晋良海，梁巧秀

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 安全生产标准化评审中心，湖北 宜昌 443002；3.水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

施工度汛是指从工程开工到竣工期间由围堰及未完建大坝坝体拦洪或围堰过水及未完建坝体过水，使永久建筑物不受洪水威胁、安全施工。施工度汛是保护跨年度施工的水利水电工程，在施工期间安全度过汛期而不遭受洪水损害的措施。施工度汛需根据已确定的当年度汛洪水标准，制订度汛规划及技术措施(包括度汛标准论证、大坝及泄水建筑物安全鉴定、水库调度方案、非常泄洪设施、防汛组织、水文气象预报、通讯系统、道路运输系统、防汛器材等)。施工度汛包括施工导流初期围堰度汛和后期坝体拦洪度汛。围堰及坝体能否可靠拦洪(或过水)与安全度汛，将关系到工程的建设进度与成败。例如龙羊峡水电站因拦洪成功而加快了施工步伐。所以施工安全度汛是整个工程施工进度中的一个控制性环节，必须慎重对待。

水利水电工程、桥梁工程、河道港口工程等涉水工程施工可能遭遇洪水。洪水是一种随机不确定的水文现象，迄今人们对洪水变化规律认识还不深[1]。有关洪水的物理成因、时空分布、遭遇组合以及洪水波运动等都十分复杂，对洪水发生的地点、时间和量级常难以预测预报；另外，洪灾是由洪级和洪度两方面共同决定，洪级反应洪水大小，洪度表征洪水对某一地区影响强烈程度，由于洪水具有突发性和时变性，洪级和洪度往往难以确定。如果施工度汛标准太高，不仅增加导流费用，而且可能因其规模太大以致无法按期完成，造成工程施工进度的被动局面；反之，增加工程实体遭受洪水损毁的概率，从而导致返工现象增多，造成施工工期延误，严重时导致整个工程失事和下游人民生产财产损失。因此，如何制订科学合理的施工度汛方案对于涉水工程施工极其重要。

就水利水电工程而言，制订度汛方案包括导流建筑物、坝体度汛断面与坝体泄流设施等在时间与空间上的规划。一方面，进行导流建筑物的设计时需按水力学公式计算过流能力，但任何水力学公式都不可能完全准确地描述实际水流的真实情况，而且公式的应用条件也会和实际情况有出入，因而使得真实流量和计算值不一致；此外，公式中的各变量和各参数值的选取也存在不确定性，而模型实验与原型之间会因缩尺影响而产生误差，这些误差使得导流量的设计值与实际值产生差异；其次，在施工材料的选择上也往往不会完全符合设计要求，从而导致糙率系数与设计值不符，影响过流能力[2]。另一方面，坝体施工过程中，经常会出现坝体施工面貌达不到临时度汛洪水标准要求，而采取坝面过流度汛措施，其水流状态比较复杂，坝面可能产生负压、气蚀，导致坝坡失稳。坝体的坝坡稳定问题是混凝土坝施工期安全渡汛中的重要问题之一，它不仅事关大坝施工期安全，而且对大坝后期的运行安全也有重大影响[3]。

综上所述，施工度汛不仅影响到水利水电工程的施工安全、施工工期及工程造价，还常对坝址下游地区的防洪安全造成不利影响。因此，在水利水电工程建设中，施工度汛是控制性的施工项目之一。为此，应分析研究各期导流特点和相互关系，全面规划、统筹安排，运用风险分析的方法、处理洪水与施工的矛盾，确保枢纽工程建设顺利进行。迄今，施工度汛研究已经取得了很多成果。综合已有文献，分别从施工度汛的分类、度汛标准、度汛风险量化计算模型研究进程和施工度汛经验这四大方面对其进行综述，并指出有待进一步研究的方向和内容。

