落久水利樞紐主壩上游圍堰自潰設(shè)計(jì)與實(shí)踐

丁志堅(jiān)

(廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545005)

1 基本情況

落久水利樞紐工程位于廣西柳州市融水苗族自治縣境內(nèi)的貝江下游，水庫(kù)總庫(kù)容3.46億m3，為大(2)型水利工程，工程任務(wù)為以防洪為主，兼顧灌溉、供水、發(fā)電和航運(yùn)等綜合利用。

貝江是柳江干流融江河段的支流之一，發(fā)源于黔桂交界的九萬(wàn)大山，全流域集雨面積1790km2。貝江流域是廣西著名的暴雨中心區(qū)之一，實(shí)測(cè)24小時(shí)最大雨量779.1mm，創(chuàng)廣西最高紀(jì)錄；7天雨量1689.4mm，居全國(guó)第2位。根據(jù)壩址上游7.42km處的勾灘水文站歷年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，貝江洪水多為單峰型，洪量主要集中在1～3d內(nèi)。

落久工程的主要建筑物攔河主壩為碾壓混凝土重力壩，壩頂長(zhǎng)度317.9m，最大壩高59.8m，目前正在建設(shè)中。

2 主壩施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)方案

2.1 導(dǎo)流方式及標(biāo)準(zhǔn)

工程施工采用一期圍堰，左岸隧洞導(dǎo)流。上、下游均采用土石圍堰，按4級(jí)臨時(shí)建筑物設(shè)計(jì)。導(dǎo)流時(shí)段9月1日—次年4月30日，洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)的洪峰流量為1270m3/s。

2.2 導(dǎo)流建筑物設(shè)計(jì)

工程的導(dǎo)流建筑物有導(dǎo)流隧洞、上游橫向土石圍堰、下游橫向土石圍堰等。為方便說(shuō)明，本文提到的圍堰，除注明外，均指上游圍堰。

導(dǎo)流隧洞位于樞紐主壩上游左岸約150m處，城門(mén)形斷面，洞寬6.50m，洞高9.00m。

上游圍堰頂高程132.21m，頂寬7.0m，頂長(zhǎng)202.05m，最大堰高24.21m。下游圍堰頂高程為114.80m，頂寬7.0m，頂長(zhǎng)150m，最大堰高6.8m。

根據(jù)設(shè)計(jì)的施工進(jìn)度方案，工程總工期為40個(gè)月。主壩區(qū)截流安排在第1年9月下旬，第1年11月開(kāi)始碾壓混凝土。計(jì)劃第2年4月底之前壩體全面碾壓至118m高程，然后將上游圍堰部分拆除，利用壩體過(guò)水+導(dǎo)流洞聯(lián)合泄洪度過(guò)第一個(gè)汛期。在第一汛期(第2年5月至8月)內(nèi)不安排施工。第2年9月開(kāi)始恢復(fù)施工，在第二汛期前將壩體及廠房已搶至了144.00m高程。這時(shí)，汛期對(duì)施工的影響不大，可根據(jù)氣候情況相機(jī)進(jìn)行施工。

3 主壩上游圍堰防洪度汛

工程于2016年10月28日截流，最終形成的圍堰為：上游圍堰主要用兩岸壩基開(kāi)挖出來(lái)的風(fēng)化砂巖或泥巖料填筑，粘土心墻防滲。圍堰頂高程132.21m，頂寬10m，頂長(zhǎng)202.05m；迎水面邊坡：118.31m高程以下為1∶2.5，118.31m高程以上為1∶2，背水面邊坡為1∶2；心墻頂高程131m，頂寬4m，上下游坡1∶0.2，最低底高程108m；為了防止在施工期可能出現(xiàn)的超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫堰淘刷堰腳，給施工人員、設(shè)備以及下游村屯有一定的撤出時(shí)間，圍堰背水面坡用鋼筋石籠進(jìn)行護(hù)坡。鋼筋石籠布置在圍堰中部，寬70m，厚1m，從坡腳一直鋪到125m高程。后為施工機(jī)械上堰方便，在圍堰背水面設(shè)戧道，戧道上的鋼筋石籠改為C15混凝土面板厚0.3m。

