面板坝泄水建筑物的设置与安全运用

2014-01-29关志诚

中国水利 2014年2期

关志诚

（水利部水利水电规划设计总院，100120，北京）

目前，我国在建和正在设计的水利水电枢纽工程多地处西部偏远山区，坝址地形地质条件背景复杂，坝基覆盖层多较为深厚；设计方案经工程造价、建材和施工等要素比选后，选择修建当地材料坝，且以面板堆石坝居多。从耐久性、梯级水库上游库坝的重要性等情况看，高面板坝泄洪建筑物布置和运用安全不如混凝土坝。已运行的面板堆石坝泄水建筑物主要存在以下几方面问题：具有高流速、高泥沙含量的泄水建筑物建设标准不足，泄洪时水力冲刷和雾化导致坝下山体滑坡、交通中断，对输水隧洞工程地质隐患处理不到位，个别工程施工质量不满足要求而导致泄洪建筑物运行期损坏、损毁等。

一、高面板坝泄水建筑物的关键技术问题

泄水设施的安全性与适用性是保证高面板堆石坝枢纽正常运行的重要条件，设计要考虑泄洪、排沙、放空检修、下闸蓄水、初期运用、泄放环境基流等功能要求，要采取分级配置的方式，即在两岸自上而下选择溢洪道（开敞式、洞式）、泄洪洞（中孔）、发电、排沙、放空洞（中孔、深孔），配置方案的选择与泄洪规模、工程承担任务、调度与运用要求等有关。泄水建筑物安全运用与功能衔接关键技术问题包括：在各种工况下要满足泄洪标准要求和适当留有余地，应对高速水流的消能技术、抵抗泥沙冲刷保持耐久性的结构措施，高水头偏心铰弧形工作闸门等设备适用性设计，非常工况（地震等）主要泄水建筑物应急运用，及施工质量或隐患对其安全运用影响评价、检查和加固等。近十几年建设的高面板坝主要泄洪建筑物尚未经使用和安全检验，如发生重大事故，对工程安全影响和处理代价都将是巨大的。

二、面板坝放空设施的配置

我国新修编的面板堆石坝设计规范(SL 228—2013)规定高坝、重要工程、地震设计烈度为8、9度的面板坝工程，应设置放空设施。从面板坝运行中的事故处理和经验总结看，高坝设置放空设施，可适当控制水库蓄水和有条件降低库水位，主要目的是用于大坝超标渗漏检查与修补，在非常情况（如地震等灾害）减少次生灾害影响。如2009年紫坪铺面板坝灾后恢复重建时，降低库水位以修复挤压破坏面板；2000年株树桥面板堆石坝放空检修时，利用发电引水洞将库水位降低，加高原上游围堰，并由发电引水洞导流，获得了在坝体较低部位进行修补的机会和时间。

出于检修和安全考虑，对于一般面板堆石坝工程，可结合发电、排沙、供水、导流洞改造等布置放空设施；如松江河梯级电站的双沟和小山面板坝，采用了发电引水隧洞作为部分放空的后备措施；万安溪面板坝在施工中取消了原设计专设的放空洞，利用引水发电洞施工支洞封堵段作为必要时的放水通道。高面板坝天生桥一级、九甸峡、阿尔塔什、黔中坪寨、董箐等工程设置了一定深度的放空洞；其底板高程位置选择与坝前辅助防渗体设置有关，一般距河床趾板高程尚有相当水深：如紫坪铺为40 m，低于辅助防渗体10 m；九甸峡为50 m，低于辅助防渗体5 m；乌鲁瓦提为37 m，高于辅助防渗体14 m等。当遭遇必要的低部位修补或有紧急情况时，如何利用高坝放空洞（中孔或底孔）降低库水位，尚值得进一步研究和制定预案；为达到放空设定值，高坝设计应进行丰平枯来水相关计算，以九甸峡面板坝工程为例，按不同水平年各月入库流量计算，平水年放空水库所需时间最少为11.6天（2月）、最多为16.7天（8月）。

三、面板坝主要泄水建筑物运用情况与存在的问题

1.岸坡开敞式溢洪道

岸坡开敞式溢洪道是面板坝最常用、最有效的泄洪保坝建筑物，大多数工程均具备安全运用条件。贵州鱼塘（2006 年）、湖北寺坪（2007 年）等4座面板坝枢纽投运首次泄洪时，岸坡溢洪道泄槽底板即遭受破坏，给工程防洪度汛带来巨大的压力和风险。事后检查鱼塘、寺坪溢洪道泄槽底板抗浮稳定安全系数满足规范要求，布置和结构设计属常规做法，符合规范要求，泄洪槽和挑流段发生破坏的共性原因是止水缺陷，受脉动水压力而破坏，鱼塘底板混凝土厚度、基础锚筋等方面存在不足和缺陷。

2.岸坡洞式溢洪道

在地形、地质条件不利于布置开敞式溢洪道的坝址条件下，选择采用洞式溢洪洞方案。坪寨（坝高H=162 m）、九甸峡（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程处高山峡谷地区，溢洪道开挖会造成不稳定高边坡及较大幅度增加开挖工程量，采用的开敞式进口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、适应高陡地形条件的特点。

