水电站大坝安全定期检查中泄水建筑物运行安全若干问题

罗前进，谭秀娟（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

水电站大坝安全定期检查中泄水建筑物运行安全若干问题

罗前进，谭秀娟
（国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

介绍了若干泄水建筑物运行出现的问题，并从泄水建筑物的功能、结构和运行调度等方面分析其原因，其成果对泄水建筑物运行安全评价具有一定借鉴意义。

大坝；泄水建筑物；运行；安全

0　前言

水电站工程中，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，其运行安全是确保大坝安全的重要组成部分。根据原国家电力监管委员会大坝安全监察中心已完成的首轮（1987～1998年）96座、第二轮（1997～2006年）116座、第三轮（2005～2011年）182座大坝安全定期检查的情况，运行大坝泄水建筑物主要有两类问题：一类为功能性问题，泄流、放空或排沙能力达不到枢纽建筑物的运行要求；另一类为非功能性问题，其泄水建筑物本身由于运行而产生缺陷或运行时对相邻建筑物（设施）造成不利影响。

根据若干典型工程的运行实例，从泄水建筑物运行反映的问题出发，分析其产生的原因，为评价泄水建筑物运行安全性对大坝运行安全性的影响提供依据。

1　泄水建筑物功能性问题产生的原因

泄水建筑物的功能有多种，此处仅讨论排放多余水量的功能。该功能在水电站工程中主要表现为：各泄水建筑物联合宣泄洪水能力不能满足设计运行要求、水库放空设施开启困难。

1.1泄流能力不足

3轮大坝安全定期检查表明，水电站泄水建筑物泄流能力不足主要是由早期建设的电站设计洪水标准偏低导致。随着对失事电站原因的分析，对大坝防洪安全的要求和认识不断提高，部分洪水标准相应提高。如在1978年以前的标准中，校核洪水（非常运用洪水）标准没有区分筑坝材料，未能体现不同坝型的工程失事风险和危害程度的差别，1978年以后颁布的标准针对土坝、堆石坝，均提高了校核洪水（非常运用洪水）标准。如在1994年后颁布的标准，针对建筑物级别、坝型相同的工程，坝高和库容可能相差很大，失事后工程本身损失和对下游的危害性差别也很大，因此对各个等别、各种坝型工程和洪水标准规定了一个取值范围，同一工程高坝大库者取上限。而水电站大坝安全评价的原则是按现行规范来衡量，因坝型、坝高、库容的不同、现行规范洪水标准的提高，导致部分早期建设的水电站泄水建筑物的泄流能力不满足汛期排放水量要求。首轮大坝定期检查的96座大坝中有38座大坝的防洪标准须按现行规范提高。

另一方面是由于设计初期洪水资料欠缺，采用的洪水系列较短，运行后发生大洪水，延长系列后导致同频率洪峰流量增加，并经调洪演算泄水建筑物泄流能力仍不足。其次是设计或施工原因导致泄流能力不足，如表孔上部的门机大梁阻水、泄洪设施由于补强加固导致过水断面减小、过流表面施工质量不到位、糙率增大等，从而影响泄洪能力。

上述种种原因导致的泄水建筑物泄流能力不足问题，大坝安全运行评价时与大坝防洪安全一起综合评价。最终防洪能力不满足要求的工程，综合考虑水库特性、挡水建筑物及泄水建筑物等多方面情况，按现行规范的防洪标准，采取加高大坝挡水建筑物高度、增加泄水建筑物、降低水库洪水期运行水位或调整水库水位控制方式等多种措施综合予以解决。

1.2放空设施开启困难

高坝大库因战备要求，部分大型土坝、堆石坝考虑检修要求设置了放空底孔，其工作闸门一般为潜水深孔闸门。由于大部分底孔不参与水库的泄洪，或仅在达到设计洪水时才参与泄洪，故底孔工作的机率非常少。另外，底孔进口高程一般较低，若不定期对放空底孔的工作闸门进行启闭操作试验，则有可能出现工作闸门门前泥沙淤积情况，导致闸门提不起来。如江西某电站放空洞采用进口检修闸门挡水，闸门45°倾斜布置，自1995年投运以来，检修门长期挡水运行，门叶、门槽和拉杆已发生锈蚀，目前启闭困难。

