溪洛渡電站水墊塘運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)淺析

王有偉

（中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，湖北宜昌443000）

0 前言

國內(nèi)拱壩建設(shè)日漸增多，消能設(shè)施如水墊塘、泄洪洞等水工建筑物在泄洪消能過程中壽命過短成為很多高拱壩面臨的共性。結(jié)合溪洛渡電站水墊塘建設(shè)的實(shí)際情況，以及金沙江下游水質(zhì)、地質(zhì)條件和工程建設(shè)情況，采用枚舉法有針對性地分析了水墊塘在運(yùn)行與檢修等工況下運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)對策略。

1 工程概況

1.1 水墊塘概況

作為消能防沖建筑物，水墊塘按照重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計(jì)，重現(xiàn)期1 000年洪水校核。水墊塘斷面采用復(fù)式梯形斷面，底寬60.0 m，底板厚4 m。水墊塘底板及邊坡采用平鋪法澆筑，澆筑混凝土厚度為4 m，第一層為常態(tài)混凝土，厚度為2.4 m；第二層厚度為1.6 m，其中上部0.6 m厚度為高抗沖耐磨硅粉混凝土。

水墊塘底板及邊墻設(shè)置有抽排水系統(tǒng)，其中底板設(shè)置2條縱向排水廊道、6條橫向排水廊道。邊坡部位在380馬道部位各設(shè)置一條縱向排水廊道。各條排水廊道將底板、邊坡及基礎(chǔ)滲水匯流至1、2號主排水洞，最終由水墊塘集水井及泵房將滲漏水排出。

1.2 水墊塘施工缺陷、滲漏水等情況

水墊塘施工檢查中發(fā)現(xiàn)部分澆筑倉面出現(xiàn)裂縫，長度 1.5～11.5 m，縫寬0.05～0.2 mm，縫深2.4～13.5 cm，均為不規(guī)則狀，規(guī)律性不明顯，這些裂縫已經(jīng)進(jìn)行表面封閉處理。

2 水墊塘運(yùn)行過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素分析

2.1 水墊塘混凝土施工塊間止水破壞

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①射流沖刷；②裂縫貫穿發(fā)育；③水墊塘底板不均勻沉降。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：首先是水舌沖刷的影響。溪洛渡大壩正常蓄水位為高程600 m，壩身表孔堰頂高程為586.5 m，深孔泄流高程約500 m，水墊塘二道壩壩頂高程為386 m，水墊塘池底高程為340 m。因此，遭遇洪水泄流時，深孔泄流水頭達(dá)到約160 m，表孔泄流水頭約為246.5 m，水墊塘是下泄水流的消能場所，其巨大能量由水墊塘內(nèi)形成淹沒射流的紊動擴(kuò)散和淹沒水躍作用來消除，運(yùn)行過程中必須抵御射流的沖擊和紊流的脈動壓力。在高速高壓力含沙水流下泄過程中，砂粒飛速碰撞摩擦和高壓水泡破裂會對底板接縫處的紫銅止水片和橡膠止水片形成破壞力[1]。施工過程中，止水十字搭接部位施工工藝復(fù)雜，不易振搗，施工過程中止水片保護(hù)難度高，底板混凝土止水部位是薄弱部分，止水效果需要長期關(guān)注。

其次是施工縫影響。水墊塘底板混凝土順河向分縫距離為12 m，橫河向底板分縫尺寸為12 m，在分縫位置均設(shè)置兩道Z型紫銅止水和一道復(fù)合橡膠止水。由此，塊體之間存在橫向和縱向施工縫，水平向的上下澆筑層之間存在水平向施工縫。水墊塘排水廊道頂拱幾何中心部位設(shè)置有垂直施工縫，巡視檢查中發(fā)現(xiàn)水墊塘沖水后頂拱有發(fā)生肉眼可辨識的輕微下沉，這種現(xiàn)象明顯是由于水墊塘沖水后重力荷載增加引起的彈性變化，需要長期關(guān)注。如果該結(jié)構(gòu)施工分縫的開度繼續(xù)發(fā)展，會聯(lián)動破壞所在部位的止水片，導(dǎo)致貫穿性滲漏通道形成。

