梯級電站水庫調蓄對施工導截流影響研究綜述

任金明，陳煒旻，蔡建國，王永明

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

水利水電樞紐建設的先導工程——導截流和圍堰工程，無疑是樞紐的關鍵工程之一，這方面國內外有很多成功的經驗和可靠的設計理論。但是，對于一些新出現的情況，僅依靠現有的設計理論和經驗是不夠的。河流梯級開發時，一方面上游在建高壩大庫工程具有一定的調節庫容，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流泄水建筑物的規模、減少工程投資以及縮短工期；另一方面，在某些情況下，若發生超標洪水時，上游在建的高壩大庫工程出現潰壩或者潰堰，天然施工洪水與上游臨時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帶來更多不確定性因素，并會對下游城鎮的社會、環境、經濟等方面造成重大影響。因此，考慮河流梯級開發幾座水電工程同時建設條件下施工洪水的獨有特性，研究施工洪水與高壩大庫工程建設的安全、施工導截流及圍堰系統安全關系是大江大河梯級開發面臨的新課題。

1 梯級電站的施工導截流既往研究與實踐

1.1 梯級電站施工導截流問題的研究

在我國梯級水電開發程度較高的黃河上游河段，許多專家學者對梯級電站的施工導截流問題進行了較深入的研究。梯級電站設計洪水方法一直是梯級電站水文設計的難點，有關專家、學者針對黃河上游河段進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計中已總結出一套比較完整的設計洪水及施工洪水計算方法。此外，一些專家學者對其它江河流域的梯級電站施工導截流問題也有一定程度的研究。以長江梯級電站為例，有關專家、學者在三峽工程導截流及深水高土石圍堰研究中，對三峽工程明渠截流進行了運用樞紐調度減輕截流難度影響的數學模型計算。

有關梯級電站水庫群設計洪水及聯合優化運行實質上與梯級電站的施工導截流問題是密切相關的，這些方面也是目前學術界和工程界研究的熱點之一。

1.2 上游已成水庫對施工導流的調蓄、削峰實踐

在擬建工程的上游有已成梯級，無疑上游的已成水庫有調蓄、削峰的控制作用。梯級開發電站樞紐所在河段上游建有水庫時，導流建筑物采用洪水標準按上游梯級電站水庫的影響及調蓄作用考慮，國內外都有工程實例。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資料比較齊全，此外還有第二松花江干流上梯級開發電站施工導流設計標準及流量確定的實例。上游建有梯級水庫時，有調蓄、削峰作用。當水庫較大時，可控制其下泄量，下游施工工程的導流設計洪水標準一般仍按規范規定的范圍，用同頻率的上游洪水經水庫調節后的下泄量加區間流量確定。如八盤峽電站施工時，考慮了上游劉家峽水庫的調節作用。天然設計流量6 350 m3/s，校核流量7 300 m3/s，經水庫調節后兩者下泄均為4 540 m3/s，在選定頻率5%的情況下，區間流量為960 m3/s，得八盤峽導流設計流量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，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生時間，根據洪峰的傳播時間考慮錯峰作用，必須嚴格控制水庫調度才能達到錯峰的目的。當然，如果水庫調度不當，使干、支流洪峰遭遇，可能出現比天然情況下更大的流量。

國外也有類似的工程實例。如前蘇聯庫爾普塞電站是納倫河上第二個梯級電站，它的上游就是具有多年調節庫容的托克托古里電站。庫爾普塞電站的施工導流就考慮了上游托克托古里水庫的調蓄作用，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計施工流量降低到1 100 m3/s，使導流隧洞的斷面盡可能減小，節約了大量導流工程投資。再如菲律賓阿格諾河上的賓加電站的施工導流，采用隧洞全年導流，考慮上游安布克勞水庫調蓄部分洪水，將導流標準定為重現期30年洪水。加拿大馬尼夸根河梯級開發電站馬尼克3號電站在施工導流時，考慮了上游水庫調蓄洪水，將導流流量定為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，施工導流期間，經上游水庫調節，減小了洪峰流量，按實測最大流量確定導流標準。根據龐多勒河上每年發生較大洪水的特點，要求確定一個合適的導流標準以免導流建筑物造價過高。假如采用全年重現期5年或10年的導流標準，則需要大隧洞或高圍堰，相應造價大幅增加。在壩址河道中僅夏季的流量有重要的影響，大于1 415 m3/s以上的洪水均發生在每年的5～7月。因此，確定導流流量為1 415 m3/s，以保證每年12個月中有9個月的工期，相應確定施工計劃。根據這樣的標準選擇出了一個合理的圍堰和一條導流隧洞的規模以保證最經濟的施工計劃，并安排出了一個在3年連續施工中充分利用每年9個月枯水季節的相當嚴格的施工進度，大大減少了工程投資。

2 梯級電站水庫調蓄對施工導截流的影響因素

（1）梯級電站水庫調蓄的影響與各級電站水庫的調節性能及調度方式密切相關。如：①受水庫調節和發電的影響，枯水期的來水流量較天然狀態下增加，并趨于穩定。②受梯級電站水庫群的防洪調度影響，大洪水出現的幾率較天然狀態呈下降趨勢。③受電網內部調峰調度的影響，流量的日變化比較大等。

梯級電站水庫調蓄對施工導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，相關的水文條件也發生了較大變化。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一步的提高；②在梯級開發河流上的工程，尤其是在上游有龍頭水庫控制的情況下，施工期遭遇超標洪水的風險要比天然河流上小得多。

