清江水布垭水利枢纽工程地质研究

【书名】《清江水布垭水利枢纽工程地质研究》

【开本】 16K 【编辑】 徐润英

【日期】 2010-11-01

【定价】 98.00元 【专业】 土木工程、机械工程、地质工程、水利工程

【出版】中国地质大学出版社

【类型】 水文、工程、力学及环境类专著 内容提要

自1987年12月15日隔河岩枢纽工程开始建设到2007年7月22日水布垭水电站第一台机组并网发电，历经20年，清江水电梯级开发完成。"_blank" href="/item/工程地质学/649039" data-lemmaid="649039">工程地质学的理论宝库。进行系统的总结并进一步升华是非常必要的。借水利部长江水利委员会长江三峡勘测研究院建院五十周年之际，中国地质大学出版社出版了《长江三峡水利枢纽工程地质研究》和清江水电梯级开发三个大型水电工程系列地质丛书：《隔河岩水利枢纽工程与地质》，《清江水布垭水利枢纽工程地质研究》和《高坝洲水利枢纽工程地质研究》。对现代和以后水电站建设都是一件大好事，对今后按照中央制定的科学发展观来发展我国水电事业也是一个贡献。"para" label-module="para">

水布垭工程地质研究中的几大亮点"para" label-module="para">

（一）因地制宜“合理选择坝型”"para" label-module="para">

（二）确定最高面板堆石坝趾板建基面标准

（三）创先例“利用河床覆盖层作为高面板堆石坝基础”"para" label-module="para">

（四）合理利用“软岩开挖料”，建设经济型大坝"para" label-module="para">

（五）大型地下洞室“软岩置换处理”新思路

（六）“变岩溶化岩体为裂隙性岩体”，构建大坝防渗线"para" label-module="para">

（七）在复杂的地质环境中建起世界第一高面板堆石坝"para" label-module="para">

一般来说，坝址选择应尽量避开环境地质条件较差的地段。水布垭工程在这样复杂的环境地质条件下能成功建成，是深入而精细的地质勘察研究成果的充分体现。

水布垭水利枢纽简介

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：

水布垭水利枢纽研究

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。

水布垭水利枢纽滑坡治理

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8342万立方米，5个危岩体总方量357万 立方米，1个稳定性差的斜坡，方量为385万立方米。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。

水布垭水利枢纽软岩成洞问题

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灰岩、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。

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》，对恩施以下干流实施水布垭、隔河岩、高坝洲三级梯级开发方案。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。

水布垭水利枢纽水质

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，立方米/秒；Ch 为排污口处污染物浓度，mg/L；Qh 为排污口处污水量，立方米/秒。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。

水布垭水利枢纽水温

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>1的洪水，则成为临时的混合型；而β<0.5的洪水一般对水温分层影响不大；0.5<β<1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300立方米/秒，年均径流量94.61亿立方米 ，水库总库容47.08亿立方米 ，其中调节库容23.83亿立方米 ，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、

水布垭水利枢纽陆生生物

水布垭水库位于华中地区与西南地区的过渡地带，属中国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、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类大鲵，哺乳类水獭，鸟类鸳鸯等产生一定的影响。对于大鲵、水獭等动物，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。

水布垭水利枢纽水生生物

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。

水布垭水利枢纽生态用水

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。

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。中国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。

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。

水布垭水利枢纽工程由长江水利委员会长江勘测规划设计研究院勘测、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43.12亿立方米，总45.8亿立方米库容，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和高坝洲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防洪体系的重要组成部分，水布垭水库预留的5亿立方米防洪库容与隔河岩水库已预留的5亿立方米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。