1 施工度汛分类

(1)根据上游是否已建有水库，可分两种情况[4]。当河流上游未建水库时，工程施工初期要靠围堰抗御天然洪水，即围堰挡水度汛。这种度汛形式使得施工围堰的设计标准高、投资大、工期长。

当上游有水库时，水库施工可以依靠上游水库拦蓄洪水的作用，削减施工期洪峰，即上游控泄条件下围堰挡水度汛[5-8]。因此，围堰设计标准可以降低，投资小、工期短。汛期上游水库的调度应积极配合下游电站的施工，完全服从下游电站施工度汛的要求。

(2)根据施工的阶段不同，可以分为初期围堰度汛和中后期施工度汛两大类[9]。初期围堰度汛，无论是不过水围堰或过水围堰，都有一定的设计洪水标准和安全措施。遇超标准洪水时，应采取临时度汛措施。度汛措施一般有：①针对不过水围堰，在堰顶加高子堰，提高挡水标准；②对于混凝土围堰，允许堰顶过水，但应考虑围堰过水时的稳定；③设置非常溢洪道，增大泄洪能力。

中后期施工度汛由大坝等永久建筑物承担，其度汛的泄流方式，应根据坝型、枢纽建筑物的布置、封孔蓄水时间及施工条件等统一考虑。

(3)根据坝型不同，可分为混凝土坝度汛和土石坝度汛。混凝土坝度汛，在坝体缺口高程较低时，呈淹没堰流，对建筑物一般不会造成破坏。当坝体缺口较高时，水流呈非淹没堰流或挑流形式，坝面可能产生负压、气蚀，对下游基础或其他建筑物可能造成冲刷破坏。应对坝体的稳定及应力进行验算，针对不同的问题，采取相应的防护措施。

土石坝度汛，因土石坝工程量一般都较大，即使采用临时断面挡水，有时也难达到拦洪高程，需要临时过水，通常采用填筑临时断面拦洪和开设坝体缺口泄洪等措施。

2 度汛标准

2.1 坝体施工期临时度汛标准

当坝体筑到高程超过围堰顶高程时，进入后期导流，改由未完建坝体挡水，其临时度汛洪水标准应根据坝型及坝前拦洪库容按表1的规定确定。

表1 坝体施工期临时度汛洪水标准

2.2 封堵后坝体度汛标准

导流泄水建筑物封堵后，如永久泄水建筑物尚未具备设计泄洪能力，坝体度汛洪水标准应分析坝体施工和运行要求后按表2规定执行。汛前坝体上升高度应满足拦洪要求，帷幕灌浆及接缝灌浆高程应能满足蓄水要求。

表2 导流泄水建筑物封堵后坝体度汛洪水标准

3 度汛风险量化计算模型研究进程

水利水电工程是风险工程，在进行方案选择、设计优化和实施时，工程的度汛风险应作为一个重要的决策指标。所以，如何确定施工风险就显得十分重要。在度汛风险计算的方法上，由单纯考虑水文风险向综合考虑水文、水力和坝体填筑的不确定性风险发展[10]。国内外不少学者在施工度汛风险分析方面做了很多探讨，提出一些度汛风险模型。

3.1 调洪计算原理

一般来说，度汛风险计算的目的是为了找出当一定防洪标准的设计洪水入库后能满足防洪要求的度汛高程[11]，故施工度汛风险的计算涉及调洪计算原理。当洪水入库后，其运动是属于不稳定流。水库沿程的水位、流速和过水断面等均随时变化，可用圣维南方程组表示[12]。由于圣维南方程组一般很难求得精确解的析解，实用中多采用瞬态法，直接差分法及特征线法等近似解法[13]。调洪计算的实用方法可分为静库容法及动库容法[14]。静库容法假定库内流速趋近于零，库水面为水平的，即库容与坝前水位成单值函数关系，忽略动力方程对调洪的影响，将连续方程写成有限差的水量平衡方程并建立水库下泄流量与水库蓄水量之间的关系。动库容法指水库尾部地形开阔或回水尾端库水面曲线上翘显著，动库容(实际库水面与水平库面间的库容)不容忽视时，按不稳定流计算方法逐段进行洪水演算。这种方法的工作量很大，实际应用采用回水曲线法和近似法[15]。