岸坡洞式溢洪道设置属常规技术，设计通常采用掺气减蚀，合理选择泄槽过流底坡体型，加强混凝土结构强度与抗冲耐磨性能，有针对性的消能工设计等措施，以保证工程泄洪安全运用。同类工程安全鉴定中的隐患类型包括：受泄洪消能和雾化影响，出口段山体边坡可能失稳；过流面平整度控制不到位，溢洪洞抗冲蚀和抗空蚀能力差而导致局部破损（多已整改）；高速水流区混凝土抗冲耐久性与设计强度偏低；常遇泄洪情况下对下部坡体保护措施重视不够等。

3.坝体中部或较低部位泄洪、排沙洞

兼有泄洪、排沙、放空等功能的泄洪洞可以分为无压、有压及有压过渡至无压形式，各工程根据综合运用要求加以布置。

为满足功能要求，近几年部分高面板坝采用有压泄洪放空洞作为枢纽设计配置，控制段设于隧洞末端，并投入运用。如九甸峡有压泄洪放空洞泄洪历时约 31天（2012年 7—8月），最大下泄流量 496 m3/s，共泄流5.7亿m3，最大落差近88 m，检查洞内混凝土（C50）完整性较好，出口段有局部受损。2013年7月贵州某面板坝工程有压泄洪洞出口段发生整体损毁（水头约50 m），我国西部地区20世纪90年代建设的有压泄洪冲沙洞，由于洞内混凝土设计标准低，运用期发生过较明显损坏。

利用导流洞改建的龙抬头无压泄洪洞设计经历过较长时间的前期论证，至今应用已较普遍，当库水位至出口落差达100 m时其运用开启应较为谨慎，因为即便施工质量控制良好，出现局部损坏可能仍较大。以紫坪铺面板坝为例，排除震损情况，导泄结合段环氧砂浆损坏，经修复后，2013年汛期泄洪检查仍有局部空蚀破坏。目前看，高面板坝龙抬头无压泄洪洞设计已近极限状态。

有压接无压泄洪、放空洞是高坝和超高坝较为适用的泄洪、放空手段（如水布垭、江坪河）。水布垭中孔放空洞建成后，过水运用时间超过7个月，其中库水位350 m以上高水头泄洪26天，超过最高设计运行水位360m泄洪8天，最高运行水位368.66 m，相应泄量为1 605 m3/s。汛后检查结果表明：放空洞有压段、突扩突跌区域及无压段均完好无损，表明放空洞布置和结构设计合理；洞身及鼻坎段均无空蚀破坏现象，消能效果好，下游冲刷情况与模型试验成果基本一致。

四、与泄洪建筑物安全性的相关措施

主要措施设计包括：体型优化，配置通气、掺气减蚀坎，提高混凝土结构耐久性和强度，施工不平整度控制，选用抗冲耐磨材料等。

1.体型

紫坪铺龙抬头无压泄洪洞洞内最大流速约45 m/s，经水工模型试验，将初步设计阶段反弧末端2道通气槽改为5道掺气坎，其中斜井段（龙抬头段）设置3道，导流结合段设置2道，使每道掺气设施保护段长度均小于200 m。九甸峡工程有压放空泄洪排沙洞在井塔式进水口采用旁通充水管和通气管，为防止高速水流冲蚀破坏，在闸门出口以后的泄槽（流速为 33～34 m/s）底部设垂直跌坎，以 1∶8底坡直至挑流鼻坎反弧段为起点，闸门后的泄槽两侧各突扩80 cm。

2.材料

紫坪铺工程在高速水流洞段普遍采用C50硅粉混凝土作为过流面材料，出口挑流鼻坎段全部采用C50硅粉混凝土，并在边墙铺1 cm厚环氧砂浆，保证一定抗冲耐磨能力。江坪河可研阶段在选用泄洪建筑物的抗冲耐磨混凝土材料过程中，进行了硅粉混凝土、聚羧酸高效减水剂、HF抗冲磨剂、掺玄武岩纤维等方案研究，设计推荐采用 “聚羧酸高效减水剂+掺玄武岩纤维”的方案。随着工程运行检验总结、建设财力增强和条件好转，我国西部地区新近设计中已较大幅度提高隧洞混凝土材料耐久性和强度等级标准。

3.施工控制

紫坪铺洞内混凝土衬砌工作缝、错台、突体控制标准垂直水流方向不超过3 mm，顺水流方向不超过5 mm。水布垭对放空洞混凝土质量控制措施包括：制定混凝土表面平整度控制标准，按分类要求处理混凝土蜂窝麻面，对混凝土气泡、错台、内部架空、漏水点进行处理等。

4.工作闸门

九甸峡泄洪洞出口段最大设计水头92 m，总推力2 830 t，采用整体式偏心铰弧形工作门和预应力闸墩结构。江坪河工程技术难度最大的是泄洪放空洞工作闸门及结构设计，该闸门孔口尺寸6 m×6 m （属国内最大），最大挡水、动水闭门操作水头102.6 m，工作闸门选型为偏心铰紧压式弧形闸门，门槽为突扩突跌体型。可研阶段已完成的门槽体型的水力学模型试验表明，其下泄水流水舌扩散形态好，侧空腔、底空腔掺气充分，下游泄槽两侧水翅不高，对侧墙冲刷影响不大。阿尔塔什可研阶段高面板坝深孔泄洪、排沙洞采用5.5 m×5.5 m有压偏心弧门，最大工作水头约123m，进口闸门底板高程距基础防渗墙底高程约74 m，隧洞闸门孔口尺寸、工作水头的设计组合参数和排沙要求为国内最大。