梯级电站水库调蓄对施工导截流影响研究综述

任金明，陈炜旻，蔡建国，王永明

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

0 前言

水利水电枢纽建设的先导工程——导截流和围堰工程，无疑是枢纽的关键工程之一，这方面国内外有很多成功的经验和可靠的设计理论。但是，对于一些新出现的情况，仅依靠现有的设计理论和经验是不够的。河流梯级开发时，一方面上游在建高坝大库工程具有一定的调节库容，可以部分削减下游各梯级电站水库的施工洪水，减小下游梯级电站导流泄水建筑物的规模、减少工程投资以及缩短工期；另一方面，在某些情况下，若发生超标洪水时，上游在建的高坝大库工程出现溃坝或者溃堰，天然施工洪水与上游临时溃坝或溃堰洪水叠加，将会改变下游河道的天然水文条件，对下游大坝安全建设带来更多不确定性因素，并会对下游城镇的社会、环境、经济等方面造成重大影响。因此，考虑河流梯级开发几座水电工程同时建设条件下施工洪水的独有特性，研究施工洪水与高坝大库工程建设的安全、施工导截流及围堰系统安全关系是大江大河梯级开发面临的新课题。

1 梯级电站的施工导截流既往研究与实践

1.1 梯级电站施工导截流问题的研究

在我国梯级水电开发程度较高的黄河上游河段，许多专家学者对梯级电站的施工导截流问题进行了较深入的研究。梯级电站设计洪水方法一直是梯级电站水文设计的难点，有关专家、学者针对黄河上游河段进行了梯级电站水库施工洪水分析，几十年来在黄河上游梯级电站设计中已总结出一套比较完整的设计洪水及施工洪水计算方法。此外，一些专家学者对其它江河流域的梯级电站施工导截流问题也有一定程度的研究。以长江梯级电站为例，有关专家、学者在三峡工程导截流及深水高土石围堰研究中，对三峡工程明渠截流进行了运用枢纽调度减轻截流难度影响的数学模型计算。

有关梯级电站水库群设计洪水及联合优化运行实质上与梯级电站的施工导截流问题是密切相关的，这些方面也是目前学术界和工程界研究的热点之一。

1.2 上游已成水库对施工导流的调蓄、削峰实践

在拟建工程的上游有已成梯级，无疑上游的已成水库有调蓄、削峰的控制作用。梯级开发电站枢纽所在河段上游建有水库时，导流建筑物采用洪水标准按上游梯级电站水库的影响及调蓄作用考虑，国内外都有工程实例。从已收集到的资料来看，我国长江流域、西南诸河及黄河流域相关资料比较齐全，此外还有第二松花江干流上梯级开发电站施工导流设计标准及流量确定的实例。上游建有梯级水库时，有调蓄、削峰作用。当水库较大时，可控制其下泄量，下游施工工程的导流设计洪水标准一般仍按规范规定的范围，用同频率的上游洪水经水库调节后的下泄量加区间流量确定。如八盘峡电站施工时，考虑了上游刘家峡水库的调节作用。天然设计流量6 350 m3/s，校核流量7 300 m3/s，经水库调节后两者下泄均为4 540 m3/s，在选定频率5%的情况下，区间流量为960 m3/s，得八盘峡导流设计流量5 500 m3/s。但如上游水库建在支流上，或虽在干流上，而有较大支流汇入时，干、支流的洪峰流量不能简单地叠加。需分析干、支流洪水的成因和发生时间，根据洪峰的传播时间考虑错峰作用，必须严格控制水库调度才能达到错峰的目的。当然，如果水库调度不当，使干、支流洪峰遭遇，可能出现比天然情况下更大的流量。

国外也有类似的工程实例。如前苏联库尔普塞电站是纳伦河上第二个梯级电站，它的上游就是具有多年调节库容的托克托古里电站。库尔普塞电站的施工导流就考虑了上游托克托古里水库的调蓄作用，将频率为1%的流量2 980 m3/s降低为1 800 m3/s。施工中，进一步考虑将托克托古里水库放空，从而把库尔普塞电站的设计施工流量降低到1 100 m3/s，使导流隧洞的断面尽可能减小，节约了大量导流工程投资。再如菲律宾阿格诺河上的宾加电站的施工导流，采用隧洞全年导流，考虑上游安布克劳水库调蓄部分洪水，将导流标准定为重现期30年洪水。加拿大马尼夸根河梯级开发电站马尼克3号电站在施工导流时，考虑了上游水库调蓄洪水，将导流流量定为2 400 m3/s。又如美国华盛顿州东北角的哥伦比亚河支流庞多勒河的邦德里电站，施工导流期间，经上游水库调节，减小了洪峰流量，按实测最大流量确定导流标准。根据庞多勒河上每年发生较大洪水的特点，要求确定一个合适的导流标准以免导流建筑物造价过高。假如采用全年重现期5年或10年的导流标准，则需要大隧洞或高围堰，相应造价大幅增加。在坝址河道中仅夏季的流量有重要的影响，大于1 415 m3/s以上的洪水均发生在每年的5～7月。因此，确定导流流量为1 415 m3/s，以保证每年12个月中有9个月的工期，相应确定施工计划。根据这样的标准选择出了一个合理的围堰和一条导流隧洞的规模以保证最经济的施工计划，并安排出了一个在3年连续施工中充分利用每年9个月枯水季节的相当严格的施工进度，大大减少了工程投资。