再次是地質(zhì)因素。水墊塘底板基巖上游段約40%為3層上部含凝灰質(zhì)角礫熔巖，下游段約60%為4層下部玄武巖?；鶐r第3層和第4層層間錯動帶的存在一方面可能會導(dǎo)致底板滲流水通道發(fā)育，另一方面在外部荷載，尤其是泄洪條件不均勻荷載的沖擊作用下，可能會導(dǎo)致明顯的不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致底板基礎(chǔ)混凝土縫開裂，進(jìn)而對止水造成破壞。

應(yīng)對措施：運(yùn)行階段要高度關(guān)注水墊塘底板混凝土塊體之間的止水運(yùn)行情況，尤其在水墊塘廊道巡視檢查中，把施工分縫部位的施工縫開度和滲漏水作為重點(diǎn)關(guān)注部位之一，巡視檢查記錄中詳細(xì)描述發(fā)現(xiàn)的問題。對于漏水嚴(yán)重的部位，在排水廊道進(jìn)行化學(xué)灌漿等臨時封堵措施補(bǔ)漏，等待檢修期間結(jié)合水墊塘上、下表層表面情況進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

2.2 水淹排水廊道

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①水墊塘滲漏水；②水墊塘基巖揚(yáng)壓滲水；③導(dǎo)流洞、泄洪洞和尾水洞過流水滲漏；④排水系統(tǒng)故障。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：水墊塘排水廊道內(nèi)水流來源有三：第一是水墊塘滲漏水。水墊塘底板混凝土存在施工橫向和縱向施工縫，以及水平向的上下澆筑塊體分縫，底板表層存在局部的混凝土裂縫，因此會有滲漏水存在。在止水破壞或者裂縫進(jìn)一步發(fā)展的情況下，大量的滲漏水會沖破底板薄弱層進(jìn)入廊道，導(dǎo)致底板被洞穿，底板混凝土與沖擊水流一起振動、掀翻，這是水墊塘排水廊道水淹的最大風(fēng)險(xiǎn)。

第二是水墊塘基巖滲水。大壩上游水頭和下游水頭作用于水墊塘底板，分別形成揚(yáng)壓力，使得水墊塘底板排水廊道和排水洞中的排水孔出水，同時在水墊塘基礎(chǔ)巖體和邊坡巖體與水墊塘混凝土接縫部位也存在滲漏出水，并通過廊道系統(tǒng)和水墊塘底板與基巖接縫部位預(yù)留的排水暗溝匯集到水墊塘廊道。大壩和二道壩的帷幕灌漿會降低水墊塘的滲透壓力，但是仍然有滲透壓力存在，同時不排除局部帷幕灌漿擋水效果不佳或者水墊塘底板基礎(chǔ)巖體薄弱層面裂隙發(fā)育導(dǎo)致出現(xiàn)滲漏通道發(fā)育的風(fēng)險(xiǎn)。

第三是臨近區(qū)域過流滲水。運(yùn)行中的導(dǎo)流洞（施工期）、泄洪洞和尾水洞內(nèi)水流可以通過基礎(chǔ)巖體縫隙進(jìn)入水墊塘排水系統(tǒng)。左岸3號導(dǎo)流洞下閘以后，水墊塘排水廊道局部水流明顯減小甚至消失，證明導(dǎo)流洞與水墊塘排水系統(tǒng)之間存在滲漏通道。目前不能排除這些滲漏通道在水工建筑物長期運(yùn)行過程中有進(jìn)一步發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)。另外，地下水水面線高過水墊塘底板，會有部分山體地下水流入水墊塘排水廊道。

目前，水墊塘排水廊道內(nèi)布設(shè)有集水井，配有6臺永久排水泵，出水管道2012年9月初抬高后的單臺泵抽排能力為240 m3/h，6臺泵總抽排能力約1 440 m3/h，而目前每小時的抽排量大約為700 m3/h，如果出現(xiàn)水墊塘滲漏水超過排水系統(tǒng)抽排能力，或者同時出現(xiàn)排水系統(tǒng)電力或機(jī)械故障工況，可能會發(fā)生水淹水墊塘排水廊道的情況。