下游圍堰全部用兩岸壩基開(kāi)挖出來(lái)的風(fēng)化砂巖或泥巖料填筑，堰頂高程為115.00～116.00m，頂寬13～28m，堰頂長(zhǎng)約155m。

由于種種原因，大壩的施工進(jìn)度滯后嚴(yán)重。到5月初，河床中大壩5#～8#壩塊僅碾壓到110m高程，左岸3#～4#和右岸9#～10#壩塊僅碾壓到114m高程，都遠(yuǎn)未到達(dá)原設(shè)計(jì)要求的整體碾壓到118m高程。同時(shí)，為保護(hù)碾壓混凝土壩體的施工，上游圍堰還無(wú)法拆除，堰頂仍保持在132.21m高程。但貝江5月已進(jìn)入主汛期，堰前水位基本保持在120m高程以上，在上游圍堰前形成一個(gè)庫(kù)容1200萬(wàn)m3以上，最大總庫(kù)容可達(dá)4271萬(wàn)m3的中型水庫(kù)。如何處置上游圍堰，成了本工程防洪度汛必需解決的主要問(wèn)題。

3.1 對(duì)上游的影響

按原設(shè)計(jì)，第一個(gè)汛期為壩體(頂高程118m)過(guò)水+導(dǎo)流洞聯(lián)合泄洪。上游庫(kù)區(qū)的征地和移民安置工作亦是按此標(biāo)準(zhǔn)推算出的回水線來(lái)控制。因此，圍堰不拆除，將會(huì)淹沒(méi)上游尚未搬遷的村屯和土地，造成新的社會(huì)問(wèn)題，甚至?xí)绊懕竟こ陶鞯睾鸵泼癜仓霉ぷ鞯倪M(jìn)一步推進(jìn)。

3.2 對(duì)下游的影響

圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為枯水期10年一遇洪水，洪峰流量1270m3/s，遠(yuǎn)小于貝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，圍堰在汛期遭洪水漫頂?shù)目赡苄苑浅４?，而土石圍堰一旦遭洪水漫頂就有可能造成潰壩。由于本工程上游圍堰最大堰?4.21m，圍堰上游總庫(kù)容4271萬(wàn)m3，一旦潰壩，瞬時(shí)洪水將會(huì)對(duì)下游沿河的長(zhǎng)賴、落久等村屯以及江門(mén)電站造成巨大的損失。

4 圍堰防洪度汛方案

主壩上游圍堰防洪度汛方案的設(shè)計(jì)目的是為解決上述問(wèn)題，使工程能夠安全度汛，保證上、下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)的安全。經(jīng)多方案的比較，最終選定人工拆除與圍堰自潰相結(jié)合的方案。該方案是通過(guò)河道潰壩計(jì)算，確定在洪峰到來(lái)之前，圍堰必須拆除的高度，使剩余圍堰被洪水沖潰時(shí)所產(chǎn)生的最大潰壩洪水流量不會(huì)對(duì)下游河道和村屯造成嚴(yán)重的影響。同時(shí)，解決上游回水的淹沒(méi)問(wèn)題。

4.1 潰壩計(jì)算成果

為分析主壩圍堰潰壩對(duì)下游的影響，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)圍堰的處理提出意見(jiàn)和建議。

4.1.1 壩址斷面處瞬間潰壩最大流量

為安全計(jì)，假定圍堰發(fā)生瞬時(shí)全潰，以此計(jì)算最大流量。計(jì)算采用里特爾公式，不同堰頂高程的條件下瞬間全潰潰壩最大流量成果見(jiàn)表1，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，B—潰壩時(shí)壩前水面寬度或壩頂長(zhǎng)度，m；H0—潰壩前壩址上游水深，m；QM—瞬時(shí)橫向一潰到底的最大流量，m3/s。

