安全是枢纽布置设计之首要考虑因素

2012-06-13黄显泰

大坝与安全 2012年2期

黄显泰

（广西电网公司，广西南宁 530000）

1 工程概况

左江山秀水利水电枢纽位于左江下游河段，是一个以发电为主，兼有航运、养殖、旅游等综合效益的水利水电枢纽工程，坝址以上流域面积为29562k m2，干流发源于越南。流域属亚热带地区，高温多雨。洪水主要由受锋面低涡气流及其台风影响的暴雨形成。台风雨强度大、量集中，是本枢纽能造成一定影响的主要水源。

经56a水文资料计算，坝址多年平均流量600m3/s。该枢纽经河段规划比较，选定水库正常蓄水位8 6.5 m，死水位8 5 m。根据枢纽承担的功能，水库总库容6.063亿m3；电站装机容量78M W（3×26M W），年利用小时数4522h，多年平均发电量3.527亿k W·h；河道为Ⅴ级航道，船闸通航标准为通行2×300t分节驳船队，水库蓄水后渠化河道130k m。按国家有关规范，该枢纽为大（2）型水利水电枢纽，主要挡水建筑物为2级建筑物。设计洪水重现期为100a，入库流量13600m3/s，出库流量 13100m3/s，上游水位92.8m，相应下游水位92.15 m，上下游水位差0.65 m；校核洪水重现期为1 000a，入库流量17700m3/s，出库流量168 00m3/s，上游水位95.8 0m，相应下游水位94.8 1m，上下游水位差0.99m。该电站历史调查洪水的洪峰流量14 8 00m3/s，实测最大流量11 000m3/s，最高洪水位90.56 m；实测最小流量16.1m3/s，实测最低水位70.25m（相应流量8 1m3/s）。

2 河流的水文特点

从上列数据可见该河流有以下特点：

（1）流量变化大。实测的最小流量为16.1m3/s，实测最大流量为11 000m3/s，校核流量达17700m3/s，分别是最小实测流量的68 3～1099倍。2008年发生的流量达10700m3/s，是实测的664倍。

（2）水位变幅大。上游水位以正常水位为起点，变幅6.3～9.3m。下游以实测最低下游水位70.25 m为起点，水位变幅21.9～24.56m。上游水位最大变幅是孔口高度的61%，而下游水位变幅是孔口高度的153%。下游水位变化很大。

（3）大洪水时上下游水位差很小。大洪水时，下游水位超过正常水位5.65～8.31 m，而设计洪水时，上下游水位差仅0.65 m；校核流量时，上下游水位差亦仅0.99m，就是说，大洪水时，上下游水面落差很小，溢流坝泄流主要由泄水断面积控制。

（4）该枢纽河道流域降雨受所在地区台风影响很明显，有台风经过流域，马上有暴雨出现，并形成大洪水，加上流域小，降雨汇流时间短，很容易形成径流，具有明显的山区河流暴涨暴落的特点。

3 山秀电站闸门布置的现状及存在的问题

由于该枢纽有这样明显的水文特点，确定枢纽等级又是以库容为主，枢纽建筑物设计时首要注意的问题应是其安全。安全不只是大坝的稳定和强度，如何保证其安全泄流也是非常重要的一方面。因此设计开敞式溢流坝泄水建筑物时，应对溢流坝型、闸门与启闭机的布置与选择进行认真研究。

3.1 闸门布置现状

山秀电站校核洪水位超过正常水位8.31 m，上下游水位差又小，从目前几种常用的闸门与启闭机布置来看，不宜采用弧形闸门。虽然弧形闸门可以是一门一机的布置，也使用液压设备，但很难满足设计规范“弧形闸门支铰宜布置在过流时支铰不受水流及漂浮物冲击的高程上”的要求。而山秀水利枢纽弧形闸门布置确属鲜见。这样布置其弧形闸门，支铰在经历重现期4 a左右的洪水时，下游水位即淹没弧形闸门支铰，校核洪水时下游水位也淹没液压启闭机支承铰中心，支铰附近的液压缸上面的液压控制阀也要被淹没，无法保证设备运行安全。设计时，为避免下游水位稍高时支铰被洪水浸泡，防止支臂被泄流洪水冲击的问题，只有将支铰的位置布置得高一些，支腿因此要设计得长一点，在有些情况下可能不合理。