應(yīng)對措施：運(yùn)行維護(hù)中，需要及時、準(zhǔn)確地監(jiān)控水墊塘排水廊道內(nèi)的各個滲漏通道的滲漏水總量變化，以便及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，避免滲漏通道在無監(jiān)控的情況下發(fā)育。同時，應(yīng)該及時清理排水廊道，避免排水溝內(nèi)擁堵和溢流，另外應(yīng)該對泵機(jī)的抽排能力進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，建立、完善泵機(jī)抽排運(yùn)作制度和排水廊道水淹情況下的應(yīng)急抽排和事故處理制度，避免人員傷亡和設(shè)備受損。

2.3 水墊塘內(nèi)泥沙淤積過厚

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：泥沙淤積過厚。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：水墊塘的寬度由主河槽的寬度而定，以保證射流水舌不砸岸坡。水墊塘的長度由射流的最遠(yuǎn)挑距和淹沒水躍決定，水墊塘的深度是控制淹沒射流的，由最大沖擊壓力允許值決定。金沙江多年平均年輸沙量達(dá)2.72億t，多年平均含沙量達(dá)1.72 kg/m3，而1984年5月30日屏山站實(shí)測最大含沙量達(dá)2.43 kg/m3。蓄水以后，考慮到水庫的蓄水?dāng)r沙功能，下泄水流含沙量在運(yùn)行初期會減少，同時在泄洪過程中水墊塘內(nèi)水流流態(tài)紊亂，泥沙淤積可能性比較小。如果出現(xiàn)泥沙淤積，相當(dāng)于減小了水墊塘的有效寬度和有效深度尺寸，導(dǎo)致下泄水流消能不充分，加劇高速下泄水舌對水墊塘、二道壩的沖擊力以及對下游河道的沖刷。

應(yīng)對措施：需要監(jiān)控水墊塘內(nèi)泥沙淤積情況，同時研究水墊塘內(nèi)泥沙淤積厚度對消能效果和底板保護(hù)的影響以及水墊塘內(nèi)泥沙清理方案。

2.4 水墊塘混凝土底板局部失穩(wěn)出穴

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：運(yùn)行時止水破壞導(dǎo)致出穴。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：水墊塘底板混凝土塊之間的止水破壞前，單個隨機(jī)板塊在水流脈動沖擊荷載作用下，與板塊上表面水體一起作輕微振動；水墊塘止水破壞后，板塊受水流脈動上舉力的作用，與板塊四周（包括縫隙內(nèi)）水體一起在座穴內(nèi)不斷振動，這是一種流固耦合振動。

在某區(qū)域止水完全破壞的情況下，板塊間的伸縮縫和板塊與基巖間的接觸縫相互貫通，射流沖擊區(qū)板塊下表面的較大壓強(qiáng)勢必要沿縫隙傳到壁面射流區(qū)板塊的底部，造成該區(qū)板塊下表面壓強(qiáng)大于上表面壓強(qiáng)，這個壓強(qiáng)差就構(gòu)成了導(dǎo)致板塊失穩(wěn)的上舉力，造成該板塊失穩(wěn)[3。]設(shè)計(jì)中在水墊塘底板采用了錨筋和錨筋樁加固結(jié)構(gòu)，能夠提高水墊塘底板混凝凝土塊的抗浮穩(wěn)定性，大大降低了局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對措施：關(guān)注能夠造成水墊塘混凝土底板失穩(wěn)的因素，特別是在深孔和表孔泄洪工況下，底板混凝土塊體與基礎(chǔ)巖體之間的錨筋應(yīng)力變化，加強(qiáng)錨筋應(yīng)力監(jiān)測與分析，關(guān)注底板混凝土施工縫的開度變化以及水墊塘底板揚(yáng)壓力變化和水墊塘各個滲漏通道滲漏水量的變化情況。

3 水墊塘檢修工況下的風(fēng)險(xiǎn)因素分析

3.1 巡視檢查中的安全問題

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①復(fù)雜交通線路及廊道系統(tǒng)；②大坡度爬坡。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：溪洛渡電站地下洞室群規(guī)模宏大，交通洞錯綜復(fù)雜，通往水墊塘的交通洞線路復(fù)雜，水墊塘內(nèi)部廊道坡度較陡，滲流量比較大，路面濕滑，工作人員有跌倒、摔傷（亡）的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對措施：需要對水墊塘新增交通洞以及排水廊道內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理、整治，增設(shè)照明。排水廊道內(nèi)四橫六縱，廊道總長近2 000 m，需要定制巡檢路線，避免迷失。

