河岸式溢洪道運(yùn)行存在問題及治理對策探討

杜雪珍，王櫻畯，汪 振

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州，311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州，311122；3.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州，311122）

1 概述

河岸式溢洪道是土石壩或河床狹窄、壩身溢流空間受限的混凝土壩常見的泄洪建筑物型式。河岸式溢洪道總體可靠性較好，但長期運(yùn)行中，有些問題會(huì)不同程度影響正常運(yùn)行，也有運(yùn)行中缺陷驟然加劇導(dǎo)致泄洪結(jié)構(gòu)局部水毀、嚴(yán)重影響泄洪安全的情況。這些問題的出現(xiàn)可能與河岸式溢洪道的選址、平面布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量及材料抗沖蝕性能等諸多因素有關(guān)，也可能是由于運(yùn)行調(diào)度不當(dāng)，忽視運(yùn)行維護(hù)造成的。筆者對河岸式溢洪道運(yùn)行過程中的常見問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對比較典型的問題，結(jié)合具體工程分析原因。在此基礎(chǔ)上介紹針對性的解決措施或?qū)Σ?，以供類似工程借鑒。

2 存在的主要問題及原因分析

根據(jù)最近幾年水電站定期檢查等資料，包括水布埡、公伯峽、天荒坪等51個(gè)國內(nèi)大中型水電站的河岸式溢洪道檢查中發(fā)現(xiàn)的不同程度、不同類型的問題及特點(diǎn)，將常見的主要問題分為結(jié)構(gòu)和體型設(shè)計(jì)缺陷、下游沖刷及回流淘刷、混凝土空蝕沖蝕、其他混凝土缺陷（包括裂縫、滲水、凍融及老化等問題）、泄洪霧化5個(gè)種類，出現(xiàn)相關(guān)問題的頻次統(tǒng)計(jì)見圖1。以下結(jié)合統(tǒng)計(jì)結(jié)果，分別對各類問題的性狀表現(xiàn)、發(fā)生原因和危害性進(jìn)行分析。

圖1 河岸式溢洪道存在問題分類統(tǒng)計(jì)Fig.1 Classification and statistics of existing problems of chute spillways

2.1 結(jié)構(gòu)和體型設(shè)計(jì)缺陷

本次統(tǒng)計(jì)歸于體型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的主要有泄槽底板破壞和小流量挑流困難兩種形式，共有7例，在51個(gè)工程中占比并不高，但因泄槽底板一旦發(fā)生破壞，損壞范圍和程度易迅速發(fā)展，尤其是小于設(shè)計(jì)泄量時(shí)發(fā)生受損將嚴(yán)重影響工程安全，因此可見體型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性。

2.1.1泄槽底板破壞

泄槽底板破壞主要原因是底板混凝土厚度不足，或底板與基巖膠結(jié)或錨固不良，其次是泄槽體型不合理、表面不平整、底板排水不暢、止水缺陷等。

貴州某水電站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大泄量9 410 m3/s。2006年5月泄洪歷時(shí)約167 h，最大泄量3 507 m3/s，泄洪后發(fā)現(xiàn)泄槽底板中間偏右側(cè)發(fā)生大面積破壞，水毀總面積950 m2，最大沖深約7.0 m，見圖2（a）。

湖北某水電站河岸式溢洪道共4孔，挑流消能，最大泄量7 020 m3/s。2007年6月泄洪最大泄量604 m3/s，檢查發(fā)現(xiàn)泄槽底板部分被沖毀，最大沖深約6 m，被沖毀的底板下基巖外露，損壞面積約540 m2，見圖2（b）。

圖2 溢洪道泄槽底板破壞典型案例Fig.2 Typical bottom plate damage of spillway chute

2.1.2 小流量挑流困難

岸邊式溢洪道多采用挑流消能，流道體型設(shè)計(jì)一般重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)流量下的挑流沖刷坑位置，并且盡量避免溢洪道鼻坎末端基礎(chǔ)局部沖刷破壞。但實(shí)際運(yùn)行中泄量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的機(jī)會(huì)較少，因此溢洪道體型和結(jié)構(gòu)考慮不周，常遇洪水泄洪時(shí)，小流量水流挑流不到位甚至不能起挑，這也是岸邊式溢洪道較多見的問題，可能直接造成挑坎地基局部淘刷，甚至影響挑坎等結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