（2）上游梯級對施工導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方面。汛期影響的有利因素占主導，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蓄、削峰的控制作用。②非汛期影響的設計流量主要涉及截流、導流底孔設置、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計。

（3）下游梯級對施工導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蓄對減輕施工導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（關系到導流隧洞進口高程的確定）、圍堰防滲墻施工平臺高程確定、導流隧洞下閘、封堵等設計項目。

（4）上游梯級與下游梯級電站同時在建兩工程的施工導截流互為影響。

3 梯級建設條件下對白鶴灘水電站導截流影響研究

3.1 上游電站對白鶴灘水電站施工導流影響的考慮

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

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

3.2 下游電站回水對白鶴灘水電站施工導流影響的考慮

溪洛渡電站庫區回水位的影響主要涉及白鶴灘電站圍堰、截流（關系到導流隧洞進口高程的確定）、圍堰防滲墻施工平臺高程確定、導流隧洞下閘、封堵等設計項目，上述的項目設計中，除截流設計外均按考慮回水位的影響設計。

4 梯級電站水庫調蓄下導截流標準的選擇

4.1 梯級電站水庫調蓄下的施工洪水分折

為減小設計工程的施工導流流量，要求上游水庫在發生與施工導流標準相應的洪水時控制下泄流量，一般根據施工要求和上游水庫的調蓄能力，擬定幾個水庫下泄流量方案，通過比較來選定合理的方案，由此確定設計工程的施工設計洪水和相應的上游水庫在設計工程施工導流期間的運行調度方式。降低上游水庫的防洪標準。降低上游水庫的汛限水位。水庫防洪調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準，使水庫承擔的防洪風險增加。

（1）在梯級水庫既定的調度原則下，分析水庫調蓄對施工洪水的影響。選取的導截流標準不僅要研究河流洪水特性及干支流洪水的組合規律，還需研究水庫的調度運行方式，使上、下游梯級工程相協調，并使整個梯級水庫群防洪系統的綜合風險最小。

（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，需要通過經濟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，加大大洪水時的敞泄流量。在保證上游水庫防洪標準不變的前提下，減少中小洪水下泄流量，加大大洪水時的敞泄流量來滿足下游工程的施工要求。采用這一方案時，應充分注意到各梯級電站水庫的防洪標準、泄流能力及下游防洪要求等的相互協調關系。

（4）對于梯級電站水庫，特別是設計水庫上游建有防洪標準較高、防洪庫容較大的水庫，是否可短期內降低上游水庫的防洪標準，利用其一部分防洪庫容削減下游設計工程的施工洪水，在做技術經濟比較的同時應進行風險分析，以確定短期內所能接受的風險，為最終決策提供依據。

（5）洪水傳播時間的影響因素：洪水傳播時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的時間差。準確地掌握或預報洪峰傳播時間對做好防洪減災工作至關重要。

所謂洪水內部因素，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斷面面積和水深，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 幾個問題的討論

4.2.1 調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律，還需研究水庫的調度運行方式，并通過經濟比較和風險分析，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運用方式。

（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流流量，還可以減少水庫淹沒損失，進一步降低工程造價，縮短工期，具有較大的經濟效益。

（3）若壩址天然和受調洪影響的洪水成果相差不大，設計洪水可直接采用天然設計洪水成果。

因此應適度考慮上游水庫的調蓄作用。

4.2.2 汛期施工洪水設計流量問題

擬建工程在汛期內某種頻率下的設計流量，由上游水庫同頻率下的泄流量和同頻率下的區間流量兩部分組成。二者的疊加要進行分析論證：

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

（2）當上游水庫距擬建工程較近，且屬于同一暴雨中心時，二者應進行洪峰疊加。

（3）當上游水庫的調節庫容較大，且有條件和區間洪水錯峰時，區間應取汛期常遇洪水流量和上游水庫的下泄流量疊加。

4.2.3 截流的設計流量問題

當上游已有電站距擬建工程較近，且區間無較大的支流時，建議截流設計流量按3個時段控制。初期進占設計流量取時段內多年平均最大流量；合龍流量取和上游電站協商好的流量。如果在關機的情況下，要計入適量的河槽滲流量和區間支流來水量；合龍后，防滲墻施工期戧堤的擋水流量應取時段內最大可能的發電流量與某種標準下的區間流量之和。

4.2.4 下游水庫協助上游梯級施工期蓄水

當水庫初期蓄水時的下泄流量不能滿足下游綜合用水要求時，應提出臨時供水措施（如下游水庫的調蓄等）。

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，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 結語

施工導截流標準與大壩施工期的安全息息相關，其本質上是防洪安全與經濟之間的權衡，施工導截流標準的選取既不能過度，也不能失度，除應與工程規模相適應，還應妥善解決好安全與經濟、社會、環境之間的矛盾。梯級的導流標準選擇應注意以下幾點：

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

（2）遵循現行DL/T5397-2007《水電工程施工組織設計規范》或SL303-2004《水利水電工程施工組織設計規范》對梯級電站施工導流方面的有關規定。

（3）選取的導截流標準與上下游梯級工程相協調，并使整個梯級電站水庫群防洪系統的綜合風險最小。

（4）位于梯級開發河流上的施工洪水設計流量選擇，在一定程度上屬洪水管理范疇，應實施從施工洪水控制到施工洪水管理的觀念轉移，需要針對具體情況按工程需要分析論證。

（5）梯級電站導流建筑物的布置及設計應考慮水文特性的改變、梯級電站運行等因素。

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