2 梯级电站水库调蓄对施工导截流的影响因素

（1）梯级电站水库调蓄的影响与各级电站水库的调节性能及调度方式密切相关。如：①受水库调节和发电的影响，枯水期的来水流量较天然状态下增加，并趋于稳定。②受梯级电站水库群的防洪调度影响，大洪水出现的几率较天然状态呈下降趋势。③受电网内部调峰调度的影响，流量的日变化比较大等。

梯级电站水库调蓄对施工导截流的影响是多方面的，涉及因素很多。

梯级电站水库的修建改变了天然河道的水文特性，相关的水文条件也发生了较大变化。如：①随着各流域梯级电站水库群的初步形成，人工驾驭洪水的能力有了进一步的提高；②在梯级开发河流上的工程，尤其是在上游有龙头水库控制的情况下，施工期遭遇超标洪水的风险要比天然河流上小得多。

（2）上游梯级对施工导截流的影响汛期与非汛期有很大的不同，但都包括有利与不利影响两个方面。汛期影响的有利因素占主导，而非汛期的影响则不能一概而论。如：①在施工工程的上游有已建梯级电站，无疑上游的已建水库有调蓄、削峰的控制作用。②非汛期影响的设计流量主要涉及截流、导流底孔设置、泄水建筑物的下闸、封堵（堵头）施工期、水库蓄水、防渗墙施工平台高程等设计。

（3）下游梯级对施工导截流的影响主要为水位的影响，同样包括有利与不利影响两个方面。一方面天然河道水位抬高由此带来的一系列问题，另一方面为下游水库调蓄对减轻施工导截流难度和问题有一定的辅助作用。

回水位的影响主要涉及围堰、截流（关系到导流隧洞进口高程的确定）、围堰防渗墙施工平台高程确定、导流隧洞下闸、封堵等设计项目。

（4）上游梯级与下游梯级电站同时在建两工程的施工导截流互为影响。

3 梯级建设条件下对白鹤滩水电站导截流影响研究

3.1 上游电站对白鹤滩水电站施工导流影响的考虑

（1）汛期洪水流量——根据水文、水能分析和锦屏一级、二滩电站的泄洪能力及洪水调度方式，两电站泄洪建筑物的泄流能力相对较大，对于汛期重现期100年以下洪水，水库将不起削峰作用。只有在洪水期进行控制调度运行情况下，水库才可对白鹤滩电站施工期洪水起调蓄削峰作用。从安全角度考虑，导流设计时不考虑上游已建电站（包括乌东德电站）对洪水调蓄的影响。

（2）枯水期的设计流量——考虑到截流和下闸时间均很短，截流和下闸设计时均不考虑上游桐子林、观音岩电站机组发电影响（但截流戗堤顶高程确定需考虑其影响），采用天然情况设计流量；水库蓄水情况虽然时间较长，但考虑上游桐子林、观音岩电站机组发电的影响情况较为复杂，也采用天然情况设计流量。封堵（堵头）施工及防渗墙施工时间长，以及导流底孔的设置，设计流量考虑受上游桐子林、观音岩电站机组满发流量的影响，为安全计，按最不利情况桐子林、观音岩电站机组同时满发超24 h考虑。

3.2 下游电站回水对白鹤滩水电站施工导流影响的考虑

溪洛渡电站库区回水位的影响主要涉及白鹤滩电站围堰、截流（关系到导流隧洞进口高程的确定）、围堰防渗墙施工平台高程确定、导流隧洞下闸、封堵等设计项目，上述的项目设计中，除截流设计外均按考虑回水位的影响设计。

4 梯级电站水库调蓄下导截流标准的选择

4.1 梯级电站水库调蓄下的施工洪水分折

为减小设计工程的施工导流流量，要求上游水库在发生与施工导流标准相应的洪水时控制下泄流量，一般根据施工要求和上游水库的调蓄能力，拟定几个水库下泄流量方案，通过比较来选定合理的方案，由此确定设计工程的施工设计洪水和相应的上游水库在设计工程施工导流期间的运行调度方式。降低上游水库的防洪标准。降低上游水库的汛限水位。水库防洪调度原则造成上游水库提前蓄水，多占用防洪库容，从而降低水库的防洪标准，使水库承担的防洪风险增加。

（1）在梯级水库既定的调度原则下，分析水库调蓄对施工洪水的影响。选取的导截流标准不仅要研究河流洪水特性及干支流洪水的组合规律，还需研究水库的调度运行方式，使上、下游梯级工程相协调，并使整个梯级水库群防洪系统的综合风险最小。