有些电站放空底孔挡水闸门维护困难或无法维护，如广西多座电站放空底孔仅设置工作闸门，在早期运行中启闭设施损坏后直接拆除，其后闸门一直无法启闭和维护；甚至某电站放空底孔仅设置一道闸门，且该闸门运行方式为“动水开门、无水下门”，导致日常对闸门无法进行检修及启闭试验，长期运行后其闸门很可能无法开启。

作为战备和检修目的而设置的应急放空设施，很可能在其使用周期内也不会使用，但一旦需要其工作时，则需立即能够投入使用，因此日常须对放空设施加强管理，定期检查维护，对工作闸门开展定期启闭试验，确保能够正常工作，对先天存在的缺陷尽早采取措施予以处理。

2　泄水建筑物非功能性问题产生原因

泄水建筑物非功能性问题主要表现为可以正常使用，但运行时泄洪及消能设施本身产生损坏或对相邻建筑物或设施产生不利影响。在第三轮大坝安全定期检查中，有近50%的大坝泄水建筑物存在类似不同程度的缺陷，原因主要有以下几类。

2.1布置不合理

泄水建筑物的布置对枢纽区相邻建筑物、相关设施及运行人员的安全影响很大。泄水消能建筑物一般具有高水头、大泄量、高流速、大能量的特点，因此涉及高能转换、空化空蚀、流固耦合及高速多相紊流等问题，在泄洪消能过程中，水流在流道内的特性复杂。DL/T5166-2002《溢洪道设计规范》要求“大型工程和水力条件复杂的中型工程应经水力水工模型试验验证；中型工程宜进行水工模型试验验证……”，但由于水工模型存在相似率和缩尺效应，高流速、高能量的泄水建筑可能存在布置上的缺陷。如四川某大型电站泄洪洞为高流速、高水头泄水设施，虽在大量水工模型试验的基础上设计实施，运行初期经相当设计洪水工况的运行，高速水流造成洞内过流面的空蚀破坏严重，后期经过大量研究、水工模型试验和原型观测以及修改掺气等布置，解决了上述问题。另外，湖南某电站溢洪道横向结构缝设置及处理不合理，在高速水流作用下止水失效，水流进入底板，在脉动上举力作用下底板被掀开。

由于枢纽区相关建筑物布置的不合理，泄水建筑物运行时对其他设备也可能产生不利影响。如泄水建筑物运行时产生的雾化造成山坡滑坡或影响厂区工作环境。

泄水建筑物布置不合理一方面受制于复杂的水力学问题，另一方面由布置中的细节缺陷造成。

2.2结构薄弱或存在缺陷

2.2.1结构不符合规范

泄水建筑物结构薄弱或存在缺陷首先是由于建筑物在建设期设计或施工不符合规范要求导致的。如江西某溢洪道闸墩的混凝土强度较低，导致溢洪道的中墩、边墩在弧门支座附近局部受拉区不满足规范的限裂要求，产生危害性裂缝。广东某电站泄放洞，由于有压段末端一定范围内混凝土衬砌上部围岩质量及岩体厚度不符合有压混凝土衬砌隧洞的设计要求，内水外渗导致泄放洞外部山体渗水严重，危及山体边坡稳定。

2.2.2冲蚀及磨蚀

高水头、大泄量的泄水建筑物，其下泄水流对流道衬砌和消能防冲设施造成冲蚀破坏比较普遍。如湖南某电站，由于超标洪水以及闸门开启不均匀，使消力池流态偏离设计要求，底板压力分布不均匀，在持续泄洪90 h后，造成消力池出现长约50 m、宽16～25 m、基岩冲淘深13～36 m的大冲坑。景洪、漫湾、安康等电站在大泄量时，当下游低水位、抗冲耐磨混凝土层的强度不足以及抗冲耐磨层与下部混凝土出现接触不好等情况时，消力池底板泄洪后冲损严重。

