大型水利水电工程施工水力控制及灾害预测关键技术
2018-07-13
(长江科学院 a.水力学研究所; b.水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)
1 研究背景
20世纪80年代，我国水能资源利用的重点向西部山区转移，一些大型水利水电工程因布置受限，多采用了隧洞导流，一般具有“河谷狭窄、河道纵坡大、覆盖层深厚、滑坡体密集”等地形地质特征和“规模大、运行条件复杂、梯级同时在建”等工程特点，加之河道两岸大规模滑坡体密集(金沙江下游平均每1.97 km河段就有一个大型滑坡体)和施工期大水位变幅极易诱发滑坡涌浪及溃堰灾害，加大了其施工水力控制和灾害风险控制的技术难度和复杂性。施工期水力控制及灾害减免出现诸多尚待解决的新问题，如：梯级同时在建条件下的导截流标准风险控制、陡坡隧洞易形成明满交替流等不良水力特性危及隧洞安全；深厚覆盖层河床条件下的度汛安全及减轻截流难度新技术,以及滑坡涌浪及溃堰灾害减免等，其关键技术问题的主要技术经济指标和难度达到世界最高水平，以往相关理论、标准、技术、方法等难以满足西部山区复杂条件下施工导截流工程的安全性和经济性要求，亟待创新和发展。因此，开展大型水利水电工程施工水力控制及灾害预测控制关键技术研究对于推动相关学科发展、加快水利水电行业科技进步具有重大作用。
2 技术路线及总体设想
本文针对我国西部山区大型梯级水利水电工程呈现出的新特点，以安全经济、防灾减灾为宗旨，以水电开发战略和市场需求为导向，紧密结合乌东德、白鹤滩等工程实际，通过产学研结合，围绕导截流标准风险控制、导流水力控制、截流水力控制、灾害减免控制4大方面的基础理论和关键技术难题开展了系统研究和创新。具体分解为12个关键技术问题，各关键技术问题对导截流的影响以及相关关系如图1所示。
图1 导截流水力控制及灾害预测控制研究技术路线
3 导截流标准优选及风险控制技术
3.1 多梯级同时在建条件下导流系统风险评估及标准优选技术
3.1.1存在的问题
山区隧洞导流存在梯级同时在建情况，这增加了施工过程的洪水控制和施工导流的动态特性在时空上的多属性和不确定性，其系统风险因素和特征较单一电站建设环境差异大、复杂度高，如何协调好这类导流标准的安全性和经济性，已成为制约导流标准风险控制和优选的关键技术瓶颈。
3.1.2创新成果
提出了适合山区隧洞导流系统风险特点的标准选取依据与原则；提出了考虑上游梯级、上游支流、河段区间、在建工程、下游工程等多个影响主体的山区施工导流风险因素及其定量化方法，提出了基于洪水系统传递机制的梯级导流风险因素耦合方法[1]；改进了Monte-Carlo测度方法[2]，解决了导流风险不确定性分布差异较大、非线性强以及耦合过程复杂等难题；建立了基于上游控泄的风险控制与转移费用分析方法，在减少导流系统确定型费用的同时控制不确定型费用，达到优化导流方案的目的；提出了基于导流系统失效次数的风险配置方法及其优化策略，建立了梯级在建条件下的导流标准风险决策模型[3-4]。
以白鹤滩工程为例：应用一般施工导流风险评价和导流标准选取方法，仅考虑坝址洪水水文不确定性因素的条件下，30 a一遇上游水位为650.6 m，而考虑梯级建设影响可提高重现期约14%，说明一般方法风险偏高；当洪水标准较高时，两者差别较小。因此，考虑梯级工程同时在建影响因素，可使导流标准更接近于施工实际，更好地协调导流安全性和经济性。
3.2 基于水文实时监测预报的截流风险决策技术
3.2.1存在的问题
截流是整个施工导流工程中关键而又复杂的工序之一，其成败不仅直接关系到工程能否按计划完成，而且将关系到整个工程的全局。受来流的随机性、分流建筑物分流能力和施工工期的不确定性等多重因素的影响，截流标准与施工实践存在较大偏差，如何把握截流时机，协调截流的经济性、技术性及风险性之间的关系已成为制约截流标准风险控制的重大技术难题[5-6]。