3.2 度汛风险计算模型的发展

针对度汛风险计算模型求解困难这一问题，肖焕雄、王卓甫、Takbiri等[16-18]基于随机点过程理论，提出了一些风险率模型，但模型中只考虑了洪水过程的不确定性，在实际工程中流量资料有限的情况下难以得到理想的结果，都可能导致高损失低概率与低损失高概率的计算结果相同。为此，晋良海等人[19]应用分割多目标风险法(PMRM)给定分割概率，计算给定概率范围内的条件概率，得到多种风险函数，最后将这些风险函数加入到风险决策模型的目标函数中进行风险决策。

然而，只考虑水文的不确定性进行度汛风险计算，考虑因素单一，很难符合实际度汛情况，研究人员在不断的实践及理论研究中结合水文不确定性、水力不确定性两因素，提出了风险决策模型[20-22]。上述文献中的风险分析方法较为全面地考虑了施工导流中水文及水力不确定性因素，得到了导流标准的风险，但仍然未考虑水位、经济等多个不确定性因素。Al-Futaisi、钟登华、Abraham Warszawski等人[23-25]提出了基于多元不确定性因素的模型。然而，上述模型均在未考虑施工进度计划不确定性的情况下得到的。Daud Nasir、王卓甫等[26,27]对施工进度安排表进行分析研究，提出了施工进度风险计算模型；将系统仿真、网络计划和系统评价等技术方法引入到大型工程的施工组织设计领域，对大型工程施工进度分析理论及其应用进行了研究。

尽管上述文献中的风险分析方法较为全面地考虑了施工导流中水文、水力及多种不确定性因素，得到了导流标准的风险，但其风险的研究是在假定上游挡水建筑物高程确定，并且其导流风险的研究割裂开初期和中后期导流之间的内在联系，没有从整个施工导流系统均衡的角度将各个导流时段的导流方案联系起来分析。近年来，随着流域梯级水电站建设工程的不断推进，以一个开发主体进行流域梯级开发存在两座相邻水电站同时施工的情况(如三峡集团金沙江流域的上游乌东德和下游白鹤滩工程有可能同期施工)，或上游已建水库工程，对相邻两电站组成的上下游施工度汛系统进行整体风险分析，对于节省导流工程投资规模，优化施工度汛方案，有重要的理论意义和实际价值[28,29]。然而，上下游洪水在时空上有极大的相关性，使得度汛风险变得更加复杂，导致下游水电站遭遇的施工洪水更加难以估量，增加了风险计算的复杂性[5-8,30,31]。

3.3 总 结

目前，施工度汛风险研究以水文、水力学因素分析为主，经历了探索、成型和发展3个阶段。具体见表3所示。

表3 施工度汛风险研究进程

由表3得，近些年不少学者在施工度汛风险方面做了大量的理论研究，取得了巨大的成就。但施工度汛存在诸多不确定因素且因素间的关系复杂，很难从根本上解决度汛风险，实现安全度汛是亟待解决的问题。

4 施工度汛经验

通过几十年工程实践总结，在施工度汛方面主要积累了以下经验：

(1)较多工程采用围堰挡枯水期一定标准流量，汛期允许围堰过水的导流方式，如隔河岩、大朝山等工程。也有的大型工程为了加快施工进度，保证大坝工程质量而采用围堰挡全年洪水的隧洞导流方案，如二滩、构皮滩等水电站。

