水布埡工程不僅地質條件複雜，而且是當今世界最高的面板堆石壩，地下廠房除頂拱以外，邊牆大部分置於軟岩岩層中，施工期洞室圍岩穩定性極差，因而面臨的技術難題很多，設計院根據工程建設需要，積極承擔或主動進行對水布埡工程設計、施工中的技術難題研究，組織各專業技術骨幹，在充分進行國內外調研的基礎上，進行聯合攻關。先後完成了可行性專題研究、特殊科研、導流隧洞最佳化設計專題報告、基礎帷幕灌漿試驗專題報告、施工組織設計專題報告、大壩提前一年完成填築專題報告等，並進行了爆破試驗、碾壓試驗、強夯試驗等現場生產性試驗，分階段、多層次地解決設計及施工中的難題，為水布埡工程順利建設提供了技術保障。
清江水布埡水利樞紐工程位於湖北省恩施州巴東縣境內，是清江流域梯級開發的龍頭工程。工程大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高233米，為世界最高面板堆石壩。
基本介紹
- 中文名：水布埡水利樞紐
- 位於：湖北省恩施州巴東縣境內
- 總庫容：45.8億立方米
- 所屬領域：水利樞紐
作用,主體建築,簡介,環境,專題研究,簡介,研究,滑坡治理,軟岩成洞問題,消能型式研究,歷史發展,簡介,勘測設計概況,環境影響,水質,水溫,陸生生物,水生生物,生態用水,
作用
水布埡水利樞紐工程由長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院勘測、設計，壩址位於巴東縣境內，上距恩施市117km，下距隔河岩水利樞紐92km，是清江梯級開發的龍頭樞紐。水庫正常蓄水位400m，相應庫容43.12億立方米，總45.8億立方米庫容，裝機容量1600MW，是以發電、防洪、航運為主，併兼顧其他的水利樞紐工程。據初步測算，水布埡電站投產後，將顯著增加清江下游已建隔河岩和高壩洲兩座電站的調峰調頻能力，屆時清江流域的3座電站（水布埡、隔河岩、高壩洲）將可承擔華中電網10%左右的調峰任務，清江流域成為華中電網清潔、可靠的調峰調頻電源基地。水布埡水庫是長江中下游防洪體系的重要組成部分，水布埡水庫預留的5億立方米防洪庫容與隔河岩水庫已預留的5億立方米防洪庫容聯合調度運行，可有效減輕荊江河段的防洪壓力，提高長江中下游地區的防洪標準。
主體建築
簡介
水布埡水利樞紐工程為一等大型水利水電工程。主體建築物有：混凝土面板堆石壩、河岸式溢洪道、右岸地下式電站廠房和放空洞等。水布埡水利樞紐混凝土面板堆石壩為目前世界上最高的面板壩，壩頂高程409m，壩軸線長660m，最大壩高233m，壩頂寬12m。大壩上游壩坡1：1.4，下游平均壩坡1：1.4。大壩填築量包括上游鋪蓋在內共1526萬立方米。面板厚0.3m－1.1m，受壓區面板寬16.0m，受拉區寬8.0m，面板面積13.84萬平方米。趾板採用壩前設標準板，下接防滲板的結構型式，標準板寬6m－8m，厚0.6m－1.2m。防滲板寬4m－12m，趾板與基岩間設有錨筋聯接。周邊縫結構在高程275m以下採用底、中、頂三道止水，高程275m以上取消中部止水，設底、頂兩道止水；面板垂直縫設有底、頂兩道止水。
環境