貴州某工程2007年7月26日首次泄洪時(shí)，發(fā)現(xiàn)水流流態(tài)差，水經(jīng)泄槽段從導(dǎo)墻挑流段頂部溢出，未形成挑流狀態(tài)，見圖3（a）。該工程原設(shè)計(jì)在泄槽內(nèi)設(shè)置了中導(dǎo)墻，以滿足運(yùn)行調(diào)度要求。設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)取消了中導(dǎo)墻，導(dǎo)致常遇洪水時(shí)因單寬流量較小，水舌無法充分挑起，只有當(dāng)泄量增大到一定流量（約4 000 m3/s）時(shí)，水流才能正常挑出。

云南某水電站河岸式溢洪道共3孔，挑流消能，最大聯(lián)合泄量5 730 m3/s。2010年8月18日，因泄量小于1 000 m3/s，挑流鼻坎無法實(shí)現(xiàn)挑流，導(dǎo)致水體翻過泄槽邊墻，威脅邊墻基礎(chǔ)安全，見圖3（b）。后將連續(xù)式鼻坎切槽改為差動(dòng)式鼻坎后，才解決了小流量下的挑流問題。

圖3 溢洪道體型設(shè)計(jì)導(dǎo)致小流量泄洪困難典型案例Fig.3 Typical difficulties in discharge of small flood flow caused by improper spillway shape design

2.2 下游沖刷及回流淘刷

發(fā)生下游沖刷及回流淘刷問題的工程共有17例，在51個(gè)工程中占比相對較高。泄洪時(shí)不論采用何種消能方式，鄰近河道及兩岸的沖刷一般較難避免，有挑射水流直接沖刷，也有水流回流淘刷。沖刷對工程的整體安全影響主要取決于沖刷部位、程度和發(fā)展速率。如果挑流沖刷坑上緣、回流淘刷的部位接近壩基或者溢洪道基礎(chǔ)，或淘刷程度出現(xiàn)加速趨勢，則對泄洪運(yùn)行安全有較大影響。

黑龍江某工程右岸溢洪道2002年8月4日首次泄洪，最大泄量2 000 m3/s，泄洪歷時(shí)14 d，挑流鼻坎底部長20 m的出水平臺(tái)基礎(chǔ)被嚴(yán)重沖刷，最大沖坑深度20余m；出水渠段左、右岸坡嚴(yán)重沖刷淘蝕，寬度達(dá)160余m，長度共計(jì)2 000余m，見圖4（a）。

吉林某工程溢洪道泄洪水流出口處較狹窄，導(dǎo)致下游水位抬高，并產(chǎn)生回流，致使溢洪道出口兩側(cè)砌石護(hù)坡及鼻坎基礎(chǔ)被沖刷破壞，見圖4（b）。

2.3 混凝土缺陷

混凝土缺陷主要有空蝕、沖蝕和其他缺陷（包括裂縫、滲水、析鈣、凍融破壞及混凝土老化導(dǎo)致細(xì)骨料脫落、流道糙率加大等）。本次統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)空蝕、沖蝕缺陷24例，其他混凝土缺陷28例，說明在51個(gè)工程中一半左右會(huì)存在一種或多種混凝土缺陷，可見混凝土缺陷發(fā)生的頻率很高?；炷寥毕莩私档徒Y(jié)構(gòu)的耐久性和適用性外，多數(shù)有漸進(jìn)發(fā)展的特點(diǎn)。混凝土缺陷發(fā)展累計(jì)到一定程度后，若遇高速水流運(yùn)行工況，局部缺陷在水流作用下可能急劇發(fā)展而發(fā)生危害性的后果，因此也必須予以持續(xù)重視。

2.3.1 混凝土空蝕、沖蝕

河岸式溢洪道泄槽混凝土在高速水流的空蝕、沖蝕作用下，易出現(xiàn)混凝土表面不平整、粗骨料裸露，甚至鋼筋外露等缺陷。其中陡槽、反弧段、鼻坎等高流速區(qū)及結(jié)構(gòu)體型突變部位是空蝕、沖蝕的高發(fā)部位。發(fā)生空蝕、沖蝕除了與溢洪道水力體型設(shè)計(jì)和高速水流（流速大于20 m/s）有關(guān)外，主要的直接原因是固體邊壁不平整和混凝土抗沖性能不足。

湖北某工程河岸式溢洪道采用挑流消能，鼻坎最大流速約30 m/s，經(jīng)多次泄洪，溢洪道泄槽段過流面4條水平伸縮縫和鼻坎挑流段過流面混凝土均出現(xiàn)不同程度的破損、局部沖蝕破壞，見圖5（a），局部混凝土出現(xiàn)脫空層，見圖5（b）。破損部位深15~20 cm，最大寬度達(dá)2.5 m；反弧段局部嚴(yán)重破損，深度約30 cm。