4.1.2 各斷面最大流量及相應(yīng)水位

要評(píng)估圍堰潰壩洪水對(duì)下游的影響，必須做洪水演進(jìn)分析，計(jì)算出各代表斷面的潰壩洪水。下游沿河各村屯房屋最低和房屋集中區(qū)高程見(jiàn)表1。江門(mén)水電站是貝江流域的最后一個(gè)梯級(jí)，以發(fā)電為主，位于落久壩址下游約13km，屬低水頭徑流式水電站，其閘壩最大泄流能力為7510m3/s。

計(jì)算采《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，成果見(jiàn)表1。

(2)

式中，QLM—當(dāng)潰壩最大流量演進(jìn)至距壩址為L(zhǎng)處時(shí)，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；W—潰壩時(shí)蓄水量，萬(wàn)m3；QM—壩址處的潰壩最大流量，m3/s；L—距壩址的距離，m；V—河道洪水期斷面最大平均流速，m/s；K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；VK—按黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院的資料，對(duì)于半山區(qū)河道，取值為4.76。

4.1.3 圍堰潰壩對(duì)下游防護(hù)對(duì)象的影響分析

由表1可以看出：當(dāng)堰頂高程高為132.21m時(shí)發(fā)生潰壩，潰壩洪水演進(jìn)至江門(mén)水電站時(shí)，將超過(guò)該電站閘壩的最大泄流量，威脅該電站人員和設(shè)施的安全。同時(shí)，下游各村屯的房屋集中區(qū)均被淹沒(méi)；當(dāng)堰頂高程高為128m時(shí)發(fā)生潰壩，潰壩洪水將淹沒(méi)下游大部分村屯的房屋集中區(qū)，但已能通過(guò)江門(mén)電站的溢流閘壩。

當(dāng)堰頂高程等于125m時(shí)發(fā)生潰壩，潰壩洪水僅對(duì)下游的部分村屯地面高程較低的少量房屋有影響，對(duì)房屋集中區(qū)和江門(mén)電站基本無(wú)影響。

表1 圍堰潰壩計(jì)算成果表(瞬時(shí)全潰)

當(dāng)堰頂高程等于或低于122m時(shí)發(fā)生潰壩，潰壩洪水對(duì)下游村屯的影響較小。

4.2 設(shè)計(jì)方案

4.2.1 設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題

(1)4月下旬后，圍堰上游水位保持在120m高程以上，人工完全拆除圍堰已無(wú)可能。

(2)施工單位的施工能力和施工安全。

(3)以河道潰壩理論計(jì)算成果為依據(jù)，同時(shí)也要考慮土石圍堰的潰壩機(jī)制一般為瞬時(shí)局部潰壩的特點(diǎn)。

(4)盡量使自潰口控制在河槽中間，以減小潰壩洪水對(duì)基坑兩岸邊坡的沖刷破壞。

(5)通過(guò)采取必要的措施，盡量延長(zhǎng)潰壩時(shí)間，減小潰壩最大流量，使?jié)魏樗畬?duì)下游的危害最小，保證下游村屯和江門(mén)水電站的安全。

4.2.2 采用方案

經(jīng)多方案比較，最終采用的方案是配合氣象洪水預(yù)報(bào)，至少將上游圍堰人工拆除到125m高程；在圍堰頂中部設(shè)置引沖槽，以控制自潰口的位置。引沖槽的寬度按河槽底寬(約70m)的1/5取值為15m，槽深要求盡量深挖，以不影響施工安全為標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，在下游圍堰頂部中央開(kāi)挖5m寬左右的缺口，既可在基坑內(nèi)形成一定的水墊，也可控制下游圍堰的潰壩位置。

在洪水到來(lái)之前，圍堰拆除施工的實(shí)際形象為上游圍堰全面開(kāi)挖拆除至125.00m高程，頂寬約50m。圍堰頂中部預(yù)留引沖槽底寬15m，槽底高程123m，開(kāi)挖邊坡1∶1。上游圍堰背水面坡保留已鋪設(shè)的1m厚鋼筋石籠，總寬度70m至坡底，坡上的施工戧道鋪有C15混凝土面板，厚0.3m；下游圍堰頂高115.00～116.00m，預(yù)留缺口底高程111.50m，底寬5m，開(kāi)挖邊坡1∶1。

