面板壩泄水建筑物的設(shè)置與安全運(yùn)用

關(guān)志誠(chéng)

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，100120，北京）

目前，我國(guó)在建和正在設(shè)計(jì)的水利水電樞紐工程多地處西部偏遠(yuǎn)山區(qū)，壩址地形地質(zhì)條件背景復(fù)雜，壩基覆蓋層多較為深厚；設(shè)計(jì)方案經(jīng)工程造價(jià)、建材和施工等要素比選后，選擇修建當(dāng)?shù)夭牧蠅?，且以面板堆石壩居多。從耐久性、梯?jí)水庫(kù)上游庫(kù)壩的重要性等情況看，高面板壩泄洪建筑物布置和運(yùn)用安全不如混凝土壩。已運(yùn)行的面板堆石壩泄水建筑物主要存在以下幾方面問(wèn)題：具有高流速、高泥沙含量的泄水建筑物建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不足，泄洪時(shí)水力沖刷和霧化導(dǎo)致壩下山體滑坡、交通中斷，對(duì)輸水隧洞工程地質(zhì)隱患處理不到位，個(gè)別工程施工質(zhì)量不滿足要求而導(dǎo)致泄洪建筑物運(yùn)行期損壞、損毀等。

一、高面板壩泄水建筑物的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

泄水設(shè)施的安全性與適用性是保證高面板堆石壩樞紐正常運(yùn)行的重要條件，設(shè)計(jì)要考慮泄洪、排沙、放空檢修、下閘蓄水、初期運(yùn)用、泄放環(huán)境基流等功能要求，要采取分級(jí)配置的方式，即在兩岸自上而下選擇溢洪道（開敞式、洞式）、泄洪洞（中孔）、發(fā)電、排沙、放空洞（中孔、深孔），配置方案的選擇與泄洪規(guī)模、工程承擔(dān)任務(wù)、調(diào)度與運(yùn)用要求等有關(guān)。泄水建筑物安全運(yùn)用與功能銜接關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題包括：在各種工況下要滿足泄洪標(biāo)準(zhǔn)要求和適當(dāng)留有余地，應(yīng)對(duì)高速水流的消能技術(shù)、抵抗泥沙沖刷保持耐久性的結(jié)構(gòu)措施，高水頭偏心鉸弧形工作閘門等設(shè)備適用性設(shè)計(jì)，非常工況（地震等）主要泄水建筑物應(yīng)急運(yùn)用，及施工質(zhì)量或隱患對(duì)其安全運(yùn)用影響評(píng)價(jià)、檢查和加固等。近十幾年建設(shè)的高面板壩主要泄洪建筑物尚未經(jīng)使用和安全檢驗(yàn)，如發(fā)生重大事故，對(duì)工程安全影響和處理代價(jià)都將是巨大的。

二、面板壩放空設(shè)施的配置

我國(guó)新修編的面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SL 228—2013)規(guī)定高壩、重要工程、地震設(shè)計(jì)烈度為8、9度的面板壩工程，應(yīng)設(shè)置放空設(shè)施。從面板壩運(yùn)行中的事故處理和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)看，高壩設(shè)置放空設(shè)施，可適當(dāng)控制水庫(kù)蓄水和有條件降低庫(kù)水位，主要目的是用于大壩超標(biāo)滲漏檢查與修補(bǔ)，在非常情況（如地震等災(zāi)害）減少次生災(zāi)害影響。如2009年紫坪鋪面板壩災(zāi)后恢復(fù)重建時(shí)，降低庫(kù)水位以修復(fù)擠壓破壞面板；2000年株樹橋面板堆石壩放空檢修時(shí)，利用發(fā)電引水洞將庫(kù)水位降低，加高原上游圍堰，并由發(fā)電引水洞導(dǎo)流，獲得了在壩體較低部位進(jìn)行修補(bǔ)的機(jī)會(huì)和時(shí)間。