圖5 溢洪道流道混凝土空蝕、沖蝕典型案例Fig.5 Typical cavitation and erosion of spillway concrete

2.3.2 其他混凝土缺陷

其他混凝土缺陷細(xì)分種類多，性狀表現(xiàn)各式各樣，成因也有所不同。其中裂縫、滲水、析鈣缺陷主要起因是原施工質(zhì)量問題，并可能隨時(shí)間發(fā)展；而凍融、老化則是長期運(yùn)行后受環(huán)境影響、混凝土性能逐步劣化所致?？傮w而言，這類缺陷呈漸進(jìn)發(fā)展的特點(diǎn)，缺陷發(fā)生初期程度輕、直接危害較小，但是對結(jié)構(gòu)長期服役壽命影響大，而且存在與其他缺陷和運(yùn)行條件耦合導(dǎo)致危害突然加劇的可能。

江西某工程于1958年開工，3孔溢洪道采用底流消能，2009年檢測發(fā)現(xiàn)閘墻混凝土強(qiáng)度等級較低，牛腿、溢洪道堰頂混凝土強(qiáng)度等級略低于設(shè)計(jì)值，存在明顯老化現(xiàn)象，見圖6（a）。

西藏某工程冬季最低氣溫在-30℃以下，2014年發(fā)現(xiàn)溢洪道堰頂及進(jìn)水渠水位變動(dòng)區(qū)混凝土表層局部存在淺層凍融剝蝕現(xiàn)象，消力池兩側(cè)邊墻及泄槽末端導(dǎo)墻在水位變動(dòng)區(qū)存在凍融剝蝕現(xiàn)象，見圖6（b）。

云南某工程左岸3孔河岸式溢洪道采用挑流消能，2009年汛后檢查發(fā)現(xiàn)閘室段及泄槽段底板有裂縫，且有滲水，見圖6（c）。

圖6 溢洪道其他典型混凝土缺陷Fig.6 Other typicaldefects of spillway concrete

2.4 泄洪霧化問題

泄流時(shí)常會(huì)發(fā)生霧化現(xiàn)象，形成臨近泄洪建筑物的下游局部區(qū)域非自然的狂風(fēng)、降雨和霧流等。高水頭河岸式溢洪道大流量泄洪時(shí)，泄洪霧化一般對樞紐建筑物、兩岸交通及邊坡影響范圍較大，其中下泄水舌裂散降雨及水舌入水濺擊降雨有局部雨強(qiáng)大、雨強(qiáng)分布變化快等特征，容易引起邊坡垮塌、泥石流、水石流等危害，影響下游樞紐建筑和電站運(yùn)行安全，也會(huì)給社會(huì)交通和居民生活帶來不利影響。本次統(tǒng)計(jì)歸于泄洪霧化問題的共有2例，在51個(gè)工程中占比不高，因此應(yīng)主要針對高水頭、地形條件特殊、樞紐建筑物布置集中的工程在設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行中予以重點(diǎn)關(guān)注。

湖北某水電站大壩高、泄量大，溢洪道采用窄縫消能工。2016年7月原型觀測試驗(yàn)時(shí)，最大泄量3 848 m3/s，泄水歷時(shí)5 h 45 min。泄洪引起的霧化現(xiàn)象較為嚴(yán)重，強(qiáng)霧化降雨區(qū)主要集中在溢洪道出口下游500 m范圍內(nèi)的峽谷及兩岸，右岸實(shí)測最大降雨強(qiáng)度2 760 mm/h，左岸超過10 000 mm/h，強(qiáng)降雨及水舌風(fēng)造成下游滑坡體和高邊坡局部噴層混凝土脫落，觀測儀器也有一定破壞，見圖7（a）。

廣西某水電站自2007年起，每年泄洪約2個(gè)月，最大泄量約1 000 m3/s。泄洪霧化嚴(yán)重影響下游對岸居民的日常生活，見圖7（b）。

圖7 溢洪道泄洪霧化問題典型案例Fig.7 Typical atomization during flood discharge by spillway

3 河岸式溢洪道典型水毀案例分析

溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范允許消能防沖建筑物在泄流量大于設(shè)計(jì)泄量的校核工況下出現(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。但實(shí)際工程中，河岸式溢洪道也有泄量小于設(shè)計(jì)泄量即發(fā)生較嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞的情況，2021年鄂坪水電站溢洪道發(fā)生局部水毀就是較為典型的例子。發(fā)生這種情況的原因往往不是單一的，對樞紐安全的威脅較大，因此以鄂坪水電站作為典型案例進(jìn)行分析，并簡介實(shí)際采用的修復(fù)措施。

