水電站大壩安全定期檢查中泄水建筑物運(yùn)行安全若干問題

羅前進(jìn)，譚秀娟（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

水電站大壩安全定期檢查中泄水建筑物運(yùn)行安全若干問題

羅前進(jìn)，譚秀娟
（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

介紹了若干泄水建筑物運(yùn)行出現(xiàn)的問題，并從泄水建筑物的功能、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行調(diào)度等方面分析其原因，其成果對(duì)泄水建筑物運(yùn)行安全評(píng)價(jià)具有一定借鑒意義。

大壩；泄水建筑物；運(yùn)行；安全

0　前言

水電站工程中，泄水建筑物是用以排放多余水量、泥沙和冰凌等的水工建筑物，其運(yùn)行安全是確保大壩安全的重要組成部分。根據(jù)原國家電力監(jiān)管委員會(huì)大壩安全監(jiān)察中心已完成的首輪（1987～1998年）96座、第二輪（1997～2006年）116座、第三輪（2005～2011年）182座大壩安全定期檢查的情況，運(yùn)行大壩泄水建筑物主要有兩類問題：一類為功能性問題，泄流、放空或排沙能力達(dá)不到樞紐建筑物的運(yùn)行要求；另一類為非功能性問題，其泄水建筑物本身由于運(yùn)行而產(chǎn)生缺陷或運(yùn)行時(shí)對(duì)相鄰建筑物（設(shè)施）造成不利影響。

根據(jù)若干典型工程的運(yùn)行實(shí)例，從泄水建筑物運(yùn)行反映的問題出發(fā)，分析其產(chǎn)生的原因，為評(píng)價(jià)泄水建筑物運(yùn)行安全性對(duì)大壩運(yùn)行安全性的影響提供依據(jù)。

1　泄水建筑物功能性問題產(chǎn)生的原因

泄水建筑物的功能有多種，此處僅討論排放多余水量的功能。該功能在水電站工程中主要表現(xiàn)為：各泄水建筑物聯(lián)合宣泄洪水能力不能滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行要求、水庫放空設(shè)施開啟困難。

1.1泄流能力不足

3輪大壩安全定期檢查表明，水電站泄水建筑物泄流能力不足主要是由早期建設(shè)的電站設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)偏低導(dǎo)致。隨著對(duì)失事電站原因的分析，對(duì)大壩防洪安全的要求和認(rèn)識(shí)不斷提高，部分洪水標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)提高。如在1978年以前的標(biāo)準(zhǔn)中，校核洪水（非常運(yùn)用洪水）標(biāo)準(zhǔn)沒有區(qū)分筑壩材料，未能體現(xiàn)不同壩型的工程失事風(fēng)險(xiǎn)和危害程度的差別，1978年以后頒布的標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)土壩、堆石壩，均提高了校核洪水（非常運(yùn)用洪水）標(biāo)準(zhǔn)。如在1994年后頒布的標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)建筑物級(jí)別、壩型相同的工程，壩高和庫容可能相差很大，失事后工程本身損失和對(duì)下游的危害性差別也很大，因此對(duì)各個(gè)等別、各種壩型工程和洪水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)取值范圍，同一工程高壩大庫者取上限。而水電站大壩安全評(píng)價(jià)的原則是按現(xiàn)行規(guī)范來衡量，因壩型、壩高、庫容的不同、現(xiàn)行規(guī)范洪水標(biāo)準(zhǔn)的提高，導(dǎo)致部分早期建設(shè)的水電站泄水建筑物的泄流能力不滿足汛期排放水量要求。首輪大壩定期檢查的96座大壩中有38座大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)須按現(xiàn)行規(guī)范提高。

另一方面是由于設(shè)計(jì)初期洪水資料欠缺，采用的洪水系列較短，運(yùn)行后發(fā)生大洪水，延長系列后導(dǎo)致同頻率洪峰流量增加，并經(jīng)調(diào)洪演算泄水建筑物泄流能力仍不足。其次是設(shè)計(jì)或施工原因?qū)е滦沽髂芰Σ蛔悖绫砜咨喜康拈T機(jī)大梁阻水、泄洪設(shè)施由于補(bǔ)強(qiáng)加固導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小、過流表面施工質(zhì)量不到位、糙率增大等，從而影響泄洪能力。

上述種種原因?qū)е碌男顾ㄖ镄沽髂芰Σ蛔銌栴}，大壩安全運(yùn)行評(píng)價(jià)時(shí)與大壩防洪安全一起綜合評(píng)價(jià)。最終防洪能力不滿足要求的工程，綜合考慮水庫特性、擋水建筑物及泄水建筑物等多方面情況，按現(xiàn)行規(guī)范的防洪標(biāo)準(zhǔn)，采取加高大壩擋水建筑物高度、增加泄水建筑物、降低水庫洪水期運(yùn)行水位或調(diào)整水庫水位控制方式等多種措施綜合予以解決。

1.2放空設(shè)施開啟困難

高壩大庫因戰(zhàn)備要求，部分大型土壩、堆石壩考慮檢修要求設(shè)置了放空底孔，其工作閘門一般為潛水深孔閘門。由于大部分底孔不參與水庫的泄洪，或僅在達(dá)到設(shè)計(jì)洪水時(shí)才參與泄洪，故底孔工作的機(jī)率非常少。另外，底孔進(jìn)口高程一般較低，若不定期對(duì)放空底孔的工作閘門進(jìn)行啟閉操作試驗(yàn)，則有可能出現(xiàn)工作閘門門前泥沙淤積情況，導(dǎo)致閘門提不起來。如江西某電站放空洞采用進(jìn)口檢修閘門擋水，閘門45°傾斜布置，自1995年投運(yùn)以來，檢修門長期擋水運(yùn)行，門葉、門槽和拉桿已發(fā)生銹蝕，目前啟閉困難。

有些電站放空底孔擋水閘門維護(hù)困難或無法維護(hù)，如廣西多座電站放空底孔僅設(shè)置工作閘門，在早期運(yùn)行中啟閉設(shè)施損壞后直接拆除，其后閘門一直無法啟閉和維護(hù)；甚至某電站放空底孔僅設(shè)置一道閘門，且該閘門運(yùn)行方式為“動(dòng)水開門、無水下門”，導(dǎo)致日常對(duì)閘門無法進(jìn)行檢修及啟閉試驗(yàn)，長期運(yùn)行后其閘門很可能無法開啟。

作為戰(zhàn)備和檢修目的而設(shè)置的應(yīng)急放空設(shè)施，很可能在其使用周期內(nèi)也不會(huì)使用，但一旦需要其工作時(shí)，則需立即能夠投入使用，因此日常須對(duì)放空設(shè)施加強(qiáng)管理，定期檢查維護(hù)，對(duì)工作閘門開展定期啟閉試驗(yàn)，確保能夠正常工作，對(duì)先天存在的缺陷盡早采取措施予以處理。

2　泄水建筑物非功能性問題產(chǎn)生原因

泄水建筑物非功能性問題主要表現(xiàn)為可以正常使用，但運(yùn)行時(shí)泄洪及消能設(shè)施本身產(chǎn)生損壞或?qū)ο噜徑ㄖ锘蛟O(shè)施產(chǎn)生不利影響。在第三輪大壩安全定期檢查中，有近50%的大壩泄水建筑物存在類似不同程度的缺陷，原因主要有以下幾類。

2.1布置不合理

泄水建筑物的布置對(duì)樞紐區(qū)相鄰建筑物、相關(guān)設(shè)施及運(yùn)行人員的安全影響很大。泄水消能建筑物一般具有高水頭、大泄量、高流速、大能量的特點(diǎn)，因此涉及高能轉(zhuǎn)換、空化空蝕、流固耦合及高速多相紊流等問題，在泄洪消能過程中，水流在流道內(nèi)的特性復(fù)雜。DL/T5166-2002《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“大型工程和水力條件復(fù)雜的中型工程應(yīng)經(jīng)水力水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證；中型工程宜進(jìn)行水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證……”，但由于水工模型存在相似率和縮尺效應(yīng)，高流速、高能量的泄水建筑可能存在布置上的缺陷。如四川某大型電站泄洪洞為高流速、高水頭泄水設(shè)施，雖在大量水工模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)施，運(yùn)行初期經(jīng)相當(dāng)設(shè)計(jì)洪水工況的運(yùn)行，高速水流造成洞內(nèi)過流面的空蝕破壞嚴(yán)重，后期經(jīng)過大量研究、水工模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)以及修改摻氣等布置，解決了上述問題。另外，湖南某電站溢洪道橫向結(jié)構(gòu)縫設(shè)置及處理不合理，在高速水流作用下止水失效，水流進(jìn)入底板，在脈動(dòng)上舉力作用下底板被掀開。

由于樞紐區(qū)相關(guān)建筑物布置的不合理，泄水建筑物運(yùn)行時(shí)對(duì)其他設(shè)備也可能產(chǎn)生不利影響。如泄水建筑物運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的霧化造成山坡滑坡或影響廠區(qū)工作環(huán)境。

泄水建筑物布置不合理一方面受制于復(fù)雜的水力學(xué)問題，另一方面由布置中的細(xì)節(jié)缺陷造成。

2.2結(jié)構(gòu)薄弱或存在缺陷

2.2.1結(jié)構(gòu)不符合規(guī)范

泄水建筑物結(jié)構(gòu)薄弱或存在缺陷首先是由于建筑物在建設(shè)期設(shè)計(jì)或施工不符合規(guī)范要求導(dǎo)致的。如江西某溢洪道閘墩的混凝土強(qiáng)度較低，導(dǎo)致溢洪道的中墩、邊墩在弧門支座附近局部受拉區(qū)不滿足規(guī)范的限裂要求，產(chǎn)生危害性裂縫。廣東某電站泄放洞，由于有壓段末端一定范圍內(nèi)混凝土襯砌上部圍巖質(zhì)量及巖體厚度不符合有壓混凝土襯砌隧洞的設(shè)計(jì)要求，內(nèi)水外滲導(dǎo)致泄放洞外部山體滲水嚴(yán)重，危及山體邊坡穩(wěn)定。

2.2.2沖蝕及磨蝕

高水頭、大泄量的泄水建筑物，其下泄水流對(duì)流道襯砌和消能防沖設(shè)施造成沖蝕破壞比較普遍。如湖南某電站，由于超標(biāo)洪水以及閘門開啟不均勻，使消力池流態(tài)偏離設(shè)計(jì)要求，底板壓力分布不均勻，在持續(xù)泄洪90 h后，造成消力池出現(xiàn)長約50 m、寬16～25 m、基巖沖淘深13～36 m的大沖坑。景洪、漫灣、安康等電站在大泄量時(shí)，當(dāng)下游低水位、抗沖耐磨混凝土層的強(qiáng)度不足以及抗沖耐磨層與下部混凝土出現(xiàn)接觸不好等情況時(shí)，消力池底板泄洪后沖損嚴(yán)重。

在多泥沙流域，水庫有排沙要求。由于泥沙中石英摩氏硬度為7，長石硬度為6，而鋼材硬度為5.5，混凝土的硬度遠(yuǎn)低于鋼材，故多泥沙河流高流速的泄洪使排沙建筑物發(fā)生磨蝕破壞是非常普遍的，如在龍羊峽、劉家峽、寶珠寺、龔嘴、魯布革、青銅峽等多泥沙河流中均有發(fā)生。最典型的是龔嘴電站排沙中孔，每次排沙后流道表層抗沖耐磨混凝土均磨蝕，嚴(yán)重的露出結(jié)構(gòu)鋼筋，即使采用鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，也只是延長了修補(bǔ)間隔，降低了修補(bǔ)頻次。

2.2.3河床及護(hù)岸淘刷

河床及兩岸的淘刷也是泄水建筑物運(yùn)行產(chǎn)生的問題之一。河床及兩岸的淘刷與地形、地基的抗沖能力、消能方式及消能的充分性等多方面原因相關(guān)。如西津、洛東、長湖以及富春江等電站下游護(hù)岸初期沖刷嚴(yán)重的問題，與其采用的面流消能特點(diǎn)——消除的能量較小、面流流速大有關(guān)。

2.3調(diào)度方式不合理

泄水建筑物設(shè)計(jì)時(shí)通常根據(jù)水工模型試驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)推薦其運(yùn)行時(shí)的調(diào)度原則，一般運(yùn)行中須嚴(yán)格執(zhí)行。但實(shí)際運(yùn)行中，有些電站由于種種原因，未嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度原則，造成相關(guān)損壞。如某低水頭閘壩有多孔泄洪閘，按調(diào)度原則應(yīng)“先開中間、再開兩邊”，但實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常采用靠近廠房的泄洪閘邊孔泄放上游浮渣，結(jié)果導(dǎo)致該孔下游河床沖淘較嚴(yán)重。同樣的低水頭閘壩，分別在主河和岔河設(shè)置多孔泄洪閘，按照調(diào)度原則，常遇洪水應(yīng)先開主河道閘孔。但由于發(fā)電廠房設(shè)置在主河道，若常遇洪水時(shí)主河道泄洪，下游水位會(huì)相應(yīng)涌高，影響發(fā)電效益，故運(yùn)行中常遇洪水開啟岔河泄洪閘。岔河泄洪閘是按照設(shè)計(jì)洪水、下游高水位設(shè)計(jì)，下游未設(shè)置防沖設(shè)施，該調(diào)度方式下，上、下游水頭差大于設(shè)計(jì)水頭，造成岔河泄洪閘孔下游河床沖淘嚴(yán)重，且淘坑逐漸向壩踵發(fā)展，影響大壩安全。

3　結(jié)語

根據(jù)功能要求和水電站自身的特點(diǎn)，泄水建筑物布置型式和消能方式各不相同，因此評(píng)價(jià)其運(yùn)行安全時(shí)，要緊抓其功能要求和運(yùn)行性狀。泄水建筑物的功能特點(diǎn)要求其在低于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，尤其是常遇洪水時(shí)保證工程安全和正常運(yùn)行；允許出現(xiàn)局部破壞，但不得危及大壩及其他主要建筑物的安全或長期影響樞紐運(yùn)行，汛后應(yīng)易于修復(fù)。

根據(jù)大壩安全定期檢查，注冊(cè)水電站大壩目前僅少量泄水建筑物由于種種原因?qū)е滦沽髂芰Σ粷M足電站防洪要求，問題更突出的是具有應(yīng)急作用的放空設(shè)施。由于運(yùn)行頻率非常低，運(yùn)行單位存在思想麻痹、疏于管理的現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)管理、定期檢查維護(hù)。問題普遍是泄水建筑物由于日常過流較頻繁，其流道或消能防沖設(shè)施會(huì)出現(xiàn)不同的缺陷甚至隱患，究其原因，除復(fù)雜的水力學(xué)特性、高流速、大能量外，建設(shè)期的種種不足或缺陷以及運(yùn)行中的不合理調(diào)度方式也是重要的誘因。

［1］DL/T5313-2014，水電站大壩運(yùn)行安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則［S］.

［2］DL/T5180-2000，水工樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］DL/T5166-2002，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］國家能源局大壩安全監(jiān)察中心.水電站病險(xiǎn)壩和重大隱患治理工作總結(jié)［R］.2014.

Title:Operation safety of discharge structures in hydropower dams//by LUO Qian-jin and TAN Xiujuan//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

The paper introduced the problems of water discharge structures in operation.Moreover，from the aspects such as function，structure，flood control plan and others，its causes were analyzed.The results were presented for reference.

large dam；water discharge structure；operation；safety

TV698.1

A

1671-1092（2015）01-0064-03

2015-01-20

羅前進(jìn)（1978-），男，高級(jí)工程師，本科，主要從事水電站大壩安全管理工作。

作者郵箱：luo_qj@ecidi.com