3.2.2创新成果
结合近期截流时段的实测洪水资料分析截流洪水不确定性特征，应用非平稳一阶自回归过程模型模拟截流洪水过程，建立截流施工洪水过程模型，弥补了经验推求和频率曲线外延的不足。解析了截流施工工期不确定性，建立了截流工期风险模型。应用蒙特卡罗方法耦合了截流流量风险模型、截流工期风险模型和截流施工洪水过程模型，建立了河道截流风险估计模型，统计了流量指标的截流风险系列，揭示了截流流量与截流风险的关系。建立了包括施工、水文、水力等截流风险决策指标体系及其风险率计算方法。集成提出了基于水文实时监测预报的截流标准风险决策模型，充分反映了截流施工的短期性、时机灵活性等特点，解决了现行施工组织设计规范规定的截流标准与施工实践偏差较大的难题[7-8]。
图2 截流流量对应的保证率
以某工程截流为例：按现行规范评估，11月上旬平均10 a一遇截流流量16 300 m3/s，对应的截流保证率为98.62%(图2中p点)；而10 a一遇、10%风险、90%保证率水平对应的截流流量为14 611 m3/s(图2中q点)，降低10 a一遇截流流量10%。基于实测洪水分析的河道截流风险评估模型与洪水频率分析方法在相同标准下的流量较低，更接近目前大部分截流工程实践。
4 导流水力控制技术
4.1 陡坡隧洞导流水力控制技术
4.1.1存在的问题
隧洞陡坡易产生明满交替流、大水位变幅易形成吸气漩涡、长隧洞易形成大范围负压等不良水力特性危及隧洞运行安全。
4.1.2陡坡隧洞成因及机制
(1)明满交替流成因及机制：先决条件是洞内是否形成C2型曲线并封闭洞顶；内部条件是被封闭的气囊会受其他因素影响发生迅速膨胀压缩变形；外部条件是进口漩涡吸气、门井吸气、洞顶负压等造成导流洞出口顶部无足够进排气面积致使导流洞进排气不畅。上述条件同时作用产生明满流现象。
(2)进口漩涡成因及消涡机制：进口漩涡关键因素为临界淹没水深Hk和进口流场。淹没水深影响表面环流和点汇流速,当H
(3)大范围负压成因及增压机制：当洞顶压坡线低于洞顶高程时便出现负压，直至洞顶负压达到最大值；接近出口处主流偏底部，上部流速渐减,压力渐增，直至发展至出口大气压力为止。
(4)上述三者相互作用机制：物理模型及陡坡隧洞数值模拟研究表明，隧洞底坡较陡是产生明满交替流的最主要因素，进口漩涡、洞顶大范围负压等并非洞内明满交替流产生的根本原因。进口漩涡吸气、洞顶负压造成闸门井吸气均扩大了明满交替流流量区间；明满交替流及吸气漩涡使洞顶负压值随底坡增大呈现负压增大且不稳定状态，洞顶长期处于交变负荷作用下,危及隧洞运行安全。
4.1.3导流隧洞运行安全复合式水力控制技术
(1)进口消涡：隔流浮堤通过调整其布设位置、角度、长度和吃水深度可有效阻隔消弱表面环流，实现消涡目的，在金沙江塔城导流洞中得到设计应用。隔流浮堤可自适应40 m以上大水位变幅，灵活性、适用性强；可将直径8～10 m大尺度贯通式吸气旋涡消减为表面凹陷不吸气旋涡。
(2)进口体型优化：锐缘进口可避免明满流交替流发生，应用于苗木河(底坡7.5%)设计；椭圆曲线优化可缩小明满流交替流量区间，在沐若水电站(底坡2.87%)得到应用，可将明满流交替流量区间缩小80%；将洞顶负压控制在-3 m水柱以内[10]。
(3)出口压坡：通过调整坡比与出口断面收缩比，有效协调了泄流能力与大范围负压的矛盾，减免了空化空蚀危害。
(4)技术集成：经乌东德、白鹤滩、水布垭、构皮滩、塔城、沐若和苗木河等工程应用，效果良好。
4.2 覆盖层河床钢筋笼柔性毯防护新技术
4.2.1存在的问题
导流隧洞出口下游侧向出流及覆盖层低抗冲刷能力导致下游岸坡被冲刷破坏失稳。
4.2.2创新成果
首次提出深厚覆盖层河床防护新技术——钢筋笼柔性毯，解决了河床深厚覆盖层抗冲能力差、周围建筑物及边坡易失稳等技术难题，确保了导流建筑物及下游岸坡安全。