3.1 破壞經(jīng)過

湖北鄂坪水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高125.6 m。泄洪建筑物為右岸3孔岸邊開敞式溢洪道，最大泄量5 990 m3/s。

2021年8月25—30日、9月5—11日、9月19—20日，流域上游經(jīng)歷特大暴雨，最大入庫洪峰流量2 958 m3/s（重現(xiàn)期超過20年），溢洪道最大泄量2 330 m3/s。溢洪道因長時(shí)間、大流量泄洪，樁號0+146 m橫縫下游側(cè)泄槽末段及鼻坎段左側(cè)底板被沖毀，水流淘刷基礎(chǔ)形成長45 m、寬35 m、深15 m的沖坑，沖坑面積約1 800 m2，沖毀部分體積預(yù)估約4 800 m3，右側(cè)邊墻外山體局部垮塌沉陷，見圖8（a）。同時(shí)受溢洪道出口回流、涌浪淘刷及挑流霧化影響，下游壩腳和部分河道岸坡、局部公路邊坡發(fā)生坍塌失穩(wěn)。

圖8 鄂坪溢洪道處理前后對比Fig.8 Comparison of Eping spillway before and after treatment

3.2 成因分析

3.2.1 溢洪道

在高速水流沖刷和脈動(dòng)水壓作用下，反弧段摻氣坎混凝土和止水被破損、擊穿，進(jìn)而淘刷、沖擊泄槽底板基礎(chǔ)，導(dǎo)致底板和邊墻局部沖毀，使水流條件更加紊亂，混凝土、基巖和兩岸邊坡的淘刷持續(xù)向上部發(fā)展，沖毀范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)上述分析，泄槽沖毀的主要原因是反弧段混凝土強(qiáng)度不足或有施工質(zhì)量缺陷，也可能有橡膠止水材料質(zhì)量和安裝工藝方面的問題。

泄槽樁號0+80～0+165 m段建基巖體為弱～強(qiáng)風(fēng)化或傾倒變形體，巖性為粉砂質(zhì)絹云母板巖，巖體破碎，該段泄槽底板地質(zhì)條件較差也是沖損持續(xù)發(fā)展的原因。

3.2.2 消能區(qū)

挑流鼻坎段體型不合理，導(dǎo)致下游河道回流強(qiáng)度較大，持續(xù)淘刷周邊護(hù)岸基礎(chǔ)，對未深入基巖的壩腳量水堰和附近護(hù)岸結(jié)構(gòu)造成破壞。

3.3 溢洪道修補(bǔ)處理

（1）拆除原泄槽底板，對基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿，重新澆筑80 cm厚C35抗沖耐磨混凝土，設(shè)頂?shù)變蓪愉摻罹W(wǎng)，底板用錨筋與地基連接。在樁號0+094 m處重新設(shè)摻氣坎，采用挑跌坎型式，坎高2.4 m，寬3.9 m，兩側(cè)邊墻增設(shè)斷面尺寸為2 m×1.8 m的通氣孔。鼻坎調(diào)整為燕尾式，將水流分散，在空中消能。

（2）拆除樁號0+090~0+104 m段兩側(cè)邊墻及鼻坎兩側(cè)邊墻，恢復(fù)衡重式鋼筋混凝土擋墻。泄槽底板與邊墻為分離式結(jié)構(gòu)，靠近邊墻2 m處及底板中部共設(shè)置5條縱縫，從控制段至鼻坎，以14 m為間隔設(shè)置10條橫縫，縱縫通條布置，縫面涂抹瀝青，縫間設(shè)紫銅止水。在分縫底部設(shè)置透水軟管，外裹工業(yè)濾布。對控制段底板和未拆除的泄槽邊墻，涂抹一層抗沖磨材料。

4 主要解決對策措施

4.1 設(shè)計(jì)施工

（1）溢洪道設(shè)計(jì)時(shí)，除了布置時(shí)應(yīng)綜合考慮選址，平面上盡量保持平順銜接，避免在泄槽中形成折沖水流和沖損下游河床等問題，還需重視體型、摻氣構(gòu)造和底板分縫等設(shè)計(jì)，以盡量減輕混凝土空蝕、氣蝕。