（2）加大其防洪库容，用以削减中小洪水的下泄流量。降低上游水库的汛限水位，加大其防洪库容，用以削减中小洪水的下泄流量，是减少水库下游工程施工洪水的有效途径之一。但是，由于占用了部分兴利库容，将造成梯级电能的损失，需要通过经济比较来论证方案的合理性。

（3）减少上游水库的中小洪水泄量，加大大洪水时的敞泄流量。在保证上游水库防洪标准不变的前提下，减少中小洪水下泄流量，加大大洪水时的敞泄流量来满足下游工程的施工要求。采用这一方案时，应充分注意到各梯级电站水库的防洪标准、泄流能力及下游防洪要求等的相互协调关系。

（4）对于梯级电站水库，特别是设计水库上游建有防洪标准较高、防洪库容较大的水库，是否可短期内降低上游水库的防洪标准，利用其一部分防洪库容削减下游设计工程的施工洪水，在做技术经济比较的同时应进行风险分析，以确定短期内所能接受的风险，为最终决策提供依据。

（5）洪水传播时间的影响因素：洪水传播时间是指一场洪水的某一特征值（一般是洪峰流量）在某一河段上下站出现的时间差。准确地掌握或预报洪峰传播时间对做好防洪减灾工作至关重要。

所谓洪水内部因素，主要是洪水流量的量级、洪水过程以及洪水的含沙量。洪水量级的大小主要是影响过水断面面积和水深，从而改变影响水流的外部条件。洪水含沙量不同主要是影响水流自身的密度，从而影响流速。

4.2 几个问题的讨论

4.2.1 调蓄作用考虑与否问题

（1）梯级电站水库的施工洪水问题，不仅要研究河流洪水特性及干支流洪水的组合规律，还需研究水库的调度运行方式，并通过经济比较和风险分析，合理确定水库下游拟建工程的施工洪水及上游水库的最优运用方式。

（2）合理削减水库下游的中小洪水，不仅可以减少下游拟建工程的施工导流流量，还可以减少水库淹没损失，进一步降低工程造价，缩短工期，具有较大的经济效益。

（3）若坝址天然和受调洪影响的洪水成果相差不大，设计洪水可直接采用天然设计洪水成果。

因此应适度考虑上游水库的调蓄作用。

4.2.2 汛期施工洪水设计流量问题

拟建工程在汛期内某种频率下的设计流量，由上游水库同频率下的泄流量和同频率下的区间流量两部分组成。二者的叠加要进行分析论证：

（1）当上游水库和区间不属于同一暴雨中心时，区间流量可取汛期的多年平均最大月（或旬）流量。

（2）当上游水库距拟建工程较近，且属于同一暴雨中心时，二者应进行洪峰叠加。

（3）当上游水库的调节库容较大，且有条件和区间洪水错峰时，区间应取汛期常遇洪水流量和上游水库的下泄流量叠加。

4.2.3 截流的设计流量问题

当上游已有电站距拟建工程较近，且区间无较大的支流时，建议截流设计流量按3个时段控制。初期进占设计流量取时段内多年平均最大流量；合龙流量取和上游电站协商好的流量。如果在关机的情况下，要计入适量的河槽渗流量和区间支流来水量；合龙后，防渗墙施工期戗堤的挡水流量应取时段内最大可能的发电流量与某种标准下的区间流量之和。

4.2.4 下游水库协助上游梯级施工期蓄水

当水库初期蓄水时的下泄流量不能满足下游综合用水要求时，应提出临时供水措施（如下游水库的调蓄等）。

4.2.5 流冰河道梯级电站下游有水库壅水的排冰

在条件允许时，开河前夕，下游水库加大下泄量，将有利于上游梯级顺利地度过凌汛。

5 结语

施工导截流标准与大坝施工期的安全息息相关，其本质上是防洪安全与经济之间的权衡，施工导截流标准的选取既不能过度，也不能失度，除应与工程规模相适应，还应妥善解决好安全与经济、社会、环境之间的矛盾。梯级的导流标准选择应注意以下几点：

（1）对于大型水电工程，在考虑梯级电站水库调蓄作用时，应突出安全要求，综合分析各种有利及不利因素，树立风险和风险管理的观念。

（2）遵循现行DL/T5397-2007《水电工程施工组织设计规范》或SL303-2004《水利水电工程施工组织设计规范》对梯级电站施工导流方面的有关规定。

（3）选取的导截流标准与上下游梯级工程相协调，并使整个梯级电站水库群防洪系统的综合风险最小。

（4）位于梯级开发河流上的施工洪水设计流量选择，在一定程度上属洪水管理范畴，应实施从施工洪水控制到施工洪水管理的观念转移，需要针对具体情况按工程需要分析论证。

（5）梯级电站导流建筑物的布置及设计应考虑水文特性的改变、梯级电站运行等因素。

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