程将超过挡水围堰604.0m高程，且坝前拦洪库容为0.215亿m3，根据相关规定，综合分析大坝初期导流标准、施工进度、度汛期对施工的影响及大坝安全施工等各种因素，第四年8月以后坝体施工期临时度汛标准采用P=5%，相应洪峰流量为1930m3/s。由此确定围堰按20年一遇洪水标准修建，满足导流、度汛的要求，使大坝一直在围堰保护下正常施工。

导流洞封堵时段确定为第五年汛末，下闸封堵设计流量采用9月下旬10年一遇月平均流量，相应流量141.7m3/s。封堵时段设计标准采用9月至次年4月期间10年一遇，相应洪峰流量为474m3/s。导流度汛特性见表2。

表2 常态混凝土拱坝方案导流度汛特性表（可研阶段）

2.3 导流方式

上坝址主河道呈“V”型河谷，主河床比较狭窄，河道呈转弯状，便于布置导流洞，所以推荐方案施工导流采用河床一次断流，上下游围堰挡水，左岸导流隧洞全年导流的方式。导流洞后期封堵。

2009年工程开工建设，2010年7月导流洞工程全部贯通，按计划2010年8～9月择机实现截流，2011年5月进入度汛期，2013年10月主体工程完工，机组具备发电条件。

3 施工期围堰型式变更

3.1 导流工程实施现状及变更缘由

2009年底～2010年初导流洞工程建设期间，当地遭受60年不遇的大雪，5～6月汛期，该河上游各支流水文站点实测最大洪峰流量为1950m3/s，达到P=5%（20年一遇，1930m3/s），更是超过原设计洪水标准P=10%(10年一遇)的洪峰流量。根据当年汛期水文资料统计结合有关部门对2011年洪水的预测分析，2011年围堰第一个挡水年份可能会遭遇超标准洪水，若遇强降雨及气温回升过早，围堰可能会面临更大的洪水，需要认真研究度汛方案。由于围堰还未实施，存在调整变化的余地。

3.2 围堰型式分析

本工程的保护对象是施工期的拱坝，由于受封拱灌浆的影响，一般不希望施工期由拱坝挡水度汛，同时工程区施工有效时段均为每年的5～10月，冬季停工期长达6个月，坝体施工时段非常短，年上升一般在30～35m左右。原设计方案考虑水文资料的变化规律及度汛问题，采用了土石围堰一次建成达到抵挡20年一遇洪水标准的高度，从而使拱坝施工期在围堰保护下顺利建设，封拱后再由坝体挡水。

国内外经验表明，影响围堰选择的几项主要技术指标为：（1）洪枯流量比：当洪枯比小于20时，多用不过水围堰法导流；当洪枯比大于50以后，多用过水围堰的导流方式。（2）洪枯水位变幅：当变化幅度小于6时，多采用不过水围堰的形式；当变化幅度大于12以后，多采用过水围堰导流法。（3）导流设计流量：当导流设计流量Q < 2000m3/s时，多用不过水围堰法导流；当Q >10000m3/s时，多用过水围堰法。本工程洪枯比>20，水位变幅<6，导流流量P=5%时接近2000m3/s。因此，根据大多数工程的实践经验可研阶段采用不过水围堰。

结合工程特性、施工时段及2011年度汛的要求，考虑了几种可能方案。

该方案堰顶高程597.5m，围堰最大高度27.7m，堰长154m，同时考虑度汛风险，围堰右侧设置非常溢洪道；该方案建设标准较低，围堰不过水，超标洪水通过非常溢洪道下泄，40m底宽可承担泄量159.6m3/s，消能设施复杂，需要修建至大坝基坑，施工期过水时大坝停工，淹没基坑，且冲毁下游围堰需要二次修建。由于模型试验周期较长，采用土石过水围堰或非常溢洪道均比较复杂，缺少设计及试验周期。国内外已建土石过水围堰均较低，且需要采用大量的防护措施。乌江东风水电站大坝围堰设计堰高17.5m，堰顶长度73m，过堰流量3785m3/s，最大单宽流量52.6m3/s·m，模型试验效果良好，工程实际过流8次，历时220h，最大过堰流量4250m3/s，最大单宽流量57m3/s·m，最大过堰流速11.6m/s，堰顶最大水深10.3m，运行后发现下游平台和下游坡交接处产生局部破坏。本工程围堰堰高27.7m，实施难度较大，不予考虑。

