落久水利枢纽主坝上游围堰自溃设计与实践

丁志坚

(广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545005)

1 基本情况

落久水利枢纽工程位于广西柳州市融水苗族自治县境内的贝江下游，水库总库容3.46亿m3，为大(2)型水利工程，工程任务为以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电和航运等综合利用。

贝江是柳江干流融江河段的支流之一，发源于黔桂交界的九万大山，全流域集雨面积1790km2。贝江流域是广西著名的暴雨中心区之一，实测24小时最大雨量779.1mm，创广西最高纪录；7天雨量1689.4mm，居全国第2位。根据坝址上游7.42km处的勾滩水文站历年实测资料统计，贝江洪水多为单峰型，洪量主要集中在1～3d内。

落久工程的主要建筑物拦河主坝为碾压混凝土重力坝，坝顶长度317.9m，最大坝高59.8m，目前正在建设中。

2 主坝施工导流设计方案

2.1 导流方式及标准

工程施工采用一期围堰，左岸隧洞导流。上、下游均采用土石围堰，按4级临时建筑物设计。导流时段9月1日—次年4月30日，洪水标准为10年一遇，相应的洪峰流量为1270m3/s。

2.2 导流建筑物设计

工程的导流建筑物有导流隧洞、上游横向土石围堰、下游横向土石围堰等。为方便说明，本文提到的围堰，除注明外，均指上游围堰。

导流隧洞位于枢纽主坝上游左岸约150m处，城门形断面，洞宽6.50m，洞高9.00m。

上游围堰顶高程132.21m，顶宽7.0m，顶长202.05m，最大堰高24.21m。下游围堰顶高程为114.80m，顶宽7.0m，顶长150m，最大堰高6.8m。

根据设计的施工进度方案，工程总工期为40个月。主坝区截流安排在第1年9月下旬，第1年11月开始碾压混凝土。计划第2年4月底之前坝体全面碾压至118m高程，然后将上游围堰部分拆除，利用坝体过水+导流洞联合泄洪度过第一个汛期。在第一汛期(第2年5月至8月)内不安排施工。第2年9月开始恢复施工，在第二汛期前将坝体及厂房已抢至了144.00m高程。这时，汛期对施工的影响不大，可根据气候情况相机进行施工。

3 主坝上游围堰防洪度汛

工程于2016年10月28日截流，最终形成的围堰为：上游围堰主要用两岸坝基开挖出来的风化砂岩或泥岩料填筑，粘土心墙防渗。围堰顶高程132.21m，顶宽10m，顶长202.05m；迎水面边坡：118.31m高程以下为1∶2.5，118.31m高程以上为1∶2，背水面边坡为1∶2；心墙顶高程131m，顶宽4m，上下游坡1∶0.2，最低底高程108m；为了防止在施工期可能出现的超标准洪水漫堰淘刷堰脚，给施工人员、设备以及下游村屯有一定的撤出时间，围堰背水面坡用钢筋石笼进行护坡。钢筋石笼布置在围堰中部，宽70m，厚1m，从坡脚一直铺到125m高程。后为施工机械上堰方便，在围堰背水面设戗道，戗道上的钢筋石笼改为C15混凝土面板厚0.3m。

下游围堰全部用两岸坝基开挖出来的风化砂岩或泥岩料填筑，堰顶高程为115.00～116.00m，顶宽13～28m，堰顶长约155m。

由于种种原因，大坝的施工进度滞后严重。到5月初，河床中大坝5#～8#坝块仅碾压到110m高程，左岸3#～4#和右岸9#～10#坝块仅碾压到114m高程，都远未到达原设计要求的整体碾压到118m高程。同时，为保护碾压混凝土坝体的施工，上游围堰还无法拆除，堰顶仍保持在132.21m高程。但贝江5月已进入主汛期，堰前水位基本保持在120m高程以上，在上游围堰前形成一个库容1200万m3以上，最大总库容可达4271万m3的中型水库。如何处置上游围堰，成了本工程防洪度汛必需解决的主要问题。

