江 超 ，盛金保 ，朱沁夏 ，范磊然

（1.南京水利科學(xué)研究院，210029，南京；2.水利部大壩安全管理中心，210029，南京）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)已建成壩高100 m及以上高壩大庫200余座。深孔泄水建筑物對保障高壩大庫安全至關(guān)重要，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長推移，較多水庫（或水電站）深孔泄水建筑物閘門前堆積物不斷增加，導(dǎo)致閘門在啟閉時(shí)無法順利完成，嚴(yán)重影響工程安全運(yùn)行。如陜西省王瑤水庫無溢洪道，泄洪洞為工程唯一的泄洪設(shè)施，水庫自1972年建成投入運(yùn)行以來，泄洪洞頻繁堵塞，給工程安全運(yùn)行帶來巨大安全隱患，威脅著下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全。龍口水利樞紐為黃河萬家寨水利樞紐配套工程，其泄水建筑物以底孔為主，泄洪排沙洞淤堵現(xiàn)象比較嚴(yán)重，在2014年4月1日落#2泄洪排沙洞進(jìn)口事故門時(shí)，經(jīng)過反復(fù)起落試驗(yàn)，仍有約2.5 m不能閉合，造成蓄水量流失，影響工程經(jīng)濟(jì)效益。

2016年10月，南京水利科學(xué)研究院聯(lián)合中國長江三峽集團(tuán)公司、中國水利水電科學(xué)研究院、長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司、黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院、大連理工大學(xué)、四川大學(xué)、河海大學(xué)、鄭州大學(xué)等十多家單位承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“重大水利工程大壩深水檢測及突發(fā)事件監(jiān)測預(yù)警與應(yīng)急處置”。為做好項(xiàng)目中“深孔泄水建筑物疏堵與閘門修復(fù)技術(shù)及裝備”的課題研究，全面了解我國水庫深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門前堆積物的堆積現(xiàn)狀及其對閘門安全運(yùn)行的影響程度，以為下一步項(xiàng)目研究奠定基礎(chǔ)，課題組采用調(diào)研問卷與現(xiàn)場實(shí)地考察相結(jié)合的方式開展了調(diào)研。

一、深孔泄水建筑物統(tǒng)計(jì)分析

當(dāng)前我國壩高30 m（含）以上且有深孔泄水建筑物的水庫共有約1062座。

1.按壩高統(tǒng)計(jì)

在上述水庫中，壩高小于70 m的有938座；高于70 m（含）而小于100 m的有89座；高于100 m（含）的有35座。其中，有深孔泄水建筑物的水庫以低于70 m的大壩為主，占總數(shù)的88%，與我國水庫大壩壩高分布比例基本一致，符合我國水庫實(shí)際情況。

2.按規(guī)模統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫中，大 （1）型水庫有35座，大（2）型水庫有113座，中型水庫有 477 座，?。?）型水庫有 363 座，小（2）型水庫有74座。其中，有深孔泄水建筑物的中型水庫在此類水庫中所占比例最大，為45%；其次為小型水 庫 ， 小 （1） 型 與 小 （2） 型 合 計(jì) 占41%，小型水庫雖占我國水庫數(shù)量的90%以上，但壩高超過30 m的水庫較少，故在此類水庫中數(shù)量要小于中型水庫；大型水庫所占比重最小，大（1）型與大（2）型合計(jì)占14%，主要因大型水庫占水庫總數(shù)的比例本身較小。

3.按壩型統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫中，重力壩有201座，土石壩有713座，拱壩有148座。其中，土石壩在此類水庫中所占比重最大，為67%，重力壩與拱壩合計(jì)占33%。土石壩約占我國水庫大壩總數(shù)的95%，重力壩與拱壩只占水庫大壩總數(shù)的5%，但土石壩與其他壩型占此類水庫的比例分別為67%、33%，表明混凝土壩、拱壩兩種壩型設(shè)置深孔泄水建筑物的比例遠(yuǎn)高于土石壩。

4.按地區(qū)統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫中云南省數(shù)量最多，有149座，排名2～10位的依次為浙江、陜西、山西、廣東、福建、四川、河南、新疆、河北， 分別有該類水庫 98、94、63、62、55、47、46、46、43 座。 按省份統(tǒng)計(jì)見圖 1。

云南省有此類水庫數(shù)量最多，主要因云南為我國水電開發(fā)基地，不僅水庫數(shù)量多，且高壩大庫多分布于此，較多高壩大庫都設(shè)置了深孔泄水建筑物；陜西、山西、河南、新疆、河北等水土流失相對較嚴(yán)重省份此類水庫數(shù)量同樣較多，主要因這些區(qū)域的水庫多有排沙需求，通過設(shè)置深孔泄水建筑物泄水排沙，減緩水庫淤積速度。浙江、廣東、福建、四川等省水電開發(fā)程度高，高壩大庫同樣較多，相應(yīng)此類水庫數(shù)量也多。