从上述山秀电站水文特点和枢纽布置情况来分析，溢流坝选用平板闸门，设置启闭机平台用固定卷扬式启闭机进行启闭操作是既合理又简单、投资又省的布置型式。这虽然是一种老式的布置型式，但很多下游水位高、变幅大的低水头电站溢流坝的布置运行证实其是成功的。平板闸门多了一道门槽，门槽处水流常常出现立轴漩涡，由于立轴漩涡夹带空气，在门槽及其附近对混凝土面产生气蚀。如果开始设计时就能注意到这个问题，对门槽的结构型式能进行一些实验研究，也是可以避免的。目前，在这方面已进行了大量研究，规范对这类门槽也有很多建议。按照规范建议，至少可以减缓气蚀。山秀枢纽的开敞式溢洪道水头比较低，水流落差不大，水流速度也不快，不会对门槽造成很大的影响，即使出现一些气蚀或冲刷，修补也比较容易。

在溢流坝设计中，溢流孔闸门的设计选型和布置是最重要的，它不仅涉及闸门本身的安全，也影响到整个枢纽建筑物的安全。山秀电站溢流坝设计中，采用了弧形闸门配液压启闭机的设计方案，显然值得商榷。

溢流坝现在布置简图如图1所示。

3.2 运行中出现的问题及险情

3.2.1 设计不当致支臂陷运行险情

从图1可以看出，这种露顶式弧形闸门支铰中心高程8 6.5 m，但支铰高度已是门高的97%，弧面半径21 m是门高的1.3倍。设计者为了求得弧面半径与门高的比值符合规范推荐参数1.0～1.5的建议值，减小了支臂长度，从而减小闸墩长度及其混凝土工程量，将支铰高程布置在偏低位置上（该高度也已超过推荐的露顶式闸门布置的一般高度，但这不是必须的）。虽然不是常年在水里浸泡，但是相当于重现期4 a左右的下游水位（下游老口梯级电站未建设时，下泄流量7200m3/s时的下游水位为8 6.0m）。

目前该枢纽建筑物还没有运行几年，已暴露出由于支铰布置偏低给运行造成的困难。2008年8月6日，热带风暴造成局部地区暴雨，形成较大洪水。不到3d，洪水流量从28 70m3/s涨到7260m3/s。洪水来得突然，将上游大量漂浮物和600多个网箱冲到坝前，造成溢流坝弧形闸门堵塞，影响闸门启闭，严重威胁大坝安全。当即市委书记、市长亲自出面组织4台吊车、300多名消防、特警、民兵和职工进行抢险。由于抢险及时，未造成大的工程事故，但当时的场面实属惊险。不久，9月下旬遭遇一场重现期30a的洪水，支铰从27日一直浸泡到10月1日。支臂在4 m多深的水中冲击了5d（事后缺少对其进行评估分析）。

从目前设计洪水或校核洪水看，支腿要经受溢流坝上6～10m的急流水冲击，可能还有竹木和其它杂物挂拦，水流将夹带的污物在支臂处堆积造成阻流。这既影响泄流能力，也容易造成支臂的附加水平力，严重造成支臂弯曲或失稳破坏，甚至整个门叶的翻转失事。这是过去设计者最忌讳的。2008年8月的惊险教训，可能很多参与者还记忆犹新，想起来还会有些后怕。目前这个潜在的隐患仍然存在。

3.2.2 设计不当致检修闸门运行困难

溢流坝布置中，采用了驼峰坝，将检修闸门布置在上游的水坑里，也增加了检修闸门高度，由于前面大坑的沉积物无法止水，造成检修闸门运行中的困难。后期施工的孔口虽然又修改为实用堰，但溢流孔上的闸门布置仍不顺畅。这样一个溢流坝形成两种堰型，其布置确实不太理想。

按目前设计成果，上游水位设计情况计算值93.23m，模型实验测值92.8 0m，校核情况计算值96.19m，模型实验测值95.8 0m。坝下游水位分别是92.15 m和94.8 1 m。设计推荐模型实验值还值得商榷。而弧形闸门最大开启25.5 m，闸门底坎高程70.5m，也就是最大开启时门叶底缘高程是96.0m，坝顶门机大梁底高程是96.2m。闸门底缘高程比大梁底高程低0.2m，比模型实验值高0.2m，比计算值低0.19m。不管采用什么值都不满足设计规范8.2.6条（1）的规定“溢流坝闸门可提出水面以上1～2m。”虽然规范只是说“可”，还不是硬性规定，但设计时应留够水面上漂浮物通过的空间，按目前的布置，如果液压启闭机行程已用完，没有大的工程改造措施就无法实现这一要求。

这些情况除前面提出的支铰浸泡在水中，容易使轴承锈蚀损坏，摩擦系数改变后给支臂带来附加弯矩和其它阻力，轴承寿命降低。支臂、油缸和支铰浸泡在5～6m的洪水中，犹如“中流砥柱”，不仅自身阻碍水流，还必将悬挂水面污物，影响水流平顺过流，支臂将承受的水流冲击振动也无法估计；油缸支铰以及上下腔软管和分配阀门也在大洪水时浸泡在过流洪水中，无法保证液压启闭机安全，其安全性也较难评价。