（2）設(shè)計(jì)應(yīng)重視泄槽底板和末端挑坎等部位的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和材料強(qiáng)度，除了保證底板厚度和錨筋數(shù)量，也應(yīng)重視分縫、止水及排水等構(gòu)造的合理性和可靠性。受高速水流沖刷的重點(diǎn)部位盡量采用高標(biāo)號混凝土，并選用抗沖磨性能好的混凝土骨料?；炷潦┕r(shí)嚴(yán)控不平整度和溫度裂縫等缺陷。

（3）泄槽底板設(shè)計(jì)應(yīng)保證底板抗浮穩(wěn)定，對于軟巖地基（如頁巖或板巖）或不良地質(zhì)構(gòu)造，還應(yīng)加強(qiáng)地基的整體性，可考慮加密加深固結(jié)灌漿、增設(shè)較深的錨筋樁、加強(qiáng)排水等措施，必要時(shí)可設(shè)置底板揚(yáng)壓力監(jiān)測項(xiàng)目。

（4）針對小流量泄洪困難問題，設(shè)計(jì)時(shí)可盡量減小泄洪挑射角度，或采用差動(dòng)式鼻坎，滿足小流量挑流要求，同時(shí)加強(qiáng)挑坎下游的護(hù)坦及地基的穩(wěn)定性。

（5）高水頭的河岸式溢洪道采用挑流消能時(shí)，應(yīng)充分研究泄洪霧化的不利影響和對策，根據(jù)工程具體情況對霧化影響范圍的邊坡、沖溝采取加強(qiáng)支護(hù)、排水和沖溝泥石流治理等工程措施，受霧化影響的居民必要時(shí)應(yīng)考慮遷移。

4.2 運(yùn)行維護(hù)和管理

（1）河岸式溢洪道應(yīng)嚴(yán)格按照閘門運(yùn)行規(guī)程操作并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，泄洪運(yùn)行中除觀察閘門啟閉是否符合同步、均勻、對稱等要求，還應(yīng)對閘門控制段上下游、泄槽、挑坎各部位流態(tài)和下游消能區(qū)進(jìn)行全過程、多角度的巡視檢查，若有泄槽水流突變、挑流和回流不正常等異常情況，應(yīng)及時(shí)處理。

（2）應(yīng)重視溢洪道和閘門的自身性態(tài)、水庫上下游行洪條件或防洪調(diào)度等外部條件的變化，若運(yùn)行條件發(fā)生變化，或照規(guī)程運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)流態(tài)與原水力設(shè)計(jì)明顯不符、沖蝕沖刷病害顯著加劇等情況，應(yīng)在分析原因和充分論證的基礎(chǔ)上，優(yōu)化閘門調(diào)度規(guī)程，并按規(guī)定上報(bào)主管部門批準(zhǔn)后實(shí)施。

（3）混凝土缺陷及其發(fā)展是河岸式溢洪道運(yùn)行中最為普遍的問題，這類問題一般漸進(jìn)發(fā)展，輕微表面沖蝕短期對運(yùn)行影響較小，且維護(hù)修復(fù)的效果不一定好。因此運(yùn)行檢查的要點(diǎn)在于重點(diǎn)部位的缺陷發(fā)展速率是否加劇，特別是相對大流量、長歷時(shí)的單次泄洪后的檢查尤為重要，重點(diǎn)部位應(yīng)建臺(tái)賬，對缺陷有數(shù)據(jù)量化研判。若發(fā)現(xiàn)沖蝕速率加快、裂縫擴(kuò)展、明顯露筋和下游顯著淘空等不利情況，根據(jù)情況適時(shí)或及時(shí)采取相應(yīng)的維護(hù)處理措施，才能做到既安全可靠，又可行有效，還經(jīng)濟(jì)合理。

5 結(jié)語

河岸式溢洪道運(yùn)行期普遍出現(xiàn)各類不同程度的問題，國內(nèi)51座溢洪道所遇見的各類問題及其原因在大中型水電站中具有相當(dāng)?shù)拇硇?。根?jù)問題的成因和后果嚴(yán)重性，分別研究對策措施的思路，提出各種設(shè)計(jì)施工方面的技術(shù)措施、全面和重點(diǎn)檢查相結(jié)合的動(dòng)態(tài)管理措施，以及恰如其分地對漸進(jìn)缺陷采用及時(shí)檢查、適時(shí)維護(hù)等對策，可供設(shè)計(jì)施工借鑒，也可供運(yùn)行維護(hù)參考。