更新时间：2024-09-21 02:44
清江水布垭水利柩纽工程位于湖北省恩施土家族苗族自治州巴东县境内，是清江流域梯级开发的龙头工程。工程大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高233米，为世界最高面板堆石坝。水布垭工程不仅地质条件复杂，而且是当今世界最高的面板堆石坝，地下厂房除顶拱以外，边墙大部分置于软岩岩层中，施工期洞室围岩稳定性极差，因而面临的技术难题很多，设计院根据工程建设需要，积极承担或主动进行对水布垭工程设计、施工中的技术难题研究，组织各专业技术骨干，在充分进行国内外调研的基础上，进行联合攻关。先后完成了可行性专题研究、特殊科研、导流隧洞优化设计专题报告、基础帷幕灌浆试验专题报告、施工组织设计专题报告、大坝提前一年完成填筑专题报告等，并进行了爆破试验、碾压试验、强夯试验等现场生产性试验，分阶段、多层次地解决设计及施工中的难题，为水布垭工程顺利建设提供了技术保障。
水布垭水利枢纽工程由长江水利委员会长江设计集团勘测、设计，坝址位于巴东县境内，上距恩施市117km，下距隔河岩水利枢纽92km，是清江梯级开发的龙头枢纽。水库正常蓄水位400m，相应库容43.12亿m3，总库容45.8亿m3，装机容量1600MW，是以发电、防洪、航运为主，并兼顾其他的水利枢纽工程。据初步测算，水布垭电站投产后，将显著增加清江下游已建隔河岩水电站和高坝洲水电站两座电站的调峰调频能力，届时清江流域的3座电站（水布垭、隔河岩、高坝洲）将可承担华中电网10%左右的调峰任务，清江流域成为华中电网清洁、可靠的调峰调频电源基地。水布垭水库是长江中下游平原防洪体系的重要组成部分，水布垭水库预留的5亿m3防洪库容与隔河岩水库已预留的5亿m3防洪库容联合调度运行，可有效减轻荆江河段的防洪压力，提高长江中下游地区的防洪标准。
水布垭水利枢纽工程为一等大型水利水电工程。主体建筑物有：混凝土面板堆石坝、河岸式溢洪道、右岸地下式电站厂房和放空洞等。水布垭水利枢纽混凝土面板堆石坝为目前世界上最高的面板坝，坝顶高程409m，坝轴线长660m，最大坝高233m，坝顶宽12m。大坝上游坝坡1：1.4，下游平均坝坡1：1.4。大坝填筑量包括上游铺盖在内共1526万m3。面板厚0.3m－1.1m，受压区面板宽16.0m，受拉区宽8.0m，面板面积13.84万m2。趾板采用坝前设标准板，下接防渗板的结构型式，标准板宽6m－8m，厚0.6m－1.2m。防渗板宽4m－12m，趾板与基岩间设有锚筋联接。周边缝结构在高程275m以下采用底、中、顶三道止水，高程275m以上取消中部止水，设底、顶两道止水；面板垂直缝设有底、顶两道止水。
河岸式溢洪道布置在左岸，由引水渠、控制段、泄槽段（含挑流鼻坎）和下游防冲段组成。下游防冲段采用防淘墙的结构型式。放空洞布置在右岸，其主要作用为水库放空，中、后期导流和施工期向下游供水等。由引水渠、有压洞（含喇叭口）、事故检修闸门井、工作闸门室、无压洞、交通洞、通气洞以及出口段（含挑流鼻坎）等组成。有压洞长530.24m，洞径11.0m－9.0m。无压洞段长532.63m，底板坡度为i＝0.2－0.055，洞室净空尺寸为7.2m×12.0m，为城门洞型。