出于檢修和安全考慮，對(duì)于一般面板堆石壩工程，可結(jié)合發(fā)電、排沙、供水、導(dǎo)流洞改造等布置放空設(shè)施；如松江河梯級(jí)電站的雙溝和小山面板壩，采用了發(fā)電引水隧洞作為部分放空的后備措施；萬(wàn)安溪面板壩在施工中取消了原設(shè)計(jì)專設(shè)的放空洞，利用引水發(fā)電洞施工支洞封堵段作為必要時(shí)的放水通道。高面板壩天生橋一級(jí)、九甸峽、阿爾塔什、黔中坪寨、董箐等工程設(shè)置了一定深度的放空洞；其底板高程位置選擇與壩前輔助防滲體設(shè)置有關(guān)，一般距河床趾板高程尚有相當(dāng)水深：如紫坪鋪為40 m，低于輔助防滲體10 m；九甸峽為50 m，低于輔助防滲體5 m；烏魯瓦提為37 m，高于輔助防滲體14 m等。當(dāng)遭遇必要的低部位修補(bǔ)或有緊急情況時(shí)，如何利用高壩放空洞（中孔或底孔）降低庫(kù)水位，尚值得進(jìn)一步研究和制定預(yù)案；為達(dá)到放空設(shè)定值，高壩設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行豐平枯來(lái)水相關(guān)計(jì)算，以九甸峽面板壩工程為例，按不同水平年各月入庫(kù)流量計(jì)算，平水年放空水庫(kù)所需時(shí)間最少為11.6天（2月）、最多為16.7天（8月）。

三、面板壩主要泄水建筑物運(yùn)用情況與存在的問(wèn)題

1.岸坡開敞式溢洪道

岸坡開敞式溢洪道是面板壩最常用、最有效的泄洪保壩建筑物，大多數(shù)工程均具備安全運(yùn)用條件。貴州魚塘（2006 年）、湖北寺坪（2007 年）等4座面板壩樞紐投運(yùn)首次泄洪時(shí)，岸坡溢洪道泄槽底板即遭受破壞，給工程防洪度汛帶來(lái)巨大的壓力和風(fēng)險(xiǎn)。事后檢查魚塘、寺坪溢洪道泄槽底板抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬常規(guī)做法，符合規(guī)范要求，泄洪槽和挑流段發(fā)生破壞的共性原因是止水缺陷，受脈動(dòng)水壓力而破壞，魚塘底板混凝土厚度、基礎(chǔ)錨筋等方面存在不足和缺陷。

2.岸坡洞式溢洪道

在地形、地質(zhì)條件不利于布置開敞式溢洪道的壩址條件下，選擇采用洞式溢洪洞方案。坪寨（壩高H=162 m）、九甸峽（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程處高山峽谷地區(qū)，溢洪道開挖會(huì)造成不穩(wěn)定高邊坡及較大幅度增加開挖工程量，采用的開敞式進(jìn)口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、適應(yīng)高陡地形條件的特點(diǎn)。

岸坡洞式溢洪道設(shè)置屬常規(guī)技術(shù)，設(shè)計(jì)通常采用摻氣減蝕，合理選擇泄槽過(guò)流底坡體型，加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗沖耐磨性能，有針對(duì)性的消能工設(shè)計(jì)等措施，以保證工程泄洪安全運(yùn)用。同類工程安全鑒定中的隱患類型包括：受泄洪消能和霧化影響，出口段山體邊坡可能失穩(wěn)；過(guò)流面平整度控制不到位，溢洪洞抗沖蝕和抗空蝕能力差而導(dǎo)致局部破損（多已整改）；高速水流區(qū)混凝土抗沖耐久性與設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低；常遇泄洪情況下對(duì)下部坡體保護(hù)措施重視不夠等。