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）和下游防沖段組成。下游防沖段採用防淘牆的結構型式。放空洞布置在右岸，其主要作用為水庫放空，中、後期導流和施工期向下游供水等。由引水渠、有壓洞（含喇叭口）、事故檢修閘門井、工作閘門室、無壓洞、交通洞、通氣洞以及出口段（含挑流鼻坎）等組成。有壓洞長530.24m，洞徑11.0m－9.0m。無壓洞段長532.63m，底板坡度為i=0.2－0.055，洞室淨空尺寸為7.2m×12.0m，為城門洞型。
引水式地下電站，布置於壩址NE30°河段的右岸山體內，電站安裝4台混流式水輪發電機組，單機容量400MW，總裝機容量1600MW。保證出力310MW，每年平均發電量39.2×108KW·H。電站建築物包括：引水渠、進水口、引水隧洞、主廠房、安裝場、母線洞、尾水洞、尾水平台、尾水渠、500kV變電所、交通洞、通風洞和廠外排水洞等。引水隧洞採用一機一洞，平均長387.9m，圓形斷面內徑為8.5m－6.9m；地下廠房尺寸為168.5m×23m×67m（長×寬×高），裝機高程187.2m；尾水洞亦採用一機一洞，平均長313.18m，圓形斷面內徑為11.3m。
機組安裝
機組安裝專題研究
簡介
水布埡水利樞紐兩岸地形陡峻，庫首近壩地段及壩區環境地質問題比較複雜，壩址區環境地質條件較差，有較多的危岩體廣泛分布，在這種地形地質條件下，修建230多米高的大壩，長江委設計院進行了多項專題研究，主要有：
研究
砼面板堆石壩與心牆堆石壩兩種壩型的比選研究
國外已有多座200m－300m左右的心牆堆石壩建設經驗，在中國建設227m的高心牆堆石壩還屬首次，通過大量的築壩材料室內試驗，現場碾壓試驗以及壩體應力應變，水力劈裂和滲流控制等分析研究論證，在採取適當工程措施後技術上是可行的。
砼面板堆石壩在國內均有較快發展，但要修建當今世界最高的233m的砼面板堆石壩具有一定的難度，通過築壩材料特性，堆石體變形控制，壩體應力應變分析，面板砼的防裂與耐久性，周邊縫的止水材料和結構型式等研究表明，在採取適當的工程措施後技術上是可行的。
大壩和擠壓邊牆施工滑坡治理
庫首近壩地段大壩上遊河段9km範圍內分布有18個滑坡組成的滑坡群體，總方量8342萬立方米，5個危岩體總方量357萬 立方米，1個穩定性差的斜坡，方量為385萬立方米。壩後滑坡，在大壩下游分布有大岩淌、馬岩灣、台子上、古樹包四個大滑坡，設計研究分別採用開挖減載，地下地表排水，前緣護坡、抗滑支擋等措施。右岸峽口馬崖高陡自然邊坡，坡高達360餘米，岩性為上硬下軟，且上部硬岩中還夾有多層軟弱夾層，處理措施為卸荷開挖，邊坡錨固，坡面噴護，排水坡腳護岸等。
軟岩成洞問題
由於壩型為當地材料壩，故地下洞室相對較多，壩址區岩體中的軟層甚多，如泥盆系寫經寺組，二迭系馬鞍組與棲霞組─極薄層含泥質生物碎屑灰岩、泥岩、泥灰岩及頁岩等均屬軟岩。軟岩大多遭受了不同程度的剪下破壞，工程性狀較差，加之產狀平緩，軟岩成洞問題突出。
志留系強風化頁岩作為防滲材料的問題
志留系砂頁岩具有明顯的垂直風化分帶性，風化程度劃分為全風化帶，強風化上帶、下帶、弱風化及微風化帶。經研究全風化帶可直接作為防滲材料上壩，而強風化下帶及弱、微風化帶不能作為防滲材料。
消能型式研究
