水利水電工程施工度汛綜述

晉良海，梁巧秀

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)審中心，湖北 宜昌 443002；3.水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

施工度汛是指從工程開工到竣工期間由圍堰及未完建大壩壩體攔洪或圍堰過水及未完建壩體過水，使永久建筑物不受洪水威脅、安全施工。施工度汛是保護(hù)跨年度施工的水利水電工程，在施工期間安全度過汛期而不遭受洪水損害的措施。施工度汛需根據(jù)已確定的當(dāng)年度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)，制訂度汛規(guī)劃及技術(shù)措施(包括度汛標(biāo)準(zhǔn)論證、大壩及泄水建筑物安全鑒定、水庫調(diào)度方案、非常泄洪設(shè)施、防汛組織、水文氣象預(yù)報(bào)、通訊系統(tǒng)、道路運(yùn)輸系統(tǒng)、防汛器材等)。施工度汛包括施工導(dǎo)流初期圍堰度汛和后期壩體攔洪度汛。圍堰及壩體能否可靠攔洪(或過水)與安全度汛，將關(guān)系到工程的建設(shè)進(jìn)度與成敗。例如龍羊峽水電站因攔洪成功而加快了施工步伐。所以施工安全度汛是整個(gè)工程施工進(jìn)度中的一個(gè)控制性環(huán)節(jié)，必須慎重對(duì)待。

水利水電工程、橋梁工程、河道港口工程等涉水工程施工可能遭遇洪水。洪水是一種隨機(jī)不確定的水文現(xiàn)象，迄今人們對(duì)洪水變化規(guī)律認(rèn)識(shí)還不深[1]。有關(guān)洪水的物理成因、時(shí)空分布、遭遇組合以及洪水波運(yùn)動(dòng)等都十分復(fù)雜，對(duì)洪水發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間和量級(jí)常難以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；另外，洪災(zāi)是由洪級(jí)和洪度兩方面共同決定，洪級(jí)反應(yīng)洪水大小，洪度表征洪水對(duì)某一地區(qū)影響強(qiáng)烈程度，由于洪水具有突發(fā)性和時(shí)變性，洪級(jí)和洪度往往難以確定。如果施工度汛標(biāo)準(zhǔn)太高，不僅增加導(dǎo)流費(fèi)用，而且可能因其規(guī)模太大以致無法按期完成，造成工程施工進(jìn)度的被動(dòng)局面；反之，增加工程實(shí)體遭受洪水損毀的概率，從而導(dǎo)致返工現(xiàn)象增多，造成施工工期延誤，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)工程失事和下游人民生產(chǎn)財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何制訂科學(xué)合理的施工度汛方案對(duì)于涉水工程施工極其重要。

就水利水電工程而言，制訂度汛方案包括導(dǎo)流建筑物、壩體度汛斷面與壩體泄流設(shè)施等在時(shí)間與空間上的規(guī)劃。一方面，進(jìn)行導(dǎo)流建筑物的設(shè)計(jì)時(shí)需按水力學(xué)公式計(jì)算過流能力，但任何水力學(xué)公式都不可能完全準(zhǔn)確地描述實(shí)際水流的真實(shí)情況，而且公式的應(yīng)用條件也會(huì)和實(shí)際情況有出入，因而使得真實(shí)流量和計(jì)算值不一致；此外，公式中的各變量和各參數(shù)值的選取也存在不確定性，而模型實(shí)驗(yàn)與原型之間會(huì)因縮尺影響而產(chǎn)生誤差，這些誤差使得導(dǎo)流量的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值產(chǎn)生差異；其次，在施工材料的選擇上也往往不會(huì)完全符合設(shè)計(jì)要求，從而導(dǎo)致糙率系數(shù)與設(shè)計(jì)值不符，影響過流能力[2]。另一方面，壩體施工過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)壩體施工面貌達(dá)不到臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)要求，而采取壩面過流度汛措施，其水流狀態(tài)比較復(fù)雜，壩面可能產(chǎn)生負(fù)壓、氣蝕，導(dǎo)致壩坡失穩(wěn)。壩體的壩坡穩(wěn)定問題是混凝土壩施工期安全渡汛中的重要問題之一，它不僅事關(guān)大壩施工期安全，而且對(duì)大壩后期的運(yùn)行安全也有重大影響[3]。

綜上所述，施工度汛不僅影響到水利水電工程的施工安全、施工工期及工程造價(jià)，還常對(duì)壩址下游地區(qū)的防洪安全造成不利影響。因此，在水利水電工程建設(shè)中，施工度汛是控制性的施工項(xiàng)目之一。為此，應(yīng)分析研究各期導(dǎo)流特點(diǎn)和相互關(guān)系，全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析的方法、處理洪水與施工的矛盾，確保樞紐工程建設(shè)順利進(jìn)行。迄今，施工度汛研究已經(jīng)取得了很多成果。綜合已有文獻(xiàn)，分別從施工度汛的分類、度汛標(biāo)準(zhǔn)、度汛風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算模型研究進(jìn)程和施工度汛經(jīng)驗(yàn)這四大方面對(duì)其進(jìn)行綜述，并指出有待進(jìn)一步研究的方向和內(nèi)容。