3.1 对上游的影响

按原设计，第一个汛期为坝体(顶高程118m)过水+导流洞联合泄洪。上游库区的征地和移民安置工作亦是按此标准推算出的回水线来控制。因此，围堰不拆除，将会淹没上游尚未搬迁的村屯和土地，造成新的社会问题，甚至会影响本工程征地和移民安置工作的进一步推进。

3.2 对下游的影响

围堰设计标准为枯水期10年一遇洪水，洪峰流量1270m3/s，远小于贝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，围堰在汛期遭洪水漫顶的可能性非常大，而土石围堰一旦遭洪水漫顶就有可能造成溃坝。由于本工程上游围堰最大堰高24.21m，围堰上游总库容4271万m3，一旦溃坝，瞬时洪水将会对下游沿河的长赖、落久等村屯以及江门电站造成巨大的损失。

4 围堰防洪度汛方案

主坝上游围堰防洪度汛方案的设计目的是为解决上述问题，使工程能够安全度汛，保证上、下游人民群众生命财产的安全。经多方案的比较，最终选定人工拆除与围堰自溃相结合的方案。该方案是通过河道溃坝计算，确定在洪峰到来之前，围堰必须拆除的高度，使剩余围堰被洪水冲溃时所产生的最大溃坝洪水流量不会对下游河道和村屯造成严重的影响。同时，解决上游回水的淹没问题。

4.1 溃坝计算成果

为分析主坝围堰溃坝对下游的影响，利用经验公式进行数值计算，并根据计算结果对围堰的处理提出意见和建议。

4.1.1 坝址断面处瞬间溃坝最大流量

为安全计，假定围堰发生瞬时全溃，以此计算最大流量。计算采用里特尔公式，不同堰顶高程的条件下瞬间全溃溃坝最大流量成果见表1，计算公式如下：

(1)

式中，B—溃坝时坝前水面宽度或坝顶长度，m；H0—溃坝前坝址上游水深，m；QM—瞬时横向一溃到底的最大流量，m3/s。

4.1.2 各断面最大流量及相应水位

要评估围堰溃坝洪水对下游的影响，必须做洪水演进分析，计算出各代表断面的溃坝洪水。下游沿河各村屯房屋最低和房屋集中区高程见表1。江门水电站是贝江流域的最后一个梯级，以发电为主，位于落久坝址下游约13km，属低水头径流式水电站，其闸坝最大泄流能力为7510m3/s。

计算采《水力计算手册》(第二版)推荐的经验公式，成果见表1。

(2)

式中，QLM—当溃坝最大流量演进至距坝址为L处时，在该处出现的最大流量，m3/s；W—溃坝时蓄水量，万m3；QM—坝址处的溃坝最大流量，m3/s；L—距坝址的距离，m；V—河道洪水期断面最大平均流速，m/s；K—经验系数；VK—按黄河水利委员会水利科学研究院的资料，对于半山区河道，取值为4.76。

4.1.3 围堰溃坝对下游防护对象的影响分析

由表1可以看出：当堰顶高程高为132.21m时发生溃坝，溃坝洪水演进至江门水电站时，将超过该电站闸坝的最大泄流量，威胁该电站人员和设施的安全。同时，下游各村屯的房屋集中区均被淹没；当堰顶高程高为128m时发生溃坝，溃坝洪水将淹没下游大部分村屯的房屋集中区，但已能通过江门电站的溢流闸坝。

当堰顶高程等于125m时发生溃坝，溃坝洪水仅对下游的部分村屯地面高程较低的少量房屋有影响，对房屋集中区和江门电站基本无影响。

表1 围堰溃坝计算成果表(瞬时全溃)