(1)技术原理：通过链接咬合，利用钢筋笼柔性毯的整体性、应变相容性以及低流速区块体对高流速区块体的牵制，解决了深厚覆盖层河床防护问题。
(2)性能指标：经济实用，钢筋石笼流失率低于5%，冲刷深度减少60%；冲刷范围减少70%；节省成本20%，明显优于特大块石和单体钢筋石笼防护。
(3)原型验证：经2015年9月份在乌东德导流洞泄洪中检验，防护效果良好。
4.3 过水围堰堰面分级整流防护新技术
4.3.1存在的问题
常用围堰断面堰顶多为单一水平线，过堰水流经过堰顶流态类似于宽顶堰流，流速会沿程逐渐增加，堰顶尾部为最大流速区域，在该区域易冲刷形成溃口。在防护上存在单宽流量大、最不利工况不易确定等问题；围堰上下游落差大，出流形态复杂；覆盖层深厚，围堰下坡脚淘刷，堰体易失稳。
4.3.2创新成果
创新性地提出了过水围堰分级整流新技术，解决了大流量、深厚覆盖层条件下围堰度汛安全难题。
(1)分级整流技术原理：通过堰面分级整流(布置见图3)，实现了逐级消能、分区防护、减少冲刷的目的，揭示了高低平台级差与上下游水位、消能率的关系，解决了过水围堰度汛安全难题。
图3 堰体分级整流横断面
(2)性能指标：通过乌东德模型试验，很快确定了不利工况流量Q为18 500 m3/s和23 600 m3/s，流态、流速分布优于常规堰体。最大流速降低25%，节省投资20%，堰体重点防护部位面积减少40%，下游覆盖层防护面积减少30%。
(3)实施效果：经2015年9月份乌东德过水围堰安全度汛原型检验，堰体防护良好。
5 截流水力控制技术
5.1 天然截流块体稳定实用计算公式
5.1.1存在的问题
经典截流块体稳定计算公式中的稳定系数K值采用定常系数，与实际偏差较大。
5.1.2创新成果
截流块体稳定经典计算公式未计及水深H、垂线流速系数α、相对糙度Δ/D、绕流系数ξ等影响因素,因而与实际存在较大差异。通过理论分析和系列模型试验，提出了考虑上述影响因素的适用于平堵和立堵截流不同阶段、不同堤头形态的截流块体稳定实用计算表达式，完善了截流块体稳定理论，弥补了经典计算公式的不足[11]。
这里仅列举立堵截流连续抛投进占情况如下。
紧凑断面：
(1)
扩展断面:
(2)
成舌根时:
(3)
式中：V为流速；H为水深；D为抛投料粒径；Δ/D为相对糙度；g为重力加速度；γs，γ分别为抛投料和水的重度。
实用计算公式与同类公式比较如下所述。
(1)计算参数：考虑了水深、流速分布、河床糙度、绕流系数的影响，较同类截流块体稳定算法复杂。
(2)计算精度：截流困难段与传统经典算法差异不大；非龙口段，经典算法与实际误差较大，本计算公式与实际十分接近。
(3)实施效果：应用于白鹤滩、乌东德等工程截流备料设计，流失率较小，安全性、经济性均优于同类算法。
5.2 六面体钢筋笼实用计算公式
5.2.1存在的问题
钢筋笼具有透水性，整体稳定性好，可利用当地石材，但一直缺乏稳定计算方法。
5.2.2创新成果
提出了考虑其形状因素、河床糙度因素的六面体钢筋笼止动流速和起动流速的计算公式[12]，具有较高的计算精度和实用性，填补了钢筋石笼无稳定计算公式的空白。止动流速和起动流速分别为：
(4)
(5)
经工程验证，采用本计算公式的止动流速和起动流速计算值与实际值误差很小。
5.3 覆盖层条件下高稳定性截流块体结构研发
5.3.1存在的问题
相同质量截流块体，在有覆盖层时，其稳定性主要取决于覆盖层自身的稳定性，其次取决于块体形状的适应性。为满足深厚覆盖层条件下安全经济截流的要求，需研发适应性较高的新型块体结构。
5.3.2创新成果
发明了内附透水性反滤土工膜的四面体钢筋笼和圆柱线体2种新型高稳定截流材料，满足了深厚覆盖层河床安全经济截流需求[13]。