(2)导流建筑物与永久建筑物相结合，如利用坝体永久底孔作后期导流(如葛洲坝、万安工程)，将导流洞与永久泄洪建筑物结合(如小浪底、鲁布革、碧口等工程)。

(3)土石坝型的围堰工程，上游围堰尽可能与坝体结合，采取以坝体拦挡第一个汛期洪水的导流方式。

(4)一般情况下，不宜采取土石坝过水度汛的导流方式，否则应采取坝面防护措施过水度汛。

(5)混凝土面板堆石坝可提前拦洪度汛。当未浇筑混凝土面板之前，对上游坝坡采取碾压砂浆或喷混凝土，水泥砂浆等固坡措施后即可临时挡水度汛；对坝体预留部位及坝坡采取防护措施后，可用坝体过流度汛，此时可降低导流设施规模。

(6)施工安全度汛应考虑围堰遇超标准洪水时的临时度汛措施，应针对各种不同坝型及其存在的问题，采取相应的防护措施。

5 研究方向

施工度汛作为工程建设过程中重要一环节，在很多方面还有待改善和提升，如：水文、水力、土力等一些重要随机参数的统计量化的基础性研究工作，特别是小概率事件的定量和验证；防洪工程和区域防洪风险率的定量计算模式和方法的研究，包括大坝、堤防各种失效模式风险率的量化研究；适合我国国情的允许风险阈值的研究与确定，与现行规范的衔接问题；防洪系统的综合风险率评估和系统决策方法的研究等。梳理已有研究成果并分析现存的不足之后，从三个方面总结出进一步的研究趋势。

(1)洪水的洪级和洪度研究。度汛风险不仅要考虑水文、水力、坝体填筑、施工进度计划、上游已建水电站控泄和调度及施工导流系统与梯级电站的关联等因素的影响，还要考虑洪水的洪级与洪度。洪级反应洪水大小，洪度表征洪水对某一地区影响强烈程度，由于洪水具有易损性、脆弱性和不确定性，洪级和洪度往往难以确定。洪级和洪度是唯一量化洪水的标准，只有研究清楚洪级和洪度，才能从根本上认识洪水，解决施工度汛风险。

(2)施工度汛应急资源在线响应机制研究。洪水是一种随机的水文现象，洪水发生的地点、时间和量级常难以预测预报，是一个随机事件。考虑洪水的不确定性和施工应急资源的有限性，如何将超标洪水造成的损失降到最低是值得研究的问题。所以，采用动态博弈网络技术对应急资源进行优化配置[32]和利用在线排序方法对有限的应急资源进行协同调度[33]是十分必要的。

以上这些问题的研究和解决，将会大大推动我国洪灾风险管理工作的开展,促进现代施工度汛安全保障体系的建设。

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[1] 李原园,(英)塞耶斯,沈福新.现代洪水风险管理[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[2] 谢小平,黄 强,徐晨光,等.公伯峡水电站施工度汛方案风险分析[J].水力发电学报,2005,24(6):6-8,29.

[3] 田 斌,戴会超,童富果.混凝土面板堆石坝施工度汛断面坝坡稳定性研究[J].水利发电学报,2005,(2):77-80.

[4] 匙召君.公伯峡水电站施工度汛方案优化设计[D].西安：西安理工大学,2002.

[5] 张 超,胡志根,刘 全.基于Copula-Monte Carlo 方法的串联施工导流系统风险分析[J].水力发电学报,2013,32(4):46-50,56.

[6] 陈 述,胡志根,刘 全.基于上游水电站控泄的施工导流风险分配研究[J].水力发电学报,2014,33(2):193-200.

[7] 薛进平,胡志根,刘 全.梯级水电站建设施工导流风险分析[J].四川大学学报(工程科学版),2014,41(1):75-80.

[8] 刘 全，胡志根，任金明，等.梯级建设环境下水电工程施工导流风险分析[J].水力发电学报，2014,33(1).

[9] 夏仲平.施工导流与施工度汛技术进展[J].人民长江,2005,36(10).

[10] 李爱花,刘 恒,耿雷华,等.水利工程风险分析研究现状综述[J].水科学进展,2009,20(3):453-459.