方案二：土石围堰，按20年标准建设

该方案即可研阶段设计方案，堰顶高程603.0m，围堰最大高度33.7m，堰长193m，该方案建设标准较高，围堰不过水，可满足导流期10年一遇洪水标准及度汛期20年一遇洪水工况。施工简单，速度快、投资省，可充分利用开挖石渣料筑坝，坝面采用土工膜防渗，现浇混凝土板护坡。若遭遇超标准洪水，只能通过加设1～2m高子堰抵御洪水，按照2011年预测的度汛洪水特性，仍然存在较大的漫坝及度汛风险。阿勒泰某水电站施工时，上游强降雨造成洪水来势迅猛，土石围堰遭遇超标准洪水，围堰漫顶突然溃决，造成施工中断，损失达数百万元。

方案三：混凝土过水围堰，按10年标准建设

该方案堰顶高程597.5m，围堰最大高度27.7m，堰长154m。同时考虑度汛风险，为降低施工难度及投资，坝后为台阶式消能工型式，施工期过水时基坑停止施工。该方案正常情况可以抵御10年一遇洪水，同时又利用重力坝断面特性，解决了遭遇超过10年以上超标准洪水时堰顶溢流下泄洪水的问题，避免围堰溃决时对河道下游和工程本身形成大的安全隐患。常态混凝土型式施工速度慢、温控复杂；碾压混凝土断面较小不适合机械化施工；自密实混凝土成本较高；胶凝砂砾石筑坝速度较快，但坡面为满足防冲要求，增加混凝土防护，投资较高；而堆石混凝土可以充分利用石渣料，施工工艺简单，综合单价较低，施工效率高，工期短。山西晋城围滩水电站工程，坝高59m；山西临汾清峪水库，坝高42.5m；恒山水库除险加固，坝高69m；均采用了堆石混凝土型式，使用效果良好。经综合比选考虑，采用堆石混凝土作为混凝土围堰的代表参与进一步比选。

通过上述分析，对土石不过水围堰（方案二）与混凝土过水围堰（方案三）进行了进一步技术经济比选。成果见表3。

经技术经济综合分析，可研阶段土石围堰设计方案导流P=10%、度汛P=5%，均为《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303-2004）表3.2.6条规定的4级建筑物洪水标准下限；本次提出的混凝土围堰设计方案导流P=10%、度汛P=5%，均为表3.2.6条规定的4级建筑物洪水标准上限；从洪水重现期角度分析，洪水标准提高了。采用混凝土围堰，尽管投资较土石围堰高出171.31万元，但具有结构简单、施工快速，抵御超标准洪水能力强的优势，作为施工期选定方案。经专家论证咨询同意采用该方案。

3.3 施工导流及度汛方式的调整

脊柱损伤属于临床常见骨折,该疾病病情进展速度较快,需要及时采取治疗手段提高患者生命质量安全。相对于常见脊柱内固定手术而言,经椎弓根螺钉固定治疗效果更加显著,其在脊柱损伤疾病中具有一定的应用价值。本文主要选取本院2015年6月至2017年12月收治的72例脊柱损伤患者为研究案例,对经椎弓根螺钉固定疗效进行观察分析,具体内容如下。

根据大坝进度计划，结合气候及洪水预测，对原设计施工进度、导流方案进行调整。确定2011年8月下旬截流，至2011年年底，坝体浇筑至570.0m高程，完成坝体浇筑量4.74万m3；2012年10月坝体浇筑至610.0m高程，完成坝体浇筑量14.85万m3；2013年10月浇筑至649.0m坝顶高程，完成坝体浇筑量14.68万m3；2013年10月机组具备发电条件。