(1)内附透水性反滤土工膜的四面体钢筋笼：充分利用四面体的结构稳定性及对覆盖层的适应性、钢筋笼的透水性和经济性，同时采用透水反滤土工膜防止细粒料流出。其止动稳定系数均值为0.86(正六面体为0.69)，用于截流抛投止动，稳定性高于相同质量正六面体钢筋笼25%。
(2)圆柱线形体[14]：圆柱形易于在坡面上滚动到底部，空心圆柱线体的透水性可减小截流龙口的落差和流速，降低截流难度。用于截流困难段抛投，易滚动到底，流失率20%,显著优于四面体和钢网石笼等；空心管就位后，可增大分流比，减小龙口流速。其适用性强，已部分应用。
5.4 “水下宽戗堤”降低截流难度新技术
5.4.1存在的问题
在河床覆盖层深厚、河道纵坡大且龙口流速、落差均很大的条件下截流，以往明渠截流降低截流难度的技术，如双戗截流、平抛垫底、拦石坎等，效果较差，难以满足安全经济截流要求。
5.4.2创新成果
创新性地提出了“水下宽戗堤”降低截流难度新技术，实现了“覆盖层深厚、河道纵坡大”条件下的安全、经济截流[15]。
(1)技术原理：基于流失形成的舌状体平台可增大摩阻、分散落差、扩散降速的技术原理，在舌状体平台为围堰一部分时，安全经济地降低了截流难度。
(2)性能指标：与宽戗堤方案相比，可大幅减少特大块石用量，缩短截流时间。瀑布沟截流应用表明,在不进行护底加糙、落差接近5 m、截流流速>8 m/s的条件下，可顺利实现截流。在“深厚覆盖层、大河道比降”条件下截流适用性明显优于同类技术，具有广泛的推广应用价值。
6 施工期滑坡涌浪、溃堰灾害预测控制技术
6.1 施工期滑坡涌浪致灾机理及预测控制技术
6.1.1存在的问题
西部山区河道两岸大规模滑坡体密集，金沙江下游平均每1.97 km河段就有一个大型滑坡体。隧洞导流汛期水位变幅大且不可控，易诱发山体滑坡，形成巨大涌浪，涌浪沿程传播恶化航运条件、危及船舶安全，同时在两岸形成爬坡，危及岸上建筑物与居民的安全。
6.1.2创新成果
揭示了西部山区水电工程建设中大水位变幅条件下滑坡涌浪的形成机理；首次提出了滑坡涌浪过程中第二次涌浪为首浪的观点。
(1)滑坡涌浪形成机理及首浪新观点:高陡岸坡滑坡体失稳下滑过程中，其势能依次转化为滑坡体动能、受纳水体势能与动能、涌浪波能。滑坡体入水过程中与水体相互作用，小部分滑体动能变为水体动能，而大部分变为水体势能，其入水区形成的空腔是受纳水体储存势能的外在表现形式，是涌浪形成的核心环节；滑坡体完成滑动后，空腔坍塌将其储存的势能转化为波能，最终形成携带巨大能量的首浪[16]。
(2)首浪高度的影响因子及其权重:①整体滑坡体对首浪高度有显著影响的因素依次为滑坡体宽度、受纳水深、入水速度、滑坡体长度、滑坡体厚度; ②散体滑坡体对首浪高度有显著影响的因素依次为滑坡体体积、滑动面倾角、散体粒径、受纳水深、入水速度;③首浪高度随受纳水深增大而减小，随其他因素的增大而增大,滑动面倾角与对岸坡角对首浪高度的影响甚微，可不予考虑。
(3)首浪高度预测公式[17]:①整体滑坡体公式(6)中b/t表示滑坡体迎水面形状系数；l/t表示滑坡体侧面形状系数；t/h表示滑坡体相对厚度。②散体滑坡体公式(7)中Vs/h3为滑坡体相对体积；d/h为滑坡体相对粒径。
(6)
(7)
式中：H首浪为首浪高度；h为受纳水深；u为入水速度;b,t,l分别为滑坡体的宽度、厚度、长度；Vs为滑坡体体积;d为滑坡体中值粒径。
图4 滑坡涌浪瞬时水面示意图
基于二维浅水流方程，在动量方程源项中考虑滑坡体对水体的体积侵占效应与动量作用，推导了滑坡体入水形成涌浪的水流运动控制方程，求解采用了基于有限体积法与TVD-MacCormack格式高分辨率数值离散技术，以保证模型的稳定性、守恒性,构建了滑坡涌浪形成及传播过程数值模型，不同时刻滑坡涌浪瞬时水面见图4。
6.2 土石围堰溃决机理及预测控制技术
6.2.1存在的问题