当堰顶高程等于或低于122m时发生溃坝，溃坝洪水对下游村屯的影响较小。

4.2 设计方案

4.2.1 设计需要考虑的问题

(1)4月下旬后，围堰上游水位保持在120m高程以上，人工完全拆除围堰已无可能。

(2)施工单位的施工能力和施工安全。

(3)以河道溃坝理论计算成果为依据，同时也要考虑土石围堰的溃坝机制一般为瞬时局部溃坝的特点。

(4)尽量使自溃口控制在河槽中间，以减小溃坝洪水对基坑两岸边坡的冲刷破坏。

(5)通过采取必要的措施，尽量延长溃坝时间，减小溃坝最大流量，使溃坝洪水对下游的危害最小，保证下游村屯和江门水电站的安全。

4.2.2 采用方案

经多方案比较，最终采用的方案是配合气象洪水预报，至少将上游围堰人工拆除到125m高程；在围堰顶中部设置引冲槽，以控制自溃口的位置。引冲槽的宽度按河槽底宽(约70m)的1/5取值为15m，槽深要求尽量深挖，以不影响施工安全为标准。同时，在下游围堰顶部中央开挖5m宽左右的缺口，既可在基坑内形成一定的水垫，也可控制下游围堰的溃坝位置。

在洪水到来之前，围堰拆除施工的实际形象为上游围堰全面开挖拆除至125.00m高程，顶宽约50m。围堰顶中部预留引冲槽底宽15m，槽底高程123m，开挖边坡1∶1。上游围堰背水面坡保留已铺设的1m厚钢筋石笼，总宽度70m至坡底，坡上的施工戗道铺有C15混凝土面板，厚0.3m；下游围堰顶高115.00～116.00m，预留缺口底高程111.50m，底宽5m，开挖边坡1∶1。

5 围堰过洪及自溃过程

围堰按设计方案施工后，在自溃之前过了两次水，为我们提供了较好的观测围堰自溃的机会。如图1—5所示。围堰第一次过水情况见表2，第二次过水情况见表3。由此得出以下结论：

(1)6月16日，引冲槽过洪历时约6小时10分，最大过洪水深约0.7m，最大单宽流量约1m3/s/m。

表2 围堰第一次过洪情况表

表3 围堰第二次过洪情况

图1 围堰过水情况1

图2 围堰过水情况2

图3 围堰过水情况3

图4 围堰过水情况4

图5 围堰过水后最终状态

过洪后，检查发现引冲槽并没有被冲刷扩大，仅在围堰下游坡脚有很少一部分钢筋石笼被冲毁，过洪没有对围堰整体造成损害。

(2)围堰的自溃先从引冲槽控制的缺口开始垂向局部溃坝，然后再向两侧横向延伸。从6月28日现场观测记录看，10∶40～13∶30为淘刷过程，历时约3小时。围堰从10∶40开始过水，12∶00开始出现明显淘刷，13∶30开始局部溃决；13∶30～14∶00为围堰垂向溃决过程，历时约30分钟；14∶00～16∶30为围堰溃口向横向延伸过程，延伸速度最快约为0.46m/分，平均延伸速度约为0.28m/分，历时约2小时30分钟。围堰最终溃决为宽约100m的缺口。

(3)溃坝流量受到缺口宽度的控制。我们通过缺口宽度估算和下游断面水位流量关系查算，估算出本次最大的流量为1700～2000m3/s，约为理论计算量(瞬间全溃)的1/5，小于贝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，本次围堰自溃拆除未对基坑已浇筑的坝块和两岸的边坡造成影响，也未给下游村屯和江门电站造成损失。

(4)钢筋石笼对延长坡脚的淘刷时间有很大的作用，但在围堰溃口向横向延伸过程，钢筋石笼起的作用并不大。

(5)本次围堰自溃过程与设计的设想基本吻合，上游围堰冲毁约100m，下游围堰完全冲毁，河道已大致恢复天然状态。

6 建议

(1)在汛期，采用土石围堰自溃的方式度汛是可行的。通过设计，可以将溃坝的影响控制在一定的范围内，使其不对下游的保护目标造成危害。

(2)用风化料(无粘性土)填筑的围堰也有一定抗低水头、小流量洪水漫坝的能力。

(3)自溃拆除较高的围堰，应设置引冲槽。引冲槽控制着溃决口位置和溃坝最大流量。引冲槽的断面尺寸设计，应尽量将洪水控制在槽内下泄，不使洪水漫过围堰顶。

(4)钢筋石笼对延长坡脚的淘刷时间有很大的作用，使用钢筋石笼保护围堰的坡脚，在施工期遭遇超标准洪水漫坝时，可以给人员、设备以及下游的保护对象留出一定的撤出时间。