特高坝运行安全若干关键技术

邢林生，周建波

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

特高坝运行安全若干关键技术

邢林生，周建波

（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

我国正处在200 m以上特高坝建设的快速发展阶段，部分特高坝已陆续建成投入运行。特高坝的运行安全是社会各界普遍关注的热点问题。针对我国特高坝所处复杂环境条件和运行特点，为保障其安全长效运行，从安全评价体系、高边坡稳定、泄洪消能、泄洪雾化、材料和结构耐久性、水工金属结构运行维护、水下检修加固、地震影响、流域高坝群运行安全以及风险管理等方面，阐述了一些关键技术的要点和主要内容。

特高坝；运行安全；关键技术

1 概述

截至2012年，我国已建成坝高超过200 m的特高坝7座，在建的7座，拟建的8座［1］，按坝型划分，已建、在建、拟建的22座特高坝中，混凝土双曲拱坝9座、混凝土面板堆石坝5座、碾压混凝土重力坝3座、土心墙堆石坝5座（见表1）。从坝高来看，已建成的小湾大坝坝高294.5 m，是世界最高的混凝土双曲拱坝；水布垭大坝坝高233 m，是世界上最高的混凝土面板堆石坝；光照大坝坝高200.5 m，是世界最高的碾压混凝土重力坝；正在建设的锦屏一级大坝坝高305 m，是在建世界最高的混凝土双曲拱坝；拟建的双江口大坝坝高314 m，仅次于塔吉克斯坦在建的罗贡土质心墙坝。从表1可见，我国已建、在建和拟建的22座特高坝，其枢纽工程有一个共同的特点，即高坝、大库、电站装机容量巨大，工程特别重要。已建成的7座特高坝中，库容超过30亿m3的6座，最小的1座也超过10亿m3，电站装机容量都超过100万kW，超过300万kW的有5座；在建和拟建的15座特高坝中，库容超过100亿m3的有4座，电站装机容量超过300万kW的6座，有2座超过1 000万kW。这些工程的发电、防洪等综合效益巨大，对我国国民经济发展有着特别重要的作用，同时，这些工程能否安全长效运行，对人民生命财产安全、生态环境保护和社会可持续发展有着特别重大的影响。坝高是衡量大坝设计、施工、运行难度的重要指标之一，坝高与设计、施工、运行难度之间的因果关系是非线性的，有从量变到质变的问题［2］，一般来讲，采用常规的原则、方法、手段和判据，可能难以保证特高坝的运行安全。针对我国特高坝所处复杂环境和运行特点，反馈总结已有特高坝的运行经验，汲取其他国家特高坝的运行教训，对保障特高坝运行安全关键技术进行系统探讨研究是一项迫切而重大的课题。

表1 我国已建、在建和拟建200 m以上特高坝统计Table 1 Statistics of the dams higher than 200 m

2 运行安全关键技术

2.1 运行安全评价体系构建

特高坝承受的水头高，水压力巨大，运行环境复杂，运行性态变化规律往往超出传统常规方法分析研究得出的结论。以特高拱坝为例，小湾、溪洛渡、拉西瓦、二滩大坝坝高分别为294.5 m、285.5 m、250 m和240 m，齐顶总水压力分别约为197.5 GN、181.4 GN、84.6 GN和103.2 GN，这些特高拱坝的坝基和坝体渗流、坝踵工作性态、坝体变形和应力应变以及坝体裂缝的变化性态极其复杂，二滩特高拱坝目前主要变形实测量已超出设计计算值［3］，还在下游面产生了未曾预料到的裂缝。需按每一座特高坝的真实荷载和组合，结合实测资料反馈修正分析模型和参数，构建运行安全评价体系。要针对不同坝型，对其主要运行安全评价方法和指标展开研究和探讨，例如：对于特高混凝土面板堆石坝，科学确定面板挤压破坏临界应变值范围［4］是一个关键问题；特高碾压混凝土重力坝的坝体层面多达700多层，层间结合状态的判断和分析直接关系到这类坝型大坝的运行安全［5］；将竣工后沉降量与坝高比值的1%来作为特高土心墙堆石坝运行性态评价控制指标［6，7］，其安全可靠性尚需深入研究。