1 施工度汛分類

(1)根據(jù)上游是否已建有水庫，可分兩種情況[4]。當(dāng)河流上游未建水庫時(shí)，工程施工初期要靠圍堰抗御天然洪水，即圍堰擋水度汛。這種度汛形式使得施工圍堰的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、投資大、工期長(zhǎng)。

當(dāng)上游有水庫時(shí)，水庫施工可以依靠上游水庫攔蓄洪水的作用，削減施工期洪峰，即上游控泄條件下圍堰擋水度汛[5-8]。因此，圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以降低，投資小、工期短。汛期上游水庫的調(diào)度應(yīng)積極配合下游電站的施工，完全服從下游電站施工度汛的要求。

(2)根據(jù)施工的階段不同，可以分為初期圍堰度汛和中后期施工度汛兩大類[9]。初期圍堰度汛，無論是不過水圍堰或過水圍堰，都有一定的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)和安全措施。遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，應(yīng)采取臨時(shí)度汛措施。度汛措施一般有：①針對(duì)不過水圍堰，在堰頂加高子堰，提高擋水標(biāo)準(zhǔn)；②對(duì)于混凝土圍堰，允許堰頂過水，但應(yīng)考慮圍堰過水時(shí)的穩(wěn)定；③設(shè)置非常溢洪道，增大泄洪能力。

中后期施工度汛由大壩等永久建筑物承擔(dān)，其度汛的泄流方式，應(yīng)根據(jù)壩型、樞紐建筑物的布置、封孔蓄水時(shí)間及施工條件等統(tǒng)一考慮。

(3)根據(jù)壩型不同，可分為混凝土壩度汛和土石壩度汛?；炷翂味妊?，在壩體缺口高程較低時(shí)，呈淹沒堰流，對(duì)建筑物一般不會(huì)造成破壞。當(dāng)壩體缺口較高時(shí)，水流呈非淹沒堰流或挑流形式，壩面可能產(chǎn)生負(fù)壓、氣蝕，對(duì)下游基礎(chǔ)或其他建筑物可能造成沖刷破壞。應(yīng)對(duì)壩體的穩(wěn)定及應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，針對(duì)不同的問題，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

土石壩度汛，因土石壩工程量一般都較大，即使采用臨時(shí)斷面擋水，有時(shí)也難達(dá)到攔洪高程，需要臨時(shí)過水，通常采用填筑臨時(shí)斷面攔洪和開設(shè)壩體缺口泄洪等措施。

2 度汛標(biāo)準(zhǔn)

2.1 壩體施工期臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)壩體筑到高程超過圍堰頂高程時(shí)，進(jìn)入后期導(dǎo)流，改由未完建壩體擋水，其臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)壩型及壩前攔洪庫容按表1的規(guī)定確定。

表1 壩體施工期臨時(shí)度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)

2.2 封堵后壩體度汛標(biāo)準(zhǔn)

導(dǎo)流泄水建筑物封堵后，如永久泄水建筑物尚未具備設(shè)計(jì)泄洪能力，壩體度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)分析壩體施工和運(yùn)行要求后按表2規(guī)定執(zhí)行。汛前壩體上升高度應(yīng)滿足攔洪要求，帷幕灌漿及接縫灌漿高程應(yīng)能滿足蓄水要求。

表2 導(dǎo)流泄水建筑物封堵后壩體度汛洪水標(biāo)準(zhǔn)

3 度汛風(fēng)險(xiǎn)量化計(jì)算模型研究進(jìn)程

水利水電工程是風(fēng)險(xiǎn)工程，在進(jìn)行方案選擇、設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)施時(shí)，工程的度汛風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)作為一個(gè)重要的決策指標(biāo)。所以，如何確定施工風(fēng)險(xiǎn)就顯得十分重要。在度汛風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的方法上，由單純考慮水文風(fēng)險(xiǎn)向綜合考慮水文、水力和壩體填筑的不確定性風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展[10]。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者在施工度汛風(fēng)險(xiǎn)分析方面做了很多探討，提出一些度汛風(fēng)險(xiǎn)模型。