引水式地下电站，布置于坝址NE30°河段的右岸山体内，电站安装4台混流式水轮发电机组，单机容量400MW，总装机容量1600MW。保证出力310MW，每年平均发电量39.2×108KW·H。电站建筑物包括：引水渠、进水口、引水隧洞、主厂房、安装场、母线洞、尾水洞、尾水平台、尾水渠、500kV变电所、交通洞、通风洞和厂外排水洞等。引水隧洞采用一机一洞，平均长387.9m，圆形断面内径为8.5m－6.9m；地下厂房尺寸为168.5m×23m×67m（长×宽×高），装机高程187.2m；尾水洞亦采用一机一洞，平均长313.18m，圆形断面内径为11.3m。
水布垭水利枢纽两岸地形陡峻，库首近坝地段及坝区环境地质问题比较复杂，坝址区环境地质条件较差，有较多的危岩体广泛分布，在这种地形地质条件下，修建230多米高的大坝，长江委设计院进行了多项专题研究，主要有：
砼面板堆石坝与心墙堆石坝两种坝型的比选研究
国外已有多座200m－300m左右的心墙堆石坝建设经验，在中国建设227m的高心墙堆石坝还属首次，通过大量的筑坝材料室内试验，现场碾压试验以及坝体应力应变，水力劈裂和渗流控制等分析研究论证，在采取适当工程措施后技术上是可行的。
砼面板堆石坝在国内均有较快发展，但要修建当今世界最高的233m的砼面板堆石坝具有一定的难度，通过筑坝材料特性，堆石体变形控制，坝体应力应变分析，面板砼的防裂与耐久性，周边缝的止水材料和结构型式等研究表明，在采取适当的工程措施后技术上是可行的。
滑坡治理研究
库首近坝地段大坝上游河段9km范围内分布有18个滑坡组成的滑坡群体，总方量8342万m3，5个危岩体总方量357万 m3，1个稳定性差的斜坡，方量为385万m3。坝后滑坡，在大坝下游分布有大岩淌、马岩湾、台子上、古树包四个大滑坡，设计研究分别采用开挖减载，地下地表排水，前缘护坡、抗滑支挡等措施。右岸峡口马崖高陡自然边坡，坡高达360余米，岩性为上硬下软，且上部硬岩中还夹有多层软弱夹层，处理措施为卸荷开挖，边坡锚固，坡面喷护，排水坡脚护岸等。
软岩成洞问题
由于坝型为当地材料坝，故地下洞室相对较多，坝址区岩体中的软层甚多，如泥盆系写经寺组，二迭系马鞍组与栖霞组─极薄层含泥质生物碎屑大理石、泥岩、泥灰岩及页岩等均属软岩。软岩大多遭受了不同程度的剪切破坏，工程性状较差，加之产状平缓，软岩成洞问题突出。
志留系强风化页岩作为防渗材料的问题
志留系砂页岩具有明显的垂直风化分带性，风化程度划分为全风化带，强风化上带、下带、弱风化及微风化带。经研究全风化带可直接作为防渗材料上坝，而强风化下带及弱、微风化带不能作为防渗材料。
消能型式研究
溢洪道下游消能区位于坝址峡谷出口大崖沱深潭，左有大岩淌滑坡，右有马崖高陡边坡和马岩湾滑坡，河床岩层主要是泥盆系上统写经寺组和志留系砂页岩，抗冲能力低，而本工程泄洪量大，万年一遇时最大下泄流量达18280m3/s，相应单宽流量为181 m3/s，汛期水头在171m-180m以上，经计算、试验、分析综合考虑，最后选择分区陡槽接窄缝式排坎消能方案，消能区保护采用防淘墙方案。
根据坝址处的地形地质条件、水文特征和枢纽总体布置，以及面板堆石坝的施工特点，施工导流采用围堰一次拦断河床，隧洞导流，枯水期围堰挡水，汛期淹没基坑的方式。工程计划总工期8.5年。2000年以前为筹建期，2001年－2002年为施工准备期。2003年－2007年为主体工程施工期，2007年7月－2009年6月底为工程完建期。2002年10月26日，水布垭水电站在充分准备下完成各项施工形象进度，成功实施截流。
