瑞典达布斯克坝闸控与非闸控溢洪道的联合运用

2017-04-07孟照蔚,马贵生

水利水电快报 2017年10期

运行与管理

分区填筑的土石坝安全主要取决于安全设计和溢洪道运行情况，经验表明许多大坝的溃决是在洪水未达到设计洪水时发生的，多数土石坝溃决与溢洪道性能有关。阐述了闸控或非闸控溢洪道的优缺点，通过实例说明了同时设置闸控和非闸控溢洪道对提高大坝安全度的重要性。

闸控溢洪道；非闸控溢洪道；土石坝；瑞典

漫顶主要由库容不足或溢洪道故障造成，是分区土石坝最常见的溃坝原因。大多数土石坝的溢洪道为闸控型式，但闸门易受损或操作失灵，在特大洪水时有更大的溃坝风险。

溢洪道设计应考虑不同级别洪水和各种运行模式，因此溢洪道类型和功能不同，设计标准也不同。

1 溢洪道的用途与分类

溢洪道的主要作用是通过调控设计洪水来保护大坝安全，常按功能进行如下分类：正常洪水条件下运行的溢洪道为主溢洪道或正常溢洪道；只在超设计洪水条件下运行或在主溢洪道无法正常工作情况下运行的溢洪道为辅助溢洪道；主要调控超大洪水、保护大坝安全的溢洪道为应急溢洪道。辅助溢洪道和应急溢洪道具有运行时间短、使用频率低并均在极端情况下工作等共性。溢洪道也可以按水力和防洪条件分类。

2 闸控与非闸控溢洪道的优缺点

非闸控溢洪道堰顶是固定不变的，一旦库水位超过堰顶高程，则开始泄洪。当库水位超过堰顶高程时，闸控溢洪道可以调节库水位，保证泄洪安全。

闸控与非闸控溢洪道联合运用已经成为防洪安全的论证课题。显然，由于不需要调控洪水、不耗费电力、堵塞可能性小，非闸控溢洪道可以让水自由流过堰顶，比闸控溢洪道更安全。

总体来说，闸控溢洪道的优点便是固定堰顶式溢洪道的缺点，反之亦然。鉴于评估的复杂性和不可预测性，主要应从安全性和经济效益对两者进行比较。选择闸控溢洪道还是非闸控溢洪道最终取决于各项安全措施的成本与效益比值。在大多数国家，从特定河流的地形、洪水、工程特性等方面考虑，闸控溢洪道适用于各种坝型，主要有以下优点：

(1) 单位泄洪量大，狭谷河段所建坝库容大；

(2) 能在洪水早期阶段开始泄洪；

(3) 能利用的库容大。

非闸控溢洪道主要优点有：

(1) 在偏远地区和各种环境下可靠性高；

(2) 无需机械设备维修或其他补救措施；

(3) 单位泄洪量低，设施不易损坏；

(4) 不会被垃圾和其他漂浮物堵塞。

当两种溢洪道联合运用时，可以同时对两者的优势加以利用。同一座水库使用两种溢洪道，必须为它们设置不同的高程，否则在闸控溢洪道优势还没得到发挥就开始泄流了。简而言之，必须将固定堰式溢洪道作为闸控溢洪道的辅助或紧急溢洪道。将以上原理用于瑞典达布斯克(Dabbsjö)大坝上，增加了电站发电量，同时提高了大坝安全度。

3 溢洪道设计洪水标准

在当今许多国家，设计洪水是根据洪水期间潜在溃坝风险级别确定的。例如，在瑞典和挪威大坝安全管理中，风险级别高的大坝设计洪水标准为万年一遇，在这种情况下不会对大坝造成严重损害，这意味着，尽管受使用方法的局限使得设计洪水存在内在不确定性，溢洪道的泄洪能力还是要由设计洪水决定。

设计时假设只有洪水超过设计洪水才会对建筑物造成损坏，但实践经验表明许多破坏由比设计洪水小的洪水引起，而且这样的破坏主要与溢洪道有关，达布斯克坝溢洪道就是一个典型的例子。

达布斯克坝建在西博滕省福崖环(Fjällsjö)河上，冰碛心墙堆石坝高45 m、长580 m，心墙坐落在岩基上，调节库容3.4亿m3。闸控溢洪道位于左岸，2扇滑动式闸门，单扇闸门宽8 m、高5.25 m。