3.1 調(diào)洪計(jì)算原理

一般來說，度汛風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的目的是為了找出當(dāng)一定防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水入庫后能滿足防洪要求的度汛高程[11]，故施工度汛風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算涉及調(diào)洪計(jì)算原理。當(dāng)洪水入庫后，其運(yùn)動(dòng)是屬于不穩(wěn)定流。水庫沿程的水位、流速和過水?dāng)嗝娴染S時(shí)變化，可用圣維南方程組表示[12]。由于圣維南方程組一般很難求得精確解的析解，實(shí)用中多采用瞬態(tài)法，直接差分法及特征線法等近似解法[13]。調(diào)洪計(jì)算的實(shí)用方法可分為靜庫容法及動(dòng)庫容法[14]。靜庫容法假定庫內(nèi)流速趨近于零，庫水面為水平的，即庫容與壩前水位成單值函數(shù)關(guān)系，忽略動(dòng)力方程對(duì)調(diào)洪的影響，將連續(xù)方程寫成有限差的水量平衡方程并建立水庫下泄流量與水庫蓄水量之間的關(guān)系。動(dòng)庫容法指水庫尾部地形開闊或回水尾端庫水面曲線上翹顯著，動(dòng)庫容(實(shí)際庫水面與水平庫面間的庫容)不容忽視時(shí)，按不穩(wěn)定流計(jì)算方法逐段進(jìn)行洪水演算。這種方法的工作量很大，實(shí)際應(yīng)用采用回水曲線法和近似法[15]。

3.2 度汛風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型的發(fā)展

針對(duì)度汛風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型求解困難這一問題，肖煥雄、王卓甫、Takbiri等[16-18]基于隨機(jī)點(diǎn)過程理論，提出了一些風(fēng)險(xiǎn)率模型，但模型中只考慮了洪水過程的不確定性，在實(shí)際工程中流量資料有限的情況下難以得到理想的結(jié)果，都可能導(dǎo)致高損失低概率與低損失高概率的計(jì)算結(jié)果相同。為此，晉良海等人[19]應(yīng)用分割多目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)法(PMRM)給定分割概率，計(jì)算給定概率范圍內(nèi)的條件概率，得到多種風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)，最后將這些風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)加入到風(fēng)險(xiǎn)決策模型的目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

然而，只考慮水文的不確定性進(jìn)行度汛風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，考慮因素單一，很難符合實(shí)際度汛情況，研究人員在不斷的實(shí)踐及理論研究中結(jié)合水文不確定性、水力不確定性兩因素，提出了風(fēng)險(xiǎn)決策模型[20-22]。上述文獻(xiàn)中的風(fēng)險(xiǎn)分析方法較為全面地考慮了施工導(dǎo)流中水文及水力不確定性因素，得到了導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，但仍然未考慮水位、經(jīng)濟(jì)等多個(gè)不確定性因素。Al-Futaisi、鐘登華、Abraham Warszawski等人[23-25]提出了基于多元不確定性因素的模型。然而，上述模型均在未考慮施工進(jìn)度計(jì)劃不確定性的情況下得到的。Daud Nasir、王卓甫等[26,27]對(duì)施工進(jìn)度安排表進(jìn)行分析研究，提出了施工進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型；將系統(tǒng)仿真、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃和系統(tǒng)評(píng)價(jià)等技術(shù)方法引入到大型工程的施工組織設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)大型工程施工進(jìn)度分析理論及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。

盡管上述文獻(xiàn)中的風(fēng)險(xiǎn)分析方法較為全面地考慮了施工導(dǎo)流中水文、水力及多種不確定性因素，得到了導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，但其風(fēng)險(xiǎn)的研究是在假定上游擋水建筑物高程確定，并且其導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)的研究割裂開初期和中后期導(dǎo)流之間的內(nèi)在聯(lián)系，沒有從整個(gè)施工導(dǎo)流系統(tǒng)均衡的角度將各個(gè)導(dǎo)流時(shí)段的導(dǎo)流方案聯(lián)系起來分析。近年來，隨著流域梯級(jí)水電站建設(shè)工程的不斷推進(jìn)，以一個(gè)開發(fā)主體進(jìn)行流域梯級(jí)開發(fā)存在兩座相鄰水電站同時(shí)施工的情況(如三峽集團(tuán)金沙江流域的上游烏東德和下游白鶴灘工程有可能同期施工)，或上游已建水庫工程，對(duì)相鄰兩電站組成的上下游施工度汛系統(tǒng)進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)于節(jié)省導(dǎo)流工程投資規(guī)模，優(yōu)化施工度汛方案，有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值[28,29]。然而，上下游洪水在時(shí)空上有極大的相關(guān)性，使得度汛風(fēng)險(xiǎn)變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致下游水電站遭遇的施工洪水更加難以估量，增加了風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的復(fù)雜性[5-8,30,31]。

3.3 總 結(jié)