2.2 泄洪消能及对策

特高坝泄洪水头高、流速快、流量和单宽流量大，泄洪冲刷功率巨大且历时较长，过流和消能防冲设施面临严峻考验。美国胡佛（坝高221 m）和格兰峡（坝高216 m）特高坝泄洪水头190～175 m，流速约45 m/s时，泄洪隧洞反弧段末端均发生严重冲刷破坏［8］；印度巴克拉（坝高226 m）泄洪水头152 m，在实际泄量仅为设计的1/2时，消力池已严重冲蚀破坏；伊朗卡比尔（坝高200 m）特高坝泄洪水头约135 m、流速约40 m/s时，溢洪道空蚀破坏严重。相对于这些特高坝，我国大多数特高坝泄洪落差更高，流量和流速更大，小湾和拉西瓦特高坝校核洪水位时上下游水位差达221 m和210 m，溪洛渡和糯扎渡特高坝校核洪水流量达52 300 m3/s和27 532 m3/s，泄洪总功率达9 410万kW和6 694万kW，最大流速约50 m/s，而位于大江大河上的特高坝，一次洪水过程往往长达半个月。我国特高坝消能设施和两岸泄洪洞的冲磨空蚀破坏将成为运行安全重点问题。已经投运的二滩特高坝，1号泄洪洞反弧段末端两侧发生比较严重的空蚀破坏边墙和底板形成多处冲坑，最大坑深达21 m，混凝土及岩石破坏约20 000 m3［9］。需根据泄洪运行性态，反馈分析所采用消能方式和建筑物形式的合理性，重点研究能适应50 m/s级流速的抗冲耐磨材料，大力开展泄洪运行水力学监测工作，逐步掌握磨蚀进程分级预警方法以及工程使用寿命的评估标准。

2.3 泄洪雾化及对策

泄洪雾化是一种水、气两相流复杂物理现象，受比尺效应和相似准则的限制，目前的模型试验尚难准确定量预演，数学模型也难于模拟。龙羊峡、刘家峡、黄龙滩、新安江、白山等高坝泄洪时，曾因泄洪雨雾引发岸坡坍塌、水淹厂房、机组停运等重大运行事故。对于水头高、泄量大的特高坝，如何针对泄洪雾化影响采取相应对策，是十分突出的问题。二滩和龙滩特高坝初期泄洪运行即发生过泄洪雨雾不同程度的破坏。根据二滩特高坝泄洪试验反馈分析研究后认识到，当坝下河床狭窄、坡高陡峻时，采用泄流对撞消能形式不一定有利，该坝为避免或减轻泄流水舌在空中对撞产生的雾化冲刷破坏，对原设计制定的闸门启闭方式进行修正。一般工况下，按照中孔、泄洪洞、表孔的顺序开启闸门泄洪，非大洪水不做表、中孔的碰撞泄洪，慎用两侧表孔泄洪［10］。需大力开展特高坝泄洪原型监测分析工作，摸清泄洪水舌空中形态、雾化扩散范围以及雨强分布实际情况，采取针对性工程措施，对泄洪雨雾冲刷部位进行有效防护，并对原定闸门启闭运行方式加以反馈验证，优化启闭运用程序，防止或减轻泄洪雾化的不利影响。

2.4 近坝高边坡稳定性快速监测诊断

对于经过人工处理高约500～700 m的特高坝工程边坡，采用常规监测方法收集运行资料和分析判断难以确保工程边坡稳定。需探索GPS、光纤、无人机等新型监测技术，对特高坝工程边坡实行“全天候”及时监控。根据高应力条件下边坡的岩体结构和变形特征，以及高边坡开挖引起的岩体复杂工程效应，结合人为工程处理的各项措施特点，对高边坡稳定理论进行完善，在资料统计趋势预测和工程类比经验性评判基础上，重点开展反分析研究，反演岩体力学参数，反馈分析边坡稳定性，快速准确地做出诊断，制定出分级预警方法。对近坝库岸可能发生大规模塌滑的自然边坡，要设置完整可靠的监测手段，密切监控滑坡的发展趋势，及时对滑动速度、形态、规模、范围及影响后果作出全面分析评判，采取必要果断措施，避免发生类似意大利瓦依昂（坝高262 m）特高坝库区滑坡致使工程报废并造成2 600余人死亡的灾难性事故。

2.5 材料和结构耐久性研究

相对于一般高坝，特高坝筑坝材料的各项性能已被充分利用，潜力有限，处于高渗水压力、高应力和恶劣环境的反复作用下，特高坝材料的耐久性是影响安全长效运行的一个重要课题，需对特高坝材料在真实工作条件下的耐久性开展全面系统的研究，特别是大量使用的高分子化学材料的耐久性，问题更为突出。例如，小湾特高坝坝体裂缝中灌入的约360 t化学材料［11］，其性能变化趋势将对大坝安全产生显著影响。特高坝坝基、坝肩和高边坡处理中，大量采用大吨位锚索、预应力锚杆，例如小湾工程各类锚索超过8 000束，这些水工结构直接关系到大坝的使用寿命，需对其耐久性开展系统研究。特高坝监测设施数量庞大，有的超过10 000多支（点、个），在由施工期过渡到运行期后，将长期发挥实现“数字大坝”、及时监控大坝运行安全的关键作用，如何保障其长期适应性和有效性是极为严峻的新挑战，需对仪器设备性能、维修管理以及更新改造等进行全方位的研究。