溢洪道下游消能區位於壩址峽谷出口大崖沱深潭，左有大岩淌滑坡，右有馬崖高陡邊坡和馬岩灣滑坡，河床岩層主要是泥盆繫上統寫經寺組和志留系砂頁岩，抗沖能力低，而本工程泄洪量大，萬年一遇時最大下泄流量達18280立方米/秒，相應單寬流量為181 立方米/秒，汛期水頭在171m-180m以上，經計算、試驗、分析綜合考慮，最後選擇分區陡槽接窄縫式排坎消能方案，消能區保護採用防淘牆方案。
歷史發展
簡介
勘測設計概況
從流域規劃到預可行性研究，再到可研階段壩址選擇，長江委人付出了幾代人的努力。從1954年開始長江水利委員會就對清江流域的綜合利用與開發進行了研究，於1964年提出了《清江流域規劃報告》。1986年又提出了《清江流域規劃補充報告》，推薦恩施以下清江幹流最上一級以水布埡壩址為代表的三級梯級開發方案。1993年底，對流域規划進行了補充修訂，提出了《清江流域規劃報告（1993年修訂）》。該報告於1994年1月通過審查，1994年2月，湖北省人民政府會同原電力工業部審查批覆了《清江流域規劃報告》（1993年修訂）；1994年12月，湖北省人民政府會同原電力工業部審查批覆了湖北清江水布埡水電站預可行性研究報告；1995年9月，湖北省人民政府會同原電力工業部審查批覆了湖北清江水布埡水電站壩址選擇報告；1999年4月，湖北省人民政府會同國家經濟貿易委員會審查批覆了湖北清江水布埡水電站可行性研究報告（等同初步設計）。
環境影響
水布埡水利樞紐主要環境影響
清江是長江出三峽後的第一條大支流，幹流全長423km，總落差1430m。根據《清江流域規劃報告》，對恩施以下幹流實施水布埡、隔河岩、高壩洲三級梯級開發方案。長江水資源保護科學研究所在對工程影響區域內環境背景進行了反覆調查的基礎上，認真分析工程對各個環境因子的影響性質、大小和重要性，篩選受工程影響的重點環境因子和一般環境因子，編制了《水布埡水利樞紐環境影響評價工作大綱》，並開展了水布埡水利樞紐對水質、水溫、陸生生態、水生生態、施工環境、移民環境影響等重點專題研究工作，按照《環境影響評價技術導則》的要求編制《清江水布埡水利樞紐環境影響報告書》，報告書重點分析了工程建設對水質、水溫、陸生生物、水生生物的影響。
水質
水利水電工程建設屬非污染類生態環境影響。根據水庫調度運行方式，汛期水庫低水位運行，庫區及壩下遊河段的水文情勢與天然情況較為類似，非汛期水庫維持高水位運行，顯著改變庫區及下遊河段的水流狀態，污染物進入水庫水體後的稀釋擴散與建庫前發生較大的變化，水布埡水利樞紐建設後對水質的影響採用岸邊排放二維穩態混合衰減模型進行預測：
式中c（x，z）為在坐標x，z處污染物濃度，mg/L；H為污染帶內平均水深，m；B為河流寬度，m；Cp 為河流上游某污染物的濃度，mg/L；Qp 為河流上游的流量，立方米/秒；Ch 為排污口處污染物濃度，mg/L；Qh 為排污口處污水量，立方米/秒。x、z為水流橫向、縱向坐標，m；u為水流縱向流速，m/s；Ez 為水流橫向擴散係數， m2/s；K為污染物綜合衰減係數，s－1 。
根據水布埡水庫的水力學特徵，水庫運行調度方式及污染源分布情況，水文參數選取了保證率為90%最枯月平均流量（S1 ）、保證率為50%最枯月平均流量（S2 ）和多年平均流量（S3 ）3種水文條件組合。
耗氧係數K按