目前，施工度汛風(fēng)險(xiǎn)研究以水文、水力學(xué)因素分析為主，經(jīng)歷了探索、成型和發(fā)展3個(gè)階段。具體見表3所示。

表3 施工度汛風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)程

由表3得，近些年不少學(xué)者在施工度汛風(fēng)險(xiǎn)方面做了大量的理論研究，取得了巨大的成就。但施工度汛存在諸多不確定因素且因素間的關(guān)系復(fù)雜，很難從根本上解決度汛風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全度汛是亟待解決的問題。

4 施工度汛經(jīng)驗(yàn)

通過幾十年工程實(shí)踐總結(jié)，在施工度汛方面主要積累了以下經(jīng)驗(yàn)：

(1)較多工程采用圍堰擋枯水期一定標(biāo)準(zhǔn)流量，汛期允許圍堰過水的導(dǎo)流方式，如隔河巖、大朝山等工程。也有的大型工程為了加快施工進(jìn)度，保證大壩工程質(zhì)量而采用圍堰擋全年洪水的隧洞導(dǎo)流方案，如二灘、構(gòu)皮灘等水電站。

(2)導(dǎo)流建筑物與永久建筑物相結(jié)合，如利用壩體永久底孔作后期導(dǎo)流(如葛洲壩、萬安工程)，將導(dǎo)流洞與永久泄洪建筑物結(jié)合(如小浪底、魯布革、碧口等工程)。

(3)土石壩型的圍堰工程，上游圍堰盡可能與壩體結(jié)合，采取以壩體攔擋第一個(gè)汛期洪水的導(dǎo)流方式。

(4)一般情況下，不宜采取土石壩過水度汛的導(dǎo)流方式，否則應(yīng)采取壩面防護(hù)措施過水度汛。

(5)混凝土面板堆石壩可提前攔洪度汛。當(dāng)未澆筑混凝土面板之前，對(duì)上游壩坡采取碾壓砂漿或噴混凝土，水泥砂漿等固坡措施后即可臨時(shí)擋水度汛；對(duì)壩體預(yù)留部位及壩坡采取防護(hù)措施后，可用壩體過流度汛，此時(shí)可降低導(dǎo)流設(shè)施規(guī)模。

(6)施工安全度汛應(yīng)考慮圍堰遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)的臨時(shí)度汛措施，應(yīng)針對(duì)各種不同壩型及其存在的問題，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

5 研究方向

施工度汛作為工程建設(shè)過程中重要一環(huán)節(jié)，在很多方面還有待改善和提升，如：水文、水力、土力等一些重要隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)量化的基礎(chǔ)性研究工作，特別是小概率事件的定量和驗(yàn)證；防洪工程和區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)率的定量計(jì)算模式和方法的研究，包括大壩、堤防各種失效模式風(fēng)險(xiǎn)率的量化研究；適合我國(guó)國(guó)情的允許風(fēng)險(xiǎn)閾值的研究與確定，與現(xiàn)行規(guī)范的銜接問題；防洪系統(tǒng)的綜合風(fēng)險(xiǎn)率評(píng)估和系統(tǒng)決策方法的研究等。梳理已有研究成果并分析現(xiàn)存的不足之后，從三個(gè)方面總結(jié)出進(jìn)一步的研究趨勢(shì)。

(1)洪水的洪級(jí)和洪度研究。度汛風(fēng)險(xiǎn)不僅要考慮水文、水力、壩體填筑、施工進(jìn)度計(jì)劃、上游已建水電站控泄和調(diào)度及施工導(dǎo)流系統(tǒng)與梯級(jí)電站的關(guān)聯(lián)等因素的影響，還要考慮洪水的洪級(jí)與洪度。洪級(jí)反應(yīng)洪水大小，洪度表征洪水對(duì)某一地區(qū)影響強(qiáng)烈程度，由于洪水具有易損性、脆弱性和不確定性，洪級(jí)和洪度往往難以確定。洪級(jí)和洪度是唯一量化洪水的標(biāo)準(zhǔn)，只有研究清楚洪級(jí)和洪度，才能從根本上認(rèn)識(shí)洪水，解決施工度汛風(fēng)險(xiǎn)。

(2)施工度汛應(yīng)急資源在線響應(yīng)機(jī)制研究。洪水是一種隨機(jī)的水文現(xiàn)象，洪水發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間和量級(jí)常難以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，是一個(gè)隨機(jī)事件。考慮洪水的不確定性和施工應(yīng)急資源的有限性，如何將超標(biāo)洪水造成的損失降到最低是值得研究的問題。所以，采用動(dòng)態(tài)博弈網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)應(yīng)急資源進(jìn)行優(yōu)化配置[32]和利用在線排序方法對(duì)有限的應(yīng)急資源進(jìn)行協(xié)同調(diào)度[33]是十分必要的。

以上這些問題的研究和解決，將會(huì)大大推動(dòng)我國(guó)洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理工作的開展,促進(jìn)現(xiàn)代施工度汛安全保障體系的建設(shè)。

□

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