5.按閘門型式統(tǒng)計(jì)

壩高30 m及以上有深孔泄水建筑物的水庫中，深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門為平板閘門的有560座，為弧形閘門的有427座，其他型式閘門的有75座。平板閘門與弧形閘門為深孔泄水建筑物進(jìn)口閘門型式的主體，占93%，其中平板閘門所占比例比弧形閘門更高，兩類閘門所占比重分別為53%與40%。

二、深孔閘門前堆積現(xiàn)狀調(diào)研分析

2017年11月，水利部大壩安全管理中心以公函形式印發(fā) 《關(guān)于協(xié)助填寫水庫（或水電站）深孔泄水建筑物門前堆積情況調(diào)研問卷的函》，組織各相關(guān)水庫（或水電站）填寫調(diào)研問卷。調(diào)研對象為部分壩高70 m且有深孔泄水建筑物的水庫，調(diào)研內(nèi)容包括工程基本情況、深孔泄水建筑物基本情況、閘門前堆積程度、堆積物主要成分、閘門前堆積清理情況、閘門前堆積監(jiān)測情況、閘門前堆積預(yù)防與清理建議等。共發(fā)放問卷58份，回收問卷32份，占發(fā)放問卷總數(shù)的55%。

1.深孔閘門前堆積整體情況

閘門前堆積嚴(yán)重程度定義為：堆積物影響到閘門啟閉操作的為 “嚴(yán)重”，不影響啟閉操作但存在堆積問題的為“輕微”，介于“嚴(yán)重”和“輕微”間的為“中等”，不存在堆積問題的為“無”。提交問卷的32座水庫中，共有13座水庫存在閘門前堆積問題，占調(diào)研水庫總數(shù)的41%，其中10座水庫堆積輕微，1座水庫堆積中等，2座水庫堆積嚴(yán)重。

當(dāng)前在有深孔泄水建筑物的水庫中，閘前存在堆積問題的水庫比例較高，為41%，閘前堆積主要受入庫泥沙含量、流速、水深、時(shí)間、運(yùn)行方式等因素影響。堆積嚴(yán)重程度中等以上的水庫只占9%，主要因較多工程建成時(shí)間不長，閘前泥沙堆積問題暫不突出。隨著工程運(yùn)行時(shí)間的推移，我國將會有越來越多的水庫存在深孔閘前泥沙堆積問題。

2.堆積物主要成分與來源

根據(jù)問卷調(diào)研結(jié)果，堆積物主要成分為碎石和泥沙。如新疆石門水電站堆積物主要成分為沉積泥沙及小石，丹江口、湖北芭蕉河、云南茄子山、黃河三門峽、陜西石門、嘉陵江亭子口、四川武都、黃河小浪底水庫堆積物主要成分為泥沙，重慶鯉魚塘、四川升鐘水庫堆積物主要成分為淤泥，新疆石門子水庫堆積物主要成分為上游河道推移質(zhì)。經(jīng)分析其主要來源包括：①上游庫區(qū)水土流失帶來的泥沙；②施工期遺留的建筑垃圾，如混凝土、腳手架鋼管、卡扣件、施工模板、焊條、鋼筋等；③上游洪水帶來的沖積物；④上游滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害帶來的碎石與泥沙。

3.堆積物影響閘門啟閉事故

提交問卷的32座水庫中，共有4座水庫曾經(jīng)發(fā)生過影響閘門啟閉的事故，但并未產(chǎn)生嚴(yán)重后果，占調(diào)研水庫總數(shù)的13%。事故共可分為2類，一類為閘門前堆積物過多導(dǎo)致啟

圖1 有深孔泄水建筑物水庫省份統(tǒng)計(jì)情況

門力增加，致使閘門無法順利提升；另一類為閘門門檻或門槽因石子、泥沙堆積或卡阻，致使閉門不嚴(yán)而導(dǎo)致水量流失。

4.堆積物清理工作開展情況

提交問卷的32座水庫中，共有6座水庫開展過閘門前堆積物清理工作，約占調(diào)研水庫總數(shù)的20%。當(dāng)前這些水庫采用的主要清理手段可總結(jié)為3類：①采用機(jī)械設(shè)備或人工潛入水下進(jìn)行清理；②通過泄洪或泄水沖刷底孔閘門前堆積物；③上述2種方式相結(jié)合使用。