3.壩體中部或較低部位泄洪、排沙洞

兼有泄洪、排沙、放空等功能的泄洪洞可以分為無(wú)壓、有壓及有壓過(guò)渡至無(wú)壓形式，各工程根據(jù)綜合運(yùn)用要求加以布置。

為滿足功能要求，近幾年部分高面板壩采用有壓泄洪放空洞作為樞紐設(shè)計(jì)配置，控制段設(shè)于隧洞末端，并投入運(yùn)用。如九甸峽有壓泄洪放空洞泄洪歷時(shí)約 31天 （2012年 7—8月），最大下泄流量 496 m3/s，共泄流5.7億m3，最大落差近88 m，檢查洞內(nèi)混凝土（C50）完整性較好，出口段有局部受損。2013年7月貴州某面板壩工程有壓泄洪洞出口段發(fā)生整體損毀 （水頭約50 m），我國(guó)西部地區(qū)20世紀(jì)90年代建設(shè)的有壓泄洪沖沙洞，由于洞內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，運(yùn)用期發(fā)生過(guò)較明顯損壞。

利用導(dǎo)流洞改建的龍?zhí)ь^無(wú)壓泄洪洞設(shè)計(jì)經(jīng)歷過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的前期論證，至今應(yīng)用已較普遍，當(dāng)庫(kù)水位至出口落差達(dá)100 m時(shí)其運(yùn)用開啟應(yīng)較為謹(jǐn)慎，因?yàn)榧幢闶┕べ|(zhì)量控制良好，出現(xiàn)局部損壞可能仍較大。以紫坪鋪面板壩為例，排除震損情況，導(dǎo)泄結(jié)合段環(huán)氧砂漿損壞，經(jīng)修復(fù)后，2013年汛期泄洪檢查仍有局部空蝕破壞。目前看，高面板壩龍?zhí)ь^無(wú)壓泄洪洞設(shè)計(jì)已近極限狀態(tài)。

有壓接無(wú)壓泄洪、放空洞是高壩和超高壩較為適用的泄洪、放空手段（如水布埡、江坪河）。水布埡中孔放空洞建成后，過(guò)水運(yùn)用時(shí)間超過(guò)7個(gè)月，其中庫(kù)水位350 m以上高水頭泄洪26天，超過(guò)最高設(shè)計(jì)運(yùn)行水位360m泄洪8天，最高運(yùn)行水位368.66 m，相應(yīng)泄量為1 605 m3/s。汛后檢查結(jié)果表明：放空洞有壓段、突擴(kuò)突跌區(qū)域及無(wú)壓段均完好無(wú)損，表明放空洞布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；洞身及鼻坎段均無(wú)空蝕破壞現(xiàn)象，消能效果好，下游沖刷情況與模型試驗(yàn)成果基本一致。

四、與泄洪建筑物安全性的相關(guān)措施

主要措施設(shè)計(jì)包括：體型優(yōu)化，配置通氣、摻氣減蝕坎，提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和強(qiáng)度，施工不平整度控制，選用抗沖耐磨材料等。

1.體型

紫坪鋪龍?zhí)ь^無(wú)壓泄洪洞洞內(nèi)最大流速約45 m/s，經(jīng)水工模型試驗(yàn)，將初步設(shè)計(jì)階段反弧末端2道通氣槽改為5道摻氣坎，其中斜井段（龍?zhí)ь^段）設(shè)置3道，導(dǎo)流結(jié)合段設(shè)置2道，使每道摻氣設(shè)施保護(hù)段長(zhǎng)度均小于200 m。九甸峽工程有壓放空泄洪排沙洞在井塔式進(jìn)水口采用旁通充水管和通氣管，為防止高速水流沖蝕破壞，在閘門出口以后的泄槽（流速為 33～34 m/s）底部設(shè)垂直跌坎，以 1∶8底坡直至挑流鼻坎反弧段為起點(diǎn)，閘門后的泄槽兩側(cè)各突擴(kuò)80 cm。