3.2 檢修作業(yè)中的安全問題

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①水墊塘高邊墻和高邊坡；②機(jī)械設(shè)備；③檢修通道。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：水墊塘采用復(fù)式梯形斷面，在檢修工況下，從水墊塘底板頂?shù)?12 m平臺高程差達(dá)到72 m，水墊塘兩岸河谷較深，兩側(cè)山體直立，水墊塘在高程412 m平臺區(qū)域長480 m、寬208 m，形成一個龐大的檢修工作區(qū)，作業(yè)區(qū)內(nèi)的工作人員有被來自大壩頂和兩岸高邊坡物體打擊的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對措施：在檢修過程中做好安全防范措施，特別是做好左右岸坡及大壩頂部的警戒，避免物體從高空墜落傷人。

3.3 檢修中的水墊塘遭遇水淹

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①下游水涌過二道壩；②暴雨襲擊；③大壩泄洪誤操作。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：枯水期滿發(fā)水位為382.48 m，二道壩壩頂高程為386 m。汛后至次年汛前，約有6個月的時間對水墊塘進(jìn)行抽水檢修。在此期間，不排除受蓄水影響出現(xiàn)局部強(qiáng)對流天氣的可能，易出現(xiàn)雨水匯集成災(zāi)。大壩上“七表八深”的泄洪孔，單孔泄洪量比較大，檢修期間如果出現(xiàn)工作閘門誤動作，會在瞬間將水墊塘底板淹沒。

應(yīng)對措施：針對發(fā)生局部暴雨襲擊的可能性，應(yīng)該做好水墊塘檢修突發(fā)性事件的應(yīng)急預(yù)案；同時，加強(qiáng)部門內(nèi)部協(xié)調(diào)，保證泄洪系統(tǒng)與檢修工作不沖突。

3.4 水墊塘混凝土底板局部失穩(wěn)出穴

安全風(fēng)險(xiǎn)因素：①抽排、放空水墊塘；②揚(yáng)壓力。

安全風(fēng)險(xiǎn)分析：水墊塘最不利工況是水墊塘抽排、放空工況，此工況下，水墊塘垂直向沒有水墊塘水體自重以及泄洪水流的動水荷載。水墊塘檢修大多在枯水季節(jié)，庫水處于正常蓄水位600 m，下游水位處于低位，水墊塘底板的揚(yáng)壓力處于最大狀態(tài)，在部分排水管被泥漿封死的情況下，揚(yáng)壓力折減效果會減小，水墊塘抗浮穩(wěn)定將面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

應(yīng)對措施：在水墊塘檢修過程中加強(qiáng)對水墊塘排水廊道的揚(yáng)壓力及錨樁應(yīng)力監(jiān)測和對排水孔是否被泥漿封死的排查，同時加強(qiáng)對排水廊道和水墊塘底板表面的巡視檢查，以便及時發(fā)現(xiàn)隱患，采取挽救措施。

4 結(jié)語

水墊塘在運(yùn)行過程中面臨著止水破壞、廊道水淹、泥沙淤積、出穴失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)，對于止水破壞風(fēng)險(xiǎn)，需要及時發(fā)現(xiàn)并盡可能地采取化學(xué)灌漿等手段臨時堵漏，等待水墊塘排干檢修時在上表層進(jìn)行更加有效的處理。對于廊道水淹事故，需要做好應(yīng)急預(yù)案，以保護(hù)工作人員和設(shè)備安全。對于泥沙淤積情況，需要準(zhǔn)確監(jiān)控，及時清理。對于水墊塘底板施工混凝土塊局部失穩(wěn)，需要及時監(jiān)測分析，以防止事故發(fā)生。

水墊塘檢修過程中存在人員和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)和暴雨襲擊等風(fēng)險(xiǎn)，以及水墊塘底板局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，為此，需要在檢修過程中重視安全警戒、防護(hù)及協(xié)調(diào)，需要加強(qiáng)對水墊塘底板監(jiān)測儀器的加密觀測，防止事故發(fā)生。

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