5 圍堰過(guò)洪及自潰過(guò)程

圍堰按設(shè)計(jì)方案施工后，在自潰之前過(guò)了兩次水，為我們提供了較好的觀測(cè)圍堰自潰的機(jī)會(huì)。如圖1—5所示。圍堰第一次過(guò)水情況見(jiàn)表2，第二次過(guò)水情況見(jiàn)表3。由此得出以下結(jié)論：

(1)6月16日，引沖槽過(guò)洪歷時(shí)約6小時(shí)10分，最大過(guò)洪水深約0.7m，最大單寬流量約1m3/s/m。

表2 圍堰第一次過(guò)洪情況表

表3 圍堰第二次過(guò)洪情況

圖1 圍堰過(guò)水情況1

圖2 圍堰過(guò)水情況2

圖3 圍堰過(guò)水情況3

圖4 圍堰過(guò)水情況4

圖5 圍堰過(guò)水后最終狀態(tài)

過(guò)洪后，檢查發(fā)現(xiàn)引沖槽并沒(méi)有被沖刷擴(kuò)大，僅在圍堰下游坡腳有很少一部分鋼筋石籠被沖毀，過(guò)洪沒(méi)有對(duì)圍堰整體造成損害。

(2)圍堰的自潰先從引沖槽控制的缺口開(kāi)始垂向局部潰壩，然后再向兩側(cè)橫向延伸。從6月28日現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄看，10∶40～13∶30為淘刷過(guò)程，歷時(shí)約3小時(shí)。圍堰從10∶40開(kāi)始過(guò)水，12∶00開(kāi)始出現(xiàn)明顯淘刷，13∶30開(kāi)始局部潰決；13∶30～14∶00為圍堰垂向潰決過(guò)程，歷時(shí)約30分鐘；14∶00～16∶30為圍堰潰口向橫向延伸過(guò)程，延伸速度最快約為0.46m/分，平均延伸速度約為0.28m/分，歷時(shí)約2小時(shí)30分鐘。圍堰最終潰決為寬約100m的缺口。

(3)潰壩流量受到缺口寬度的控制。我們通過(guò)缺口寬度估算和下游斷面水位流量關(guān)系查算，估算出本次最大的流量為1700～2000m3/s，約為理論計(jì)算量(瞬間全潰)的1/5，小于貝江全年2年一遇洪水的洪峰流量2720m3/s。因此，本次圍堰自潰拆除未對(duì)基坑已澆筑的壩塊和兩岸的邊坡造成影響，也未給下游村屯和江門(mén)電站造成損失。

(4)鋼筋石籠對(duì)延長(zhǎng)坡腳的淘刷時(shí)間有很大的作用，但在圍堰潰口向橫向延伸過(guò)程，鋼筋石籠起的作用并不大。

(5)本次圍堰自潰過(guò)程與設(shè)計(jì)的設(shè)想基本吻合，上游圍堰沖毀約100m，下游圍堰完全沖毀，河道已大致恢復(fù)天然狀態(tài)。

6 建議

(1)在汛期，采用土石圍堰自潰的方式度汛是可行的。通過(guò)設(shè)計(jì)，可以將潰壩的影響控制在一定的范圍內(nèi)，使其不對(duì)下游的保護(hù)目標(biāo)造成危害。

(2)用風(fēng)化料(無(wú)粘性土)填筑的圍堰也有一定抗低水頭、小流量洪水漫壩的能力。

(3)自潰拆除較高的圍堰，應(yīng)設(shè)置引沖槽。引沖槽控制著潰決口位置和潰壩最大流量。引沖槽的斷面尺寸設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量將洪水控制在槽內(nèi)下泄，不使洪水漫過(guò)圍堰頂。

(4)鋼筋石籠對(duì)延長(zhǎng)坡腳的淘刷時(shí)間有很大的作用，使用鋼筋石籠保護(hù)圍堰的坡腳，在施工期遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩時(shí)，可以給人員、設(shè)備以及下游的保護(hù)對(duì)象留出一定的撤出時(shí)間。