勘测设计概况
从流域规划到预可行性研究，再到可研阶段坝址选择，长江委人付出了几代人的努力。从1954年开始长江水利委员会就对清江流域的综合利用与开发进行了研究，于1964年提出了《清江流域规划报告》。1986年又提出了《清江流域规划补充报告》，推荐恩施土家族苗族自治州以下清江干流最上一级以水布垭坝址为代表的三级梯级开发方案。1993年底，对流域规划进行了补充修订，提出了《清江流域规划报告（1993年修订）》。该报告于1994年1月通过审查，1994年2月，湖北省人民政府会同原电力工业部审查批复了《清江流域规划报告》（1993年修订）；1994年12月，湖北省人民政府会同原电力工业部审查批复了湖北清江水布垭水电站预可行性研究报告；1995年9月，湖北省人民政府会同原电力工业部审查批复了湖北清江水布垭水电站坝址选择报告；1999年4月，湖北省人民政府会同国家经济贸易委员会审查批复了湖北清江水布垭水电站可行性研究报告（等同初步设计）。
水布垭水利枢纽主要环境影响
清江是长江出三峡后的第一条大支流，干流全长423km，总落差1430m。根据《清江流域规划报告》，对恩施土家族苗族自治州以下干流实施水布垭、隔河岩水电站、高坝洲水电站三级梯级开发方案。长江水资源保护科学研究所在对工程影响区域内环境背景进行了反复调查的基础上，认真分析工程对各个环境因子的影响性质、大小和重要性，筛选受工程影响的重点环境因子和一般环境因子，编制了《水布垭水利枢纽环境影响评价工作大纲》，并开展了水布垭水利枢纽对水质、水温、陆生生态、水生生态、施工环境、移民环境影响等重点专题研究工作，按照《环境影响评价技术导则》的要求编制《清江水布垭水利枢纽环境影响报告书》，报告书重点分析了工程建设对水质、水温、陆生生物、水生生物的影响。
1、水质
水利水电工程建设属非污染类生态环境影响。根据水库调度运行方式，汛期水库低水位运行，库区及坝下游河段的水文情势与天然情况较为类似，非汛期水库维持高水位运行，显著改变库区及下游河段的水流状态，污染物进入水库水体后的稀释扩散与建库前发生较大的变化，水布垭水利枢纽建设后对水质的影响采用岸边排放二维稳态混合衰减模型进行预测：
式中c（x，z）为在坐标x，z处污染物浓度，mg/L；H为污染带内平均水深，m；B为河流宽度，m；Cp 为河流上游某污染物的浓度，mg/L；Qp 为河流上游的流量，m3/s；Ch 为排污口处污染物浓度，mg/L；Qh 为排污口处污水量，m3/s。x、z为水流横向、纵向坐标，m；u为水流纵向流速，m/s；Ez 为水流横向扩散系数， m2/s；K为污染物综合衰减系数，s－1 。
根据水布垭水库的水力学特征，水库运行调度方式及污染源分布情况，水文参数选取了保证率为90%最枯月平均流量（S1 ）、保证率为50%最枯月平均流量（S2 ）和多年平均流量（S3 ）3种水文条件组合。
耗氧系数K按
进行校正，水流横向扩散系数Ez 按E z =（0.4－0.8）H（gHI）1/2 进行计算。预测结果表明：S1 条件下水质状况较差，BOD5 大于4mg/L的污染范围为3km长，15m宽；S 3 条件下水质状况较好，BOD5 大于4mg/L的污染范围为1.3km长，8m宽；S2 条件下水质状况次之，BOD5 大于4mg/L的污染范围为1.7km长，10m宽。由于库区河段的主要污染物为有机污染物，建库后库区水流变缓，水深增加，有利于有机类污染物的降解转化，水库下泄水质总体优于建库前。