2.材料

紫坪鋪工程在高速水流洞段普遍采用C50硅粉混凝土作為過(guò)流面材料，出口挑流鼻坎段全部采用C50硅粉混凝土，并在邊墻鋪1 cm厚環(huán)氧砂漿，保證一定抗沖耐磨能力。江坪河可研階段在選用泄洪建筑物的抗沖耐磨混凝土材料過(guò)程中，進(jìn)行了硅粉混凝土、聚羧酸高效減水劑、HF抗沖磨劑、摻玄武巖纖維等方案研究，設(shè)計(jì)推薦采用 “聚羧酸高效減水劑+摻玄武巖纖維”的方案。隨著工程運(yùn)行檢驗(yàn)總結(jié)、建設(shè)財(cái)力增強(qiáng)和條件好轉(zhuǎn)，我國(guó)西部地區(qū)新近設(shè)計(jì)中已較大幅度提高隧洞混凝土材料耐久性和強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.施工控制

紫坪鋪洞內(nèi)混凝土襯砌工作縫、錯(cuò)臺(tái)、突體控制標(biāo)準(zhǔn)垂直水流方向不超過(guò)3 mm，順?biāo)鞣较虿怀^(guò)5 mm。水布埡對(duì)放空洞混凝土質(zhì)量控制措施包括：制定混凝土表面平整度控制標(biāo)準(zhǔn)，按分類要求處理混凝土蜂窩麻面，對(duì)混凝土氣泡、錯(cuò)臺(tái)、內(nèi)部架空、漏水點(diǎn)進(jìn)行處理等。

4.工作閘門

九甸峽泄洪洞出口段最大設(shè)計(jì)水頭92 m，總推力2 830 t，采用整體式偏心鉸弧形工作門和預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)。江坪河工程技術(shù)難度最大的是泄洪放空洞工作閘門及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該閘門孔口尺寸6 m×6 m （屬國(guó)內(nèi)最大），最大擋水、動(dòng)水閉門操作水頭102.6 m，工作閘門選型為偏心鉸緊壓式弧形閘門，門槽為突擴(kuò)突跌體型?？裳须A段已完成的門槽體型的水力學(xué)模型試驗(yàn)表明，其下泄水流水舌擴(kuò)散形態(tài)好，側(cè)空腔、底空腔摻氣充分，下游泄槽兩側(cè)水翅不高，對(duì)側(cè)墻沖刷影響不大。阿爾塔什可研階段高面板壩深孔泄洪、排沙洞采用5.5 m×5.5 m有壓偏心弧門，最大工作水頭約123m，進(jìn)口閘門底板高程距基礎(chǔ)防滲墻底高程約74 m，隧洞閘門孔口尺寸、工作水頭的設(shè)計(jì)組合參數(shù)和排沙要求為國(guó)內(nèi)最大。

五、結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)已建工程情況與經(jīng)驗(yàn)，重視泄水建筑物的運(yùn)用安全，提高其結(jié)構(gòu)耐久性及抗沖耐磨損等建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)非常必要。針對(duì)面板壩工程特點(diǎn)，要設(shè)置有效放空檢修設(shè)施，保壩泄洪建筑物的泄洪能力要適當(dāng)留有余地，加強(qiáng)有壓隧洞控制段的結(jié)構(gòu)措施等。

由于面板壩輸水建筑物要在偶發(fā)工況或相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間才有機(jī)會(huì)使用，有些問(wèn)題不能及時(shí)暴露，一旦發(fā)生將導(dǎo)致工程安全運(yùn)用的風(fēng)險(xiǎn)，所以，要及時(shí)總結(jié)高面板壩工程建設(shè)和運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，取得相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為提高認(rèn)識(shí)和采取有效措施提供借鑒。

[1]中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，等.土石壩技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[2]水利水電建設(shè)工程蓄水安全鑒定和竣工驗(yàn)收技術(shù)鑒定導(dǎo)則[S].