表3 围堰堰体型式对比

施工度汛时段仍为三个时段：初期围堰挡水时段、主体工程施工期围堰度汛和蓄水完建时段。

（1）初期围堰挡水时段为2012年5月至2012年8月，导流洪水标准采用10年一遇，施工导流由围堰挡水，导流洞泄流；遇超标准洪水则基坑过水。

（2）主体工程施工期坝体临时度汛阶段为2012年9月至2013年10月，当坝体浇筑高度超过围堰顶高程后，度汛洪水标准采用20年一遇，此时坝体度汛期坝前最高水位602.29m，超过围堰顶高程，大坝临时断面挡水，导流洞泄流。

（3）2013年10月至2013年12月底为蓄水完建阶段，围堰拆除，导流洞下闸封堵，由坝体挡水，深孔泄流。初步确定10月份下闸封堵，2013年10月底机组具备发电条件。

3.4 漫坝风险分析

按选定方案，遇洪水标准10年一遇，围堰正常挡水度汛。遇洪水标准20年一遇，来水1930m3/s，导流洞和围堰联合泄流，分别承担1513.4m3/s、210.7m3/s，围堰堰上水头1.16m，流速1.37m/s，经坝后台阶式断面下泄，流速低，不会对下游造成冲刷危害。

采用《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）进行围堰挡水及过水工况的稳定分析，抗滑、抗倾稳定系数均符合规范要求。围堰基础应力计算结果表明，正常水位工况及过水工况坝踵的垂直应力大于零，坝趾的垂直应力均小于坝基的容许压应力，完建工况围堰基础最大竖直向压应力为-0.026MPa，小于容许拉应力值-0.1MPa。

采用过水围堰方案时，由于大坝基坑无法保护，只能采用临时防护措施，初步估算，大坝基坑在上下游围堰之间形成水塘，估算水量为13万m3，汛后采取抽排或采用堰下埋管的方式导至围堰下游。下游围堰采用堰面设置防渗塑膜及混凝土护面、钢筋笼进行保护。

综合分析，结合上游水文预报，当混凝土围堰遭遇超标准洪水时坝顶溢流，洪水下泄至基坑，影响大坝施工，采取坝体临时防护、下游围堰保护等一系列防护措施后可确保施工安全。基坑过水淹没后的处理工作量不大，对工期影响也较小。

4 应用效果评价

山口水电站围堰采用堆石混凝土后，施工自9月初截流后开始，11月6日停工进行越冬保温处理，4月份进行了剩余混凝土的浇筑，施工过程中技术人员进行指导，每日完成的堆石混凝土浇筑量在700～1000m3，平均月浇筑量在15000 m3以上。自密实混凝土单方水泥用量为160kg/m3，水胶比为0.3，单方堆石混凝土的水泥用量为72kg/m3，单方混凝土水泥用量远低于其他混凝土，混凝土的绝热温升大幅降低，施工过程中未采取任何温控措施，浇筑完成后未发现混凝土裂缝，外观质量良好。造价也相对较低，综合单价约280元/m3，显著低于普通的常态混凝土。

堆石混凝土中自密实混凝土的强度为C15，28天抗压强度取样60组，最小值18MPa，最大值25.2MPa，均值20.6MPa，合格率100%，钻孔取芯和压水试验结果表明，各项指标均在设计和理论计算的范围内。历经两个冬天考验，整体未发现有裂缝及冻融破坏，结构完好。而且通过洪水检验，围堰具有较好的防渗性，层间接合处未发现渗水现象，施工质量控制良好。

5 结语

土石围堰拥有较成熟的施工技术与经验，但抵御超标准的洪水能力较差。堆石混凝土围堰虽然是新技术，但是结合本工程的实际现状，堆石材料较为充足，不需要另行开挖，围堰施工速度快，工程造价较省，并且能够较好的应对超标准洪水。经过度汛检验，堆石混凝土围堰较好地解决了该工程遭遇超标洪水时堰顶过流可能引起的溃坝问题。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.023

TV5

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1672-2469（2014）08-0073-04

李 江（1971年—），男，教授级高级工程师。