绝大多数施工围堰均为临时建筑物，常采用土石为主体材料进行填筑，其抵御风险的能力较弱，如果遭遇超标准洪水、地质灾害或其引起的次生洪水灾害、强烈地震、战争或恐怖袭击破坏、上游大体积漂移物堵塞泄洪建筑物、设计与施工质量及运行管理不当等风险，则可能漫顶或失稳破坏而溃决，从而威胁施工及其下游沿程人民群众生命财产安全。
6.2.2创新成果
揭示了全线漫顶冲蚀、逐层均匀冲蚀和陡坎瀑布状水流冲蚀溃堰溃决机理，建立了高分辨率“堰体溃决-洪水演进”流固耦合数值模型[18-21]。
土石堰体溃口发展与堰型、几何剖面形状、填筑材料、级配和密实度等因素密切相关，垂向以水流冲蚀下切为主，横向扩展以水流淘刷边坡进而发生重力崩塌方式为主，溃口形态呈梯形或矩形，边壁较陡近乎直立。
(1)逐层均匀冲蚀溃决方式:堰体冲蚀过程相对均匀，形成明显的侵蚀沟，并不断刷深展宽，使下游坝坡坡度不断变缓，并逐层向堰体主体区域推进发展，堰体坡度愈加缓倾，溃口平面同步扩展，直至主体堰体冲蚀殆尽,见图5。
图5 溃口中心线冲蚀过程纵剖面
(2)陡坎溃决方式:堰体快速溃塌发生在大“陡坎瀑布状水流”形成阶段，水舌落点部位堰体受到冲刷后形成陡坎造成水流落差增大、冲刷能力加大，不断淘蚀“陡坎”底部，两侧边壁岸坡失稳发生重力崩塌，崩塌持续向上游发展，上游的堰体溃口宽度加大，泄流量加大，堰体快速溃塌。
(3)溃决洪水演进数值类型:基于二维浅水流模型，研制了具有间断波捕捉能力的数值离散格式，提出了与数值离散格式相匹配的基于单元属性与界面属性的动边界处理技术，建立了基于有限体积法与TVD-MacCormack格式的堰体溃决-溃堰洪水演进相结合的数值模型,见图6。
图6 溃口区水面高分辨率模拟示意图
7 实施效果
(1)基于梯级调蓄及实测径流资料建立的复杂建设环境下的施工导、截流风险估计方法，提出了梯级水库调蓄下施工导流流量的选用准则，形成的系列修订建议已编入了《水利水电工程施工导流设计规范》(SL 623—2013)，完善了我国现行导流标准体系，成功推广应用于类似工程导流设计中。
(2)提出了“进口浮堤消涡+进口顶部体型优化+出口压坡”等复合式水力控制措施,并应用于马来西亚沐若水电站，有效减免了进口吸气漩涡，将洞内明满流交替流量跨度由1 400 m3/s降至了300 m3/s，将洞顶负压控制在-3.0×9.8 kPa以内，解决了洞内不良水力特性易产生隧洞空蚀振动破坏问题。
(3)“水下宽戗堤”减轻截流难度新技术成功应用于大渡河瀑布沟工程截流，不进行护底加糙、落差接近5 m、截流流速>8 m/s条件下顺利实现了安全经济截流,具有广泛推广应用价值。
(4)研究提出的考虑相对水深、垂线流速系数、相对糙度、绕流系数因素的块体稳定实用计算公式及六面体钢筋笼止动流速和起动流速公式,经实践验证精度良好,对于截流备料设计、护岸工程防护设计具有广泛的推广应用价值。
(5)研发的四面体钢筋笼和圆柱线性体2类新型截流材料，对覆盖层河床具有良好适应性和稳定性，在覆盖层河床截流中应用，效果良好。该产品可在类似截流工程中推广应用。
(6)过水围堰分级整流技术，成功应用于乌东德导流设计和实践中，效果良好。
(7)钢筋石笼柔性毯防护技术对于覆盖层河床具有优良的防护性能，成功应用于乌东德防护设计。
(8)滑坡涌浪首浪理论及计算公式以及涌浪产生与传播预测模型、土石围堰溃决过程与洪水演进高分辨率模拟技术为施工期灾害减免和预警预报提供了科技支撑。
8 结 语
本文针对西部高山峡谷地区大型水利水电工程施工导截流过程存在的关键技术问题，从导截流标准风险控制、导流水力控制、截流水力控制、灾害减免控制4个层面总结了几十年来的相关研究成果，相关研究成果已应用于乌东德、白鹤滩、沐若等多个国内外工程，解决了导截流水力控制及灾害预测控制的关键技术难题，取得了显著的经济效益，社会环境效益显著。