2、水温
水布垭水库为高坝大库，由于坝前水深大，坝前水温易沿垂向产生明显的水温分层，库底水温与库面水温相差很大，水库水温结构采用计算值进行判别，主要考虑库水的交换频次，计算方法如下：
当α20为混合型。对于分层型水库，如遇β\u003e1的洪水，则成为临时的混合型；而β\u003c0.5的洪水一般对水温分层影响不大；0.5\u003cβ\u003c1的洪水对分层的影响介于二者之间。水布垭坝址多年平均流量300m3/s，年均径流量94.61亿m3 ，水库总库容47.08亿m3 ，其中调节库容23.83亿m3 ，计算出值后，初步判断水布垭水库为明显的水温分层结构。
水库水温受表面热交换、入流、出流、扩散、风力等因素的影响，坝前水温预测除考虑水库出流、入流水温，还应考虑热对流及风力掺混的影响，垂向移流及扩散等引起的热输移及水体内部吸收的太阳辐射，预测水库垂向采用一维水温分布的数学模型：
式中z、t为高程和时间；T为t时刻高程z处的水温；D、E为热的分子扩散系数和紊动扩散系数；A为高程z处的水库水平面积；ρ、c为水的密度和比热；ui 、u0 为入、出流流速；Ti 、T0 为入、出流水温，B为高程Z处水库宽度；Qz 为水库垂向流量；ψz 为高程z处的太阳辐射热通量。
计算结果表明，当水库水位为防洪限制水位时，5－6月份水库坝前水温上下温差10℃左右，7－8月高温季节，垂向水温温差增大，最大达19.6℃，水库水温分层明显，9－10月水库温差变小，在2.2－10.5℃之间。
通过实测已建成运行的隔河岩水电站水库，结合水温模型预测计算，水布垭水库的水温变化沿水库的纵向和横向的影响很小，在坝前，当水深大于100m时，垂向水温分布存在两个跃温层，在库尾，水温沿垂线无明显分层，水体水温呈均匀混合状态。
3、陆生生物
水布垭水库位于华中地区与中国西南地区的过渡地带，属中原地区第二级阶梯东部边缘，区域气候属中亚热带季风性山地湿润气候区，区内植物资源极为丰富，库区及库周自然植被以常绿阔叶林和常绿阔叶混交林为主，植被垂直分布规律明显，海拔由低到高的分布是：常绿针阔叶林带—常绿落叶林带—落叶阔叶林带—山地灌丛草甸带。通过资料分析和实地样方调查，水布垭库区种子植物可分为15个类型，分属188科，855属，2901种。调查表明，库区分布有37种国家保护植物。库区库周分布的陆生脊椎动物隶属于4纲26目62科83属296种，在各类陆生脊椎动物中，有国家1级保护动物金雕，国家II级保护动物43种，分别是大鲵属、虎纹蛙、鸳鸯等。
水布垭水利枢纽建成蓄水后，将淹没部分地表植被以及陆生动物的栖息环境，对植被的影响主要是淹没导致水域面积扩大，植被覆盖降低，对分布于库区库周国家Ⅱ级重点保护动物中两栖动物大，哺乳类水獭亚科，鸟类鸳鸯等产生一定的影响。对于大鲵、水等动物，它们将随环境条件的改变而迁移，影响较小，但栖息范围发生改变；对于鸟类，由于水库修建，水域面积的扩大，将会给鸟类生境带来更为有利的条件。
4、水生生物
清江河流水体清澈，光合条件好，但水流较急，浮游植物以硅藻和绿藻门较多。浮游动物主要有原生动物和轮虫动物两类。轮虫动物中单巢目种类最多。底栖动物以四节蜉、花扁蜉、膜小裳蜉、扁泥甲、中华锯齿新米虾、方格短钩蜷、扁旋螺等为多见，清江水系有鱼类103种，分别隶属于6目13科。