[11] 丁 伟,梁国华,周惠成,等.基于洪水预报信息的水库汛限水位实时动态控制方法研究[J].水力发电学报,2013,32(5):41-47.

[12] 付成威,苑希民,杨 敏.实时动态耦合模型及其在洪水风险图中的应用[J].水利水运工程学报,2013(5):32-38.

[13] 许海军,陈守煜,郭纯一.基于实测资料的水库动库容调洪数值解法[J].大连理工大学学报,2003,43(6):837-840.

[14] 廖小龙,陈俊贤,朱毅峰,等.一种简单实用的水库调洪数值-解析法[J].水力发电学报,2014,33(5):44-47.

[15] 罗立哲，胡志根，刘 全，等.高坝施工全过程导流风险多维评估[J].中南大学学报(自然科学版),2014,45(3):840-846.

[16] 肖焕雄,孙志禹.不过水围堰超标洪水风险率计算[J].水利学报,1996,(2):37-42.

[17] 王卓甫.考虑洪水过程不确定的施工导流风险分析计算[J].水利学报,1998,24(4):33-37.

[18] Takbiri Z, Afshar A. Multi-objective optimization of Fusegates system under hydrologic uncertainties [J]. Water Resources Management,2012,26(8):2323-2345.

[19] 晋良海,田 斌,梁 川.施工度汛的分割多目标风险模型及应用[J].四川大学学报(工程科学版),2010,42(1):87-90,148.

[20] 钟登华,黄 伟,安 娜.基于Monte-Carlo方法的施工截流风险估计方法研究[J].水利学报,2006,37(10):1 212-1 216.

[21] Afshar A,Barkhordary A,Marino M A. Optimizing river diversion under hydraulic and hydrologic uncertainties[J].Journal of Water Resources Planning and Management,1994,120(1):36-47.

[22] 胡志根,刘 全,贺昌海,等.基于Monte Carlo方法的土石围堰挡水导流风险分析[J].水科学进展，2002,22(9):634-638.

[23] Ahmed AI-Futaisi ,Jery R Stedinger. Hydraulic and economic uncertainties and flood2risk project design[J].Journal of Water Resources Planning and Management,ASCE,1999,125(6):314-324.

[24] 钟登华,黄 伟,张发瑜.基于系统仿真的施工导流不确定性分析[J].天津大学学报,2006,39(12):1 441-1 445.

[25] Abraham Warszawski,Rafael Sacks. Practical multifactor approach to evaluating risk of investment in engineering projects[J].Journal of Construction Engineering and Management, 2004,130(3):357-367.

[26] Daud Nasir,Brenda McCabe, Loesie Hartono. Evaluating risk in construction2Schedule model ( ERIC2S): construction schedule risk model[J].Journal of Construction Engineering and Management,2003,129(5):518-527.

[27] 王卓甫,欧阳红祥,李红仙.水利水电施工塔接网络进度风险计算[J].水利学报,2003,(1):98- 102.

[28] 刘 潋,胡志根.上游水电站调蓄下施工导流风险效益分摊模型[J].河海大学学报(自然科学版),2014,42(6):559-564.

[29] 刘 潋,胡志根,崔金铁,等.上游水电站控泄条件下的施工导流风险补偿研究[J].水利学报,2013,44(2):243-249.

[30] 张 超,胡志根.高堆石坝中期度汛挡水风险率估计[J].水科学进展,2014,25(6):873-879.

[31] 刘 全,张 超,胡志根.基于Copula-Monte Carlo方法的串联施工导流系统风险分析[J].水力发电学报,2013,32(4):46-50,56.

[32] 计 雷,池 宏,陈 安,等.突发事件应急管理[M].北京：高等教育出版社,2006.

[33] 唐国春,张 峰,罗守成,等.现代排序论[M].上海：上海科学普及出版社,2003.