2.6 水工金属结构运行及维护

特高坝水工金属结构规模大，闸门挡水和启闭水头高，孔口水压力巨大，运行操作、检修维护和更新改造难度大。二滩和拉西瓦特高坝深孔弧形闸门挡水（启闭）水头分别达120 m和142 m。小湾特高坝放空底孔工作闸门和事故检修闸门承压水头达160 m，总水压力分别为108 000 kN和107 000 kN，其事故链轮门居于同类闸门世界之首。这些水工闸门和启闭机的运行操作远比一般高坝复杂，存在的风险性大，一旦发生事故，将直接危及到大坝的泄洪安全，需对其运行特性展开研究。对小湾特高坝放空底孔事故链轮闸门进行了国内首次106 m水头下的动水闭门实验［12］，测试了放空底孔各系统的功能，在最高闭门设计水头下进行了极限动作，不仅验证了放空底孔金属结构的设计、制造及安装质量，并为运行安全积累了宝贵经验。基于工作条件复杂和金属材料特性，特高坝水工金属结构相对于坝体结构，其使用年限相对较短，日常维护检修和更新改造是一项迫切而艰巨的难题，需在广泛汲取国内外高坝水工金属结构维修和更新改造经验的基础上，不断突破和创新。

2.7 深水检修加固技术

特高坝上游面深水裂缝和缺陷检修处理、过流孔洞进口部位冲磨空蚀破坏检修处理、坝踵及坝趾冲淘破坏检修处理、消力池冲磨空蚀破坏水下检修处理均是突出的现实难题，不可能放空水库也很难降低水位来完成这些部位的检修加固任务，必须大力开展研究。我国曾在刘家峡、龚嘴大坝对60 m水深的水下详细检测、水下精确定位、水下结构止水等问题进行专题研究，利用浮体门在上游封堵过流孔洞进口，形成从下游进入过流孔内的旱地施工条件，成功解决了60 m级水深过流孔洞进口部位检修难题。对于特高坝，需突破60 m级水深极限，向100 m级甚至更深的水下检修加固技术进军，从技术思路、检修设备、检修手段、加固措施等方面攻坚克难。还需研制出能与深水修补加固需要相适应的材料，能够快速凝固、粘结性能优越、抗冲耐磨和抗渗能力强，以满足特高坝不同部位工作特性的要求，保证大坝的运行安全。

2.8 地震影响快速评估

我国有多座特高坝处于高地震区，如何在地震发生后快速评估地震对大坝造成的影响无疑是一个非常关键的问题。需将强震监测系统与大坝变形、应力、渗流等常规监测系统联合运行，及时观测地震波到达瞬时的影响情况，利用预先研制的力学和数学模型，快速计算大坝不同部位的受力状况及可能遭受的破坏。特高坝建成蓄水后，水库可能诱发地震问题是一个不容忽视的重点问题，需完善地震监测系统，坚持不断地积累信息数据，从中寻找诱发地震的动态规律。大坝及各种水工建筑物的连接处、接合部、接触带以及断面或刚度突变的部位是抗震薄弱部位［13］，对于特高坝，需对这些部位进行复核评估，必要时采取增强抗震能力的措施。汶川大地震震中附近的宝珠寺大坝以及距离较远的隔河岩大坝，坝基部分测孔水位都曾在地震中发生一定程度的升降变化，而距震中远达1 400 km的陈村大坝，不仅坝基地下水位升降变化明显，坝基渗漏量也曾有较大幅度的增加，变化总趋势延续近一年才基本恢复到震前状态［14］。为了保障特高坝的运行安全，需对这种现象的形成机理以及地下防渗隐蔽工程可能遭受的危害做深入的分析研究。

2.9 流域高坝群运行安全研究

由表1可见，我国特高坝多集中在澜沧江、雅砻江、金沙江、大渡河和黄河上游河段，这些特高坝与所在河流的一些高坝组成了高坝群，其梯级高坝大库安全运行之间存在连锁反应，这是一个极为重要的问题。例如：雅砻江流域规划的21个梯级电站中，坝高超过100 m的有10座，其中有锦屏一级、两河口、二滩3座特高坝；澜沧江流域有小湾、糯扎渡、黄登3座特高坝，同时还有漫湾、大朝山、景洪等百米级高坝。随着流域高坝群的出现，大坝安全上升为流域系统安全问题，在整个流域连锁反应中，单个工程必须上下兼顾，才能确保系统和自身的安全，而单个工程的安全也是整个系统安全的基础。面对复杂而庞大的高坝群运行安全问题，应设立职责明确、精简高效、执行有力的集中管理机构，而且必须建立有效的信息采集和信息传输系统，借助计算机网络和现代通信手段，实现雨情、水情等洪水资料以及大坝运行性态各种监测数据的远程分析评价、远程集中会诊和远程决策调度。