在多泥沙流域，水库有排沙要求。由于泥沙中石英摩氏硬度为7，长石硬度为6，而钢材硬度为5.5，混凝土的硬度远低于钢材，故多泥沙河流高流速的泄洪使排沙建筑物发生磨蚀破坏是非常普遍的，如在龙羊峡、刘家峡、宝珠寺、龚嘴、鲁布革、青铜峡等多泥沙河流中均有发生。最典型的是龚嘴电站排沙中孔，每次排沙后流道表层抗冲耐磨混凝土均磨蚀，严重的露出结构钢筋，即使采用钢板进行补强，也只是延长了修补间隔，降低了修补频次。

2.2.3河床及护岸淘刷

河床及两岸的淘刷也是泄水建筑物运行产生的问题之一。河床及两岸的淘刷与地形、地基的抗冲能力、消能方式及消能的充分性等多方面原因相关。如西津、洛东、长湖以及富春江等电站下游护岸初期冲刷严重的问题，与其采用的面流消能特点——消除的能量较小、面流流速大有关。

2.3调度方式不合理

泄水建筑物设计时通常根据水工模型试验或工程经验推荐其运行时的调度原则，一般运行中须严格执行。但实际运行中，有些电站由于种种原因，未严格执行调度原则，造成相关损坏。如某低水头闸坝有多孔泄洪闸，按调度原则应“先开中间、再开两边”，但实际运行中经常采用靠近厂房的泄洪闸边孔泄放上游浮渣，结果导致该孔下游河床冲淘较严重。同样的低水头闸坝，分别在主河和岔河设置多孔泄洪闸，按照调度原则，常遇洪水应先开主河道闸孔。但由于发电厂房设置在主河道，若常遇洪水时主河道泄洪，下游水位会相应涌高，影响发电效益，故运行中常遇洪水开启岔河泄洪闸。岔河泄洪闸是按照设计洪水、下游高水位设计，下游未设置防冲设施，该调度方式下，上、下游水头差大于设计水头，造成岔河泄洪闸孔下游河床冲淘严重，且淘坑逐渐向坝踵发展，影响大坝安全。

3　结语

根据功能要求和水电站自身的特点，泄水建筑物布置型式和消能方式各不相同，因此评价其运行安全时，要紧抓其功能要求和运行性状。泄水建筑物的功能特点要求其在低于设计洪水标准时，尤其是常遇洪水时保证工程安全和正常运行；允许出现局部破坏，但不得危及大坝及其他主要建筑物的安全或长期影响枢纽运行，汛后应易于修复。

根据大坝安全定期检查，注册水电站大坝目前仅少量泄水建筑物由于种种原因导致泄流能力不满足电站防洪要求，问题更突出的是具有应急作用的放空设施。由于运行频率非常低，运行单位存在思想麻痹、疏于管理的现象，应加强管理、定期检查维护。问题普遍是泄水建筑物由于日常过流较频繁，其流道或消能防冲设施会出现不同的缺陷甚至隐患，究其原因，除复杂的水力学特性、高流速、大能量外，建设期的种种不足或缺陷以及运行中的不合理调度方式也是重要的诱因。

［1］DL/T5313-2014，水电站大坝运行安全评价导则［S］.

［2］DL/T5180-2000，水工枢纽工程等级划分及设计安全标准［S］.

［3］DL/T5166-2002，溢洪道设计规范［S］.

［4］国家能源局大坝安全监察中心.水电站病险坝和重大隐患治理工作总结［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

罗前进（1978-），男，高级工程师，本科，主要从事水电站大坝安全管理工作。

作者邮箱：luo_qj@ecidi.com