進行校正，水流橫向擴散係數Ez 按E z =（0.4－0.8）H（gHI）1/2 進行計算。預測結果表明：S1 條件下水質狀況較差，BOD5 大於4mg/L的污染範圍為3km長，15m寬；S 3 條件下水質狀況較好，BOD5 大於4mg/L的污染範圍為1.3km長，8m寬；S2 條件下水質狀況次之，BOD5 大於4mg/L的污染範圍為1.7km長，10m寬。由於庫區河段的主要污染物為有機污染物，建庫後庫區水流變緩，水深增加，有利於有機類污染物的降解轉化，水庫下泄水質總體優於建庫前。
水溫
水布埡水庫為高壩大庫，由於壩前水深大，壩前水溫易沿垂向產生明顯的水溫分層，庫底水溫與庫面水溫相差很大，水庫水溫結構採用計算值進行判別，主要考慮庫水的交換頻次，計算方法如下：
當α20為混合型。對於分層型水庫，如遇β>1的洪水，則成為臨時的混合型；而β<0.5的洪水一般對水溫分層影響不大；0.5<β<1的洪水對分層的影響介於二者之間。水布埡壩址多年平均流量300立方米/秒，年均徑流量94.61億立方米 ，水庫總庫容47.08億立方米 ，其中調節庫容23.83億立方米 ，計算出值後，初步判斷水布埡水庫為明顯的水溫分層結構。
水庫水溫受表面熱交換、入流、出流、擴散、風力等因素的影響，壩前水溫預測除考慮水庫出流、入流水溫，還應考慮熱對流及風力摻混的影響，垂向移流及擴散等引起的熱輸移及水體內部吸收的太陽輻射，預測水庫垂向採用一維水溫分布的數學模型：
式中z、t為高程和時間；T為t時刻高程z處的水溫；D、E為熱的分子擴散係數和紊動擴散係數；A為高程z處的水庫水平面積；ρ、c為水的密度和比熱；ui 、u0 為入、出流流速；Ti 、T0 為入、出流水溫，B為高程Z處水庫寬度；Qz 為水庫垂向流量；ψz 為高程z處的太陽輻射熱通量。
計算結果表明，當水庫水位為防洪限制水位時，5－6月份水庫壩前水溫上下溫差10℃左右，7－8月高溫季節，垂向水溫溫差增大，最大達19.6℃，水庫水溫分層明顯，9－10月水庫溫差變小，在2.2－10.5℃之間。
通過實測已建成運行的隔河岩水庫，結合水溫模型預測計算，水布埡水庫的水溫變化沿水庫的縱向和橫向的影響很小，在壩前，當水深大於100m時，垂向水溫分布存在兩個躍溫層，在庫尾，水溫沿垂線無明顯分層，水體水溫呈均勻混合狀態。
3、
陸生生物
水布埡水庫位於華中地區與西南地區的過渡地帶，屬中國第二級階梯東部邊緣，區域氣候屬中亞熱帶季風性山地濕潤氣候區，區內植物資源極為豐富，庫區及庫周自然植被以常綠闊葉林和常綠闊葉混交林為主，植被垂直分布規律明顯，海拔由低到高的分布是：常綠針闊葉林帶—常綠落葉林帶—落葉闊葉林帶—山地灌叢草甸帶。通過資料分析和實地樣方調查，水布埡庫區種子植物可分為15個類型，分屬188科，855屬，2901種。調查表明，庫區分布有37種國家保護植物。庫區庫周分布的陸生脊椎動物隸屬於4綱26目62科83屬296種，在各類陸生脊椎動物中，有國家1級保護動物金雕，國家II級保護動物43種，分別是大鯢、虎紋蛙、鴛鴦等。
水布埡水利樞紐建成蓄水後，將淹沒部分地表植被以及陸生動物的棲息環境，對植被的影響主要是淹沒導致水域面積擴大，植被覆蓋降低，對分布於庫區庫周國家Ⅱ級重點保護動物中兩棲類大鯢，哺乳類水獺，鳥類鴛鴦等產生一定的影響。對於大鯢、水獺等動物，它們將隨環境條件的改變而遷移，影響較小，但棲息範圍發生改變；對於鳥類，由於水庫修建，水域面積的擴大，將會給鳥類生境帶來更為有利的條件。
水生生物