2.10 风险管理及应急处理

特高坝安全管理需转变管理理念，从以结构安全管理模式为主逐步转变为以风险管理为主的模式。对风险的识别不仅需关注常规的最大洪水和最大可信地震等险情因素，还需对可能造成大坝失事的各种隐患进行识别。对风险的分析，需重点分析溃坝洪水、下游影响范围和破坏程度以及大坝上、下游可能引发的滑坡危害。对风险的评判需以是否被一定影响范围的公众所接受为准则。对于流域梯级高坝群的安全管理，需在逐座水库大坝风险管理分析研究的基础上，建立流域水库大坝连锁影响的风险管理体系。特高坝事故应急处理的关键和最大难点是与上、下游联动机制的建立和非常时期的具体实施。必须深刻汲取意大利瓦依昂特高坝滑坡事故的教训，制定切实可行的应急预案，建立与地方政府、上下游人民的密切联动机制，将认真开展预演列入日常预防工作内容，以能在大坝失事的非常时期避免或减少人员伤亡和财产损失。

3 结语

我国目前正处在特高坝建设的快速发展时期，无论是规模还是数量，都已成为特高坝建设的世界大国。特高坝的运行安全是社会各界普遍关注的热点问题。在已建成的7座特高坝中，二滩特高坝运行时间较长，已17年，其他几座运行时间较短，才3-5年，都积累了一定的宝贵经验。这些特高坝初步运行的实践表明，特高坝运行安全关键技术涉及面广、技术难度大，需本着对历史、对人民、对工程高度负责的精神，从战略高度展开全面系统的探讨研究，提高风险防范和控制能力。我国特高坝的运行安全管理尚处在起步阶段，任重而道远，为了保障特高坝的长效安全运行，其关键技术的研究在近期就需有突破性进展。 ■

[1]杨泽艳,赵全胜,方光达.我国水工技术发展与展望[J].水力发电,2012,38(10):28-32.

[2]李瓒,陈飞,郑建波,等.特高拱坝枢纽分析与重点问题研究[M].北京:中国电力出版社,2004.

[3]杨弘,冯永祥.雅砻江流域高坝群运行安全关键问题研究[J].大坝与安全,2012(5):15-19.

[4]曹克明,徐建军.超高面板堆石坝设计原则探讨[J].水力发电,2012,38(1):22-26.

[5]潘罗生.龙滩大坝碾压混凝土的温控与防裂关键技术[J].水力发电,2007,33(4):15-17,30.

[6]艾永平.糯扎渡水电站工程建设技术要点评述[J].水力发电,2012,38(9):9-11,15.

[7]张宗亮,袁友仁,冯业林.糯扎渡水电站高心墙堆石坝关键技术研究[J].水力发电,2006,32(11):5-8.

[8]陈宗梁.世界超级高坝[M].北京:中国电力出版社,1998.

[9]戴会超,许唯临.高水头大流量泄洪建筑物的泄洪安全研究[J].水力发电,2009,35(1):14-17.

[10]邢林生,李涛.泄洪雨雾对水电站运行的影响及对策[J].大坝与安全,2010(1):1-4,14.

[11]赵毅,许常玉.关于高拱坝混凝土深层裂缝化学灌浆施工工艺探讨[J].西北水电,2011(3):41-47.

[12]李自冲,余俊阳,曹以南,罗文强.小湾水电站放空底孔事故链轮闸门动水闭门试验[J].水力发电,2012,38(8): 93-96.

[13]李福云,杨泽艳.汶川地震灾区大中型水电工程大坝震损分析[J].水力发电,2010,36(3):47-50.

[14]邢林生,周建波,汪正春,孙萍.汶川地震对陈村坝基渗流影响分析[J].大坝与安全,2011(3):36-42.

China is in a stage of rapid development of ultra-high dams higher than 200 m.And,some ul⁃tra-high dams have been built and put into operation.The safe operation of ultra-high dam is a hot is⁃sue of social concern.In order to ensure the long-term operation safety of ultra-high dam in complex en⁃vironment and operation characteristics,the author expounds the main contents and some key technolo⁃gies,including the safety evaluation system,the stability of high slope,energy dissipation and atomiza⁃tion of release waters,the durability of materials and structure,operation and maintenance of hydraulic metal structure,underwater reinforcement,earthquake effect,safety operation and risk management of dam group and etc.

ultra-high dam;operation safety;key technologies

TV697.1

A

1671-1092（2014）04-0014-05

2014-02-28

邢林生（1942-），男，江苏南京人，教授级高级工程师，主要从事水电站大坝安全评价工作。

Title:Some key technologies for the operation safety of the ultra-high dams//by XING Lin-sheng and ZHOU Jian-bo//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration