小水電站落石災(zāi)害事故分析及安全檢測(cè)

王 楠

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077)

每逢汛期，鄂西北地區(qū)持續(xù)普降暴雨及大暴雨，山洪、泥石流、落石等山體災(zāi)害不斷[1- 3]。而鄂西北地區(qū)由于地質(zhì)地貌及水資源豐富，建設(shè)有大量徑流式小水電站，這類(lèi)小水電站由于引水渠道、前池、輸水管道等多建于山體上，極易受山洪、泥石流、落石災(zāi)害影響，造成水電站結(jié)構(gòu)損壞。近年來(lái)，由于山體次生災(zāi)害造成的水電站設(shè)備損毀事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅著電站工作人員人身及設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全[4- 9]。文章以鄂西北地區(qū)某小型水電站發(fā)生的山體落石災(zāi)害事故為例，深入分析了該事故產(chǎn)生原因、事故造成的影響，并開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)受損結(jié)構(gòu)的安全檢測(cè)，針對(duì)檢測(cè)及評(píng)估結(jié)果提出了除險(xiǎn)加固建議，為小水電站管理部門(mén)開(kāi)展科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)運(yùn)行維護(hù)提供了重要參考依據(jù)，最大程度保障電站結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行[10- 11]。

1 事故滾石災(zāi)害發(fā)生經(jīng)過(guò)

2020年4月21日下午3時(shí)許，鄂西北某小水電站后山斜坡發(fā)生危石滾落災(zāi)害，滾落危石方量約6m3，危石順坡滾向坡腳水電站廠區(qū)，將壓力鋼管砸變形5處，壓力鋼管支墩損壞1處，壓力鋼管過(guò)橋損壞1處，9m電桿損壞1根，管道槽保垱損壞3處，主機(jī)房、開(kāi)關(guān)間屋頂女兒墻及屋檐損壞16m，前池水位及監(jiān)控光纜損壞。事件發(fā)生后，電站生產(chǎn)未受到大的影響，各機(jī)組均能正常發(fā)電上網(wǎng)，但存在很大的安全隱患。

2 災(zāi)害發(fā)生位置及地貌特征

本次落石滾石區(qū)位于電站后山斜坡，地理坐標(biāo)是E 111°3′24″、N 30°7′40″。該區(qū)上覆第四系坡積碎塊石土，碎塊石成分為灰?guī)r、石英砂巖，大小一般為10～80cm(坡表局部分布有塊徑為3～5m的崩落巨塊石)，土石比為6∶4，層厚0.5～2m，主要分布于溝槽及緩坡地帶。第四系下伏地層為泥盆系中統(tǒng)云臺(tái)觀組(D2y)，巖性為厚層狀石英巖、石英砂巖，巖性硬脆、裂隙較發(fā)育，陡坎、山脊一帶多有出露。

滾石發(fā)生處位于水電站后山斜坡上部—北東向凹槽右側(cè)，距坡腳高差約80余米；該處斜坡傾向北東，坡面高陡，坡角一般為30°～50°。從危石滾落后形成的缺口判斷，滾落塊石高約2.3m、橫寬1.4m、均厚1.8m，方量約6m3，主崩方向25°。

3 滾石災(zāi)害處現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及分析

3.1 檢測(cè)結(jié)果

宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)鋼管表面存在裂紋缺陷，僅表現(xiàn)為三處凹坑，受雨水影響，滾石砸傷部位防腐層破壞，出現(xiàn)銹蝕痕跡。

對(duì)落石損傷部位的3處鋼管內(nèi)壁及2～3號(hào)支墩之間的焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)評(píng)定線及以上缺陷，質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)，合格。

3.2 有限元仿真計(jì)算結(jié)果

對(duì)落石損傷部位進(jìn)行有限元分析，分析條件見(jiàn)表1。

有限元計(jì)算結(jié)果如圖3所示，③④部位的最大應(yīng)力值為147.678MPa，利用屈服強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)為Ks=235MPa/147.678MPa=1.59。

表1 有限元分析條件

圖1 鋼管截面形狀圖(單位：mm)

圖2 有限元模型

圖3 鋼管應(yīng)力分布圖

3.3 檢測(cè)結(jié)論及建議

(1)經(jīng)檢測(cè)，鋼管落石損傷部位的內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)裂紋等危險(xiǎn)性缺陷，按照落石損傷最嚴(yán)重部位的變形程度進(jìn)行有限元計(jì)算，其最大應(yīng)力為147.678MPa，而A3鋼的屈服強(qiáng)度下限值為235MPa，目前鋼管使用屈服強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)為1.59。

(2)盡快更換第8號(hào)支墩處損傷的一段鋼管，需采用機(jī)械切割法切除損傷的管段(不得使用火焰切割)，再焊接一段規(guī)格和材質(zhì)相同的管子，焊口示意如圖4所示，為了保證焊接質(zhì)量，焊接施工完成后需要對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行超聲和磁粉檢測(cè)。

圖4 更換鋼管焊口拼接示意圖

(3)危石伴隨廠房頂碎石跌落于開(kāi)關(guān)間后，堵塞了山體排水通道，建議盡快對(duì)落石開(kāi)展清理，疏通堵塞渠道，并組織人員對(duì)部分山林進(jìn)行巡查，將有可能影響安全的浮石轉(zhuǎn)移到安全地段，不能轉(zhuǎn)移的浮石采用漿砌石保垱防護(hù)。

(4)為以后便于觀察壓力鋼管及附近山體情況，建議在壓力鋼管8#、9#鎮(zhèn)墩增設(shè)攝像頭2只、機(jī)房后山危巖增設(shè)攝像頭3只。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)某水電站落石災(zāi)害事故的分析，完成了對(duì)受損部位結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及仿真計(jì)算，真實(shí)、科學(xué)地反映出受損結(jié)構(gòu)的安全狀況，并對(duì)受損結(jié)構(gòu)提出了除險(xiǎn)加固建議，為山區(qū)小水電管理部門(mén)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害隱患防護(hù)工作提供了重要的理論及經(jīng)驗(yàn)支撐。然而山區(qū)地貌復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害種類(lèi)繁多，偶然性和隨機(jī)性較大。如何更加全面與系統(tǒng)地開(kāi)展隱患排查及危險(xiǎn)源整治，更加合理地開(kāi)展提前監(jiān)督及防護(hù)工作，需要行業(yè)工作者進(jìn)一步的深入研究。