水库形成后库区水生生态将发生显著的变化，喜急流鱼类将有一定程度的减少，喜缓流鱼类在库区河段得以较大的发展，大坝阻隔对鱼类产生一定程度的不利影响，由于河道已有隔河岩水库的阻隔，总体上来说影响程度不大，适应能力较强的部分鱼类可找到新的生境，由于浮游植物、浮游动物和底栖动物等的种群数量都明显的增加，为多种鱼类提供了丰富的饵料资源，有利于发展库区渔业，水库建设为水库渔业发展提供机遇。
水利水电工程建设环境影响评价重点
随着全社会保护生态环境的认识不断提高，大型水工程建设对生态环境的影响日益引起社会关注，为了保证河流水能资源的合理开发利用，保护生态环境，政府有关部门对水电开发制订了严格的管理程序，要求根据河流的资源情况和建设条件，开展流域开发规划，通过技术、经济、环境等多方面的综合分析、论证，编制河流水电开发规划方案报国家主管部门审批；然后，根据批准的开发规划方案对拟建设的水电站进行可行性研究，近年水利水电工程建设主要关心的生态环境问题以及亟待解决的关键技术如下。
1、生态用水
河流水能资源的开发改变了天然河流的水文情势，通过径流调节提高了水资源利用效率，在满足社会经济发展和人民生活水平不断提高对能源需求的同时，由于河流径流过程的改变，河流水生生境发生较大的变化，已不同程度地对河流生态系统产生影响，对生态环境的影响主要表现为生态用水不足。
生态用水不足对陆生生态的影响主要表现在对河道两岸部分区域内植被的影响，河水是河岸区域植被的主要补水来源，如果补给水量达不到植被需水的下限，将会造成植被物种的改变，由喜水植物向旱作植物转变。对水生生物的影响主要是改变了河流水生生境，使部分鱼种可能迁徙到上游或其它适合其生存的溪流中，生存空间被不断压缩，合理确定河流生态用水是减缓水工程对生态环境影响的重要方面。
2、低温水对环境影响
水库下泄低温水主要对下游河流水生生物和灌区农作物生长产生影响，一般河道中的鱼类产卵季节为4－8月，鱼类产卵所耐受的最低温度一般为18℃，低温水的下泄可能导致河道中的鱼类产卵期推迟，影响鱼类生长发育。低温水下泄还造成鱼类产卵场地被迫向下游迁移，如没有合适的场所，建坝前存在的一些产卵场所部分会消失，部分产卵场规模变小。涉及灌区的水工程项目，在水稻生长期内，如引用低温水进行灌溉，将会对水稻产生明显影响。中原地区长江流域中下游的双季稻种植区，如果取用低温水进行灌溉，将会造成对水稻生长和产量方面不利的影响，有数据表明，利用水库表层温水灌溉早稻比用水库底层冷水灌溉产量相差5%－15%，在东北地区可达30%以上。
3、鱼类受大坝阻隔的影响
根据水利水电工程的枢纽布置和运行特征，对鱼类的主要影响可概括为：大坝的建设阻断了河道，使得某些洄游鱼类的洄游通道被切断，无法上溯到产卵场繁殖；同时由于流量被控制，流速减缓，某些中下层鱼类受精卵下沉水底，被淤泥覆盖而停止发育；在大坝上游孵化的鱼苗随着水流卷进水轮机或溢洪道，因受到强大的水压力冲击而大量死亡。拦河建筑物使河流水生生境片断化，阻隔鱼类洄游通道，阻碍上下游鱼类种质交流；库区水深、流速等水文情势的变化造成原有水生生境的改变甚至消失；河道减水造成鱼类资源量减少，减水河段水生生境的改变造成原有物种的消失；高水头的水利水电工程挑流消能造成水体气体过饱和，可导致使部分鱼类死亡等。研究结果证明，拦河大坝采用鱼道、鱼梯、升鱼机等过鱼设施，对救护各种上溯鱼类是有一定的效果的，可以使水利工程对生态的破坏降低。