5.堆積物監(jiān)測情況

提交問卷的32座水庫中，共有7座水庫開展過進(jìn)口堆積物監(jiān)測工作，占調(diào)研水庫總數(shù)的22%。當(dāng)前深孔閘門前堆積物監(jiān)測手段主要有：①壩前布置斷面與測點(diǎn)測量深孔泄水建筑物進(jìn)水口淤沙高程，測量方式又分人工和自動(dòng)化測量兩類。如黃河三門峽水利樞紐一般在汛期人工使用皮尺測量深孔閘門前堆積情況，小浪底水利樞紐則在排沙洞進(jìn)水口上方安裝了一套SES-2000淺地層剖面儀，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)水塔前泥沙堆積高程實(shí)時(shí)監(jiān)測。②在深孔泄水建筑物進(jìn)水口前安裝水下監(jiān)控設(shè)備如水下電視、水下攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門前堆積物情況。③采用上述2種方式聯(lián)合監(jiān)測。

6.堆積物清理建議與對策

提交問卷的32座水庫中，共有11座水庫就深孔閘門前堆積物清理工作提供了意見與建議，占調(diào)研水庫總數(shù)的35%。經(jīng)歸納總結(jié)，有益建議與對策如下：

①開展深孔閘門前堆積物清理專項(xiàng)設(shè)計(jì)研究。設(shè)計(jì)一套帶高壓沖水和大功率抽水功能的沉箱系統(tǒng)，在深孔未運(yùn)行期間，定期提出水面分析堆積物成分及堆積速率，確定清理方案并實(shí)施；設(shè)計(jì)一套帶視頻監(jiān)控（或聲吶）、測量、堆積物取樣及沖吸堆積物的智能水下機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測、按需清理。

②加強(qiáng)深孔閘門前堆積物監(jiān)測。采用水下地形實(shí)時(shí)測量與水下監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合的方式，在深孔泄水建筑物進(jìn)水口位置設(shè)置堆積物監(jiān)測項(xiàng)目，實(shí)時(shí)監(jiān)測門前堆積狀況，為制定相應(yīng)的清理方案提供科學(xué)支撐。

③強(qiáng)化閘門運(yùn)行調(diào)度，以泄水（洪）排沙為主，必要時(shí)采取人工或機(jī)械清理措施。深孔閘門前堆積的泥沙，大多可以通過閘門優(yōu)化調(diào)度泄水（洪）清理，對于板結(jié)程度高的泥沙或水流無法清理的堆積物，可借助人工和機(jī)械清理措施進(jìn)行徹底清理。

三、展 望

針對當(dāng)前存在且將來可能更加嚴(yán)重的深孔閘門前堆積物影響閘門安全運(yùn)行問題，建議下一步重點(diǎn)開展以下方面的研究工作：

①通過文獻(xiàn)調(diào)研方式，必要時(shí)選取深孔閘門前堆積嚴(yán)重的典型水庫進(jìn)行堆積物取樣分析，研究我國不同流域水庫深孔閘門前堆積物組成與特點(diǎn)，提出深孔閘門前堆積物分類方法，為研究制定不同類堆積物的清理措施奠定基礎(chǔ)。

②在調(diào)研與取樣分析基礎(chǔ)上，挖掘影響閘門前堆積物形成的主要因子，包括水深、流速、時(shí)間、泥沙含量、進(jìn)水口型式與尺寸、運(yùn)行方式等，并分析各因子對堆積物形成的影響過程與機(jī)理。以各影響因子為主要評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建深孔閘門前堆積物嚴(yán)重程度評價(jià)指標(biāo)體系，用于快速定性評價(jià)門前堆積物對閘門啟閉的影響程度。

③在前人研究基礎(chǔ)上，開展堆積物影響閘門啟閉機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，通過模型試驗(yàn)，分析確定不同泥沙堆積高度、顆粒級配組成、泥沙板結(jié)程度對閘門啟閉的影響，進(jìn)而確定不影響閘門正常啟閉的不同堆積物臨界堆積高度，用于指導(dǎo)制定科學(xué)合理的閘門調(diào)度運(yùn)用方式。

④開展深孔閘門前堆積物監(jiān)測方法研究。當(dāng)前《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 601—2013）、《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 551—2012）均包含“壩前堆積”監(jiān)測技術(shù)方法，但相較“變形監(jiān)測”“滲流監(jiān)測”等監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容明顯偏少，只規(guī)范了總體的布置原則與推薦方法，且用于指導(dǎo)監(jiān)測深孔閘門前堆積物的針對性與可操作性不強(qiáng)，建議開展相關(guān)專題研究。

⑤研制100 m級深水環(huán)境下的深孔自推進(jìn)疏堵成套裝備。在100 m級深水環(huán)境下，不僅水壓大、可見度差，且水下環(huán)境復(fù)雜，采用常規(guī)的人工和機(jī)械清淤手段較難取得實(shí)效。因此，亟需研究一套能夠在深水環(huán)境下自推進(jìn)的清淤設(shè)備，通過遠(yuǎn)程遙控其高效行進(jìn)至堆積物周圍并進(jìn)行堆積物清理，可極大提高堆積物清理效率。 ■