羅前進，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行安全若干問題

羅前進，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行出現(xiàn)的問題，并從泄水建筑物的功能、結(jié)構(gòu)和運行調(diào)度等方面分析其原因，其成果對泄水建筑物運行安全評價具有一定借鑒意義。

大壩；泄水建筑物；運行；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、放空或排沙能力達不到樞紐建筑物的運行要求；另一類為非功能性問題，其泄水建筑物本身由于運行而產(chǎn)生缺陷或運行時對相鄰建筑物（設施）造成不利影響。

根據(jù)若干典型工程的運行實例，從泄水建筑物運行反映的問題出發(fā)，分析其產(chǎn)生的原因，為評價泄水建筑物運行安全性對大壩運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計運行要求、水庫放空設施開啟困難。

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的電站設計洪水標準偏低導致。隨著對失事電站原因的分析，對大壩防洪安全的要求和認識不斷提高，部分洪水標準相應提高。如在1978年以前的標準中，校核洪水（非常運用洪水）標準沒有區(qū)分筑壩材料，未能體現(xiàn)不同壩型的工程失事風險和危害程度的差別，1978年以后頒布的標準針對土壩、堆石壩，均提高了校核洪水（非常運用洪水）標準。如在1994年后頒布的標準，針對建筑物級別、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下游的危害性差別也很大，因此對各個等別、各種壩型工程和洪水標準規(guī)定了一個取值范圍，同一工程高壩大庫者取上限。而水電站大壩安全評價的原則是按現(xiàn)行規(guī)范來衡量，因壩型、壩高、庫容的不同、現(xiàn)行規(guī)范洪水標準的提高，導致部分早期建設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座大壩的防洪標準須按現(xiàn)行規(guī)范提高。

另一方面是由于設計初期洪水資料欠缺，采用的洪水系列較短，運行后發(fā)生大洪水，延長系列后導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。其次是設計或施工原因?qū)е滦沽髂芰Σ蛔?，如表孔上部的門機大梁阻水、泄洪設施由于補強加固導致過水斷面減小、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}，大壩安全運行評價時與大壩防洪安全一起綜合評價。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)范的防洪標準，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，或僅在達到設計洪水時才參與泄洪，故底孔工作的機率非常少。另外，底孔進口高程一般較低，若不定期對放空底孔的工作閘門進行啟閉操作試驗，則有可能出現(xiàn)工作閘門門前泥沙淤積情況，導致閘門提不起來。如江西某電站放空洞采用進口檢修閘門擋水，閘門45°傾斜布置，自1995年投運以來，檢修門長期擋水運行，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困難或無法維護，如廣西多座電站放空底孔僅設置工作閘門，在早期運行中啟閉設施損壞后直接拆除，其后閘門一直無法啟閉和維護；甚至某電站放空底孔僅設置一道閘門，且該閘門運行方式為“動水開門、無水下門”，導致日常對閘門無法進行檢修及啟閉試驗，長期運行后其閘門很可能無法開啟。

作為戰(zhàn)備和檢修目的而設置的應急放空設施，很可能在其使用周期內(nèi)也不會使用，但一旦需要其工作時，則需立即能夠投入使用，因此日常須對放空設施加強管理，定期檢查維護，對工作閘門開展定期啟閉試驗，確保能夠正常工作，對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，但運行時泄洪及消能設施本身產(chǎn)生損壞或?qū)ο噜徑ㄖ锘蛟O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樞紐區(qū)相鄰建筑物、相關(guān)設施及運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，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)的特性復雜。DL/T5166-2002《溢洪道設計規(guī)范》要求“大型工程和水力條件復雜的中型工程應經(jīng)水力水工模型試驗驗證；中型工程宜進行水工模型試驗驗證……”，但由于水工模型存在相似率和縮尺效應，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、高水頭泄水設施，雖在大量水工模型試驗的基礎上設計實施，運行初期經(jīng)相當設計洪水工況的運行，高速水流造成洞內(nèi)過流面的空蝕破壞嚴重，后期經(jīng)過大量研究、水工模型試驗和原型觀測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)縫設置及處理不合理，在高速水流作用下止水失效，水流進入底板，在脈動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，泄水建筑物運行時對其他設備也可能產(chǎn)生不利影響。如泄水建筑物運行時產(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雜的水力學問題，另一方面由布置中的細節(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期設計或施工不符合規(guī)范要求導致的。如江西某溢洪道閘墩的混凝土強度較低，導致溢洪道的中墩、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計要求，內(nèi)水外滲導致泄放洞外部山體滲水嚴重，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，其下泄水流對流道襯砌和消能防沖設施造成沖蝕破壞比較普遍。如湖南某電站，由于超標洪水以及閘門開啟不均勻，使消力池流態(tài)偏離設計要求，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，當下游低水位、抗沖耐磨混凝土層的強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，消力池底板泄洪后沖損嚴重。

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，嚴重的露出結(jié)構(gòu)鋼筋，即使采用鋼板進行補強，也只是延長了修補間隔，降低了修補頻次。

2.2.3河床及護岸淘刷

河床及兩岸的淘刷也是泄水建筑物運行產(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岸初期沖刷嚴重的問題，與其采用的面流消能特點——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

泄水建筑物設計時通常根據(jù)水工模型試驗或工程經(jīng)驗推薦其運行時的調(diào)度原則，一般運行中須嚴格執(zhí)行。但實際運行中，有些電站由于種種原因，未嚴格執(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“先開中間、再開兩邊”，但實際運行中經(jīng)常采用靠近廠房的泄洪閘邊孔泄放上游浮渣，結(jié)果導致該孔下游河床沖淘較嚴重。同樣的低水頭閘壩，分別在主河和岔河設置多孔泄洪閘，按照調(diào)度原則，常遇洪水應先開主河道閘孔。但由于發(fā)電廠房設置在主河道，若常遇洪水時主河道泄洪，下游水位會相應涌高，影響發(fā)電效益，故運行中常遇洪水開啟岔河泄洪閘。岔河泄洪閘是按照設計洪水、下游高水位設計，下游未設置防沖設施，該調(diào)度方式下，上、下游水頭差大于設計水頭，造成岔河泄洪閘孔下游河床沖淘嚴重，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，泄水建筑物布置型式和消能方式各不相同，因此評價其運行安全時，要緊抓其功能要求和運行性狀。泄水建筑物的功能特點要求其在低于設計洪水標準時，尤其是常遇洪水時保證工程安全和正常運行；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行，汛后應易于修復。

根據(jù)大壩安全定期檢查，注冊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急作用的放空設施。由于運行頻率非常低，運行單位存在思想麻痹、疏于管理的現(xiàn)象，應加強管理、定期檢查維護。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施會出現(xiàn)不同的缺陷甚至隱患，究其原因，除復雜的水力學特性、高流速、大能量外，建設期的種種不足或缺陷以及運行中的不合理調(diào)度方式也是重要的誘因。

［1］DL/T5313-2014，水電站大壩運行安全評價導則［S］.

［2］DL/T5180-2000，水工樞紐工程等級劃分及設計安全標準［S］.

［3］DL/T5166-2002，溢洪道設計規(guī)范［S］.

［4］國家能源局大壩安全監(jiān)察中心.水電站病險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（1978-），男，高級工程師，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