水庫形成後庫區水生生態將發生顯著的變化，喜急流魚類將有一定程度的減少，喜緩流魚類在庫區河段得以較大的發展，大壩阻隔對魚類產生一定程度的不利影響，由於河道已有隔河岩水庫的阻隔，總體上來說影響程度不大，適應能力較強的部分魚類可找到新的生境，由於浮游植物、浮遊動物和底棲動物等的種群數量都明顯的增加，為多種魚類提供了豐富的餌料資源，有利於發展庫區漁業，水庫建設為水庫漁業發展提供機遇。
水利水電工程建設環境影響評價重點
隨著全社會保護生態環境的認識不斷提高，大型水工程建設對生態環境的影響日益引起社會關注，為了保證河流水能資源的合理開發利用，保護生態環境，政府有關部門對水電開發制訂了嚴格的管理程式，要求根據河流的資源情況和建設條件，開展流域開發規劃，通過技術、經濟、環境等多方面的綜合分析、論證，編制河流水電開發規劃方案報國家主管部門審批;然後，根據批准的開發規劃方案對擬建設的水電站進行可行性研究，近年水利水電工程建設主要關心的生態環境問題以及亟待解決的關鍵技術如下。
生態用水
河流水能資源的開發改變了天然河流的水文情勢，通過徑流調節提高了水資源利用效率，在滿足社會經濟發展和人民生活水平不斷提高對能源需求的同時，由於河流徑流過程的改變，河流水生生境發生較大的變化，已不同程度地對河流生態系統產生影響，對生態環境的影響主要表現為生態用水不足。
生態用水不足對陸生生態的影響主要表現在對河道兩岸部分區域內植被的影響，河水是河岸區域植被的主要補水來源，如果補給水量達不到植被需水的下限，將會造成植被物種的改變，由喜水植物向旱作植物轉變。對水生生物的影響主要是改變了河流水生生境，使部分魚種可能遷徙到上游或其它適合其生存的溪流中，生存空間被不斷壓縮，合理確定河流生態用水是減緩水工程對生態環境影響的重要方面。
低溫水對環境影響
水庫下泄低溫水主要對下遊河流水生生物和灌區農作物生長產生影響，一般河道中的魚類產卵季節為4－8月，魚類產卵所耐受的最低溫度一般為18℃，低溫水的下泄可能導致河道中的魚類產卵期推遲，影響魚類生長發育。低溫水下泄還造成魚類產卵場地被迫向下游遷移，如沒有合適的場所，建壩前存在的一些產卵場所部分會消失，部分產卵場規模變小。涉及灌區的水工程項目，在水稻生長期內，如引用低溫水進行灌溉，將會對水稻產生明顯影響。中國長江流域中下游的雙季稻種植區，如果取用低溫水進行灌溉，將會造成對水稻生長和產量方面不利的影響，有數據表明，利用水庫表層溫水灌溉早稻比用水庫底層冷水灌溉產量相差5%－15%，在東北地區可達30%以上。
魚類受大壩阻隔的影響
根據水利水電工程的樞紐布置和運行特徵，對魚類的主要影響可概括為：大壩的建設阻斷了河道，使得某些洄游魚類的洄游通道被切斷，無法上溯到產卵場繁殖；同時由於流量被控制，流速減緩，某些中下層魚類受精卵下沉水底，被淤泥覆蓋而停止發育；在大壩上游孵化的魚苗隨著水流卷進水輪機或溢洪道，因受到強大的水壓力衝擊而大量死亡。攔河建築物使河流水生生境片斷化，阻隔魚類洄游通道，阻礙上下游魚類種質交流;庫區水深、流速等水文情勢的變化造成原有水生生境的改變甚至消失；河道減水造成魚類資源量減少，減水河段水生生境的改變造成原有物種的消失；高水頭的水利水電工程挑流消能造成水體氣體過飽和，可導致使部分魚類死亡等。研究結果證明，攔河大壩採用魚道、魚梯、升魚機等過魚設施，對救護各種上溯魚類是有一定的效果的，可以使水利工程對生態的破壞降低。