最新洪水计算结果显示，百年一遇和万年一遇洪峰流量分别是290 m3/s和730 m3/s。库水位达到417 m时，溢洪道达到最大泄洪能力，包括泄洪底孔在内的泄洪量达到460 m3/s。水位达到冰碛心墙顶面418 m时，闸控溢洪道泄洪能力为470 m3/s。包括泄洪底孔在内的总泄洪能力为560 m3/s，这种情况下730 m3/s的设计洪水无法安全通过溢洪道，尚有200～250 m3/s的差额，占溢洪道设计泄洪能力的34%。这样的洪水流量对闸下游溢洪道右侧边墙造成严重冲刷，并可能影响主坝坝趾安全。

分析表明，溢洪道的设计除了要遵守国家权威机构有关设计洪水的规定外，还应考虑如下因素：

(1) 下游居民的人身和财产安全;

(2) 设计洪水计算方法的可靠性;

(3) 坝型、功能和地形条件;

(4) 气候变化导致的洪水事件。

在溢洪道设计和运行中，也应考虑溢洪道的各种受损情况，从而减小溢洪道运行的不确定性。

4 溢洪道运行

2011年，在达布斯克坝溢洪道进行了一项试验，对溢洪道的运行有了更好的理解，泄洪量为280 m3/s，远低于设计洪水，小洪水形成的湍流速度非常高。

这种湍流和超临界流具有较高的动能，水流跃出溢洪道冲刷坝趾，开始冲刷下游坝坡。由较小洪水观察到的冲刷表明，大洪水期间的冲刷将更严重。

现有溢洪道的运行状况提醒大坝管理者需要改善大坝现状和下游防洪设施，将大坝风险控制在可接受的水平。为改变现状，提高大坝安全性，大坝管理者对各种可能的补救措施进行了调研。

一项措施是在特隆赫姆的挪威水力实验室建立物理模型，找到最佳设计方案，并对其进行物理模型试验。

5 闸控与非闸控溢洪道联合运行

随着气候变化和洪水风险的日益增加，河水中经常会有大树一类的漂浮物堵塞闸门，雷电造成闸门失灵，停电事故也可能发生，在这种情况下采用闸控和非闸控溢洪道联合运用是最佳设计方案。

对达布斯克坝不同设计方案的设计洪水和大坝安全度进行了评估。在建设早期阶段，对溢洪道增加第三扇闸门作为比较方案进行了讨论。由于地下厂房紧靠左坝肩，该方案对大坝影响很大，不是最佳方案。

第二方案是在大坝右侧坝顶增加固定式溢洪道，无论是在大坝安全方面还是建设方面，这一方案都有很多优点。

为了拦蓄超额洪水，增加库容，提出了在大坝右侧增加非闸控辅助溢洪道方案。挪威水力实验室对新提出的溢洪道方案进行了物理模型试验，主要目的是根据1∶30模型完善溢洪道侧槽主要建筑物的设计，进行设计优化，评估溢洪道在不同下泄洪水量情况下的性能。

模型中，采用选定的泄洪系列对非闸控溢洪道泄洪能力进行了模拟试验。当库水位达到大坝防渗心墙顶部418 m高程时，非闸控溢洪道的泄洪量为210 m3/s，闸控和非闸控溢洪道联合泄洪量达680 m3/s。这表明若发生大洪水，在提升泄洪能力和降低闸门运行风险方面，闸控与非闸控溢洪道联合运用具有优势。

最终方案是开挖一条连续泄洪渠。每一次修改设计都是分步实施的，直至最优。根据初始模型试验中观察到的问题，对模型进行了修改完善，然后进行终审。大坝现场实施了模型试验获得的最终方案。

6 实施

当库水位达到整修后心墙顶部高程419.7 m时，长75 m的新混凝土重力溢流堰最大泄水能力达到640 m3/s。洪水来袭时，闸控溢洪道和固定堰式溢洪道同时泄洪，当洪峰来水量达到730 m3/s、库水位达到418 m(比最高调节水位高1 m)时，480 m3/s的洪水通过闸控溢洪道下泄，约150 m3/s的洪水通过非闸控固定堰顶溢洪道下泄。

针对特大洪水，右侧新固定堰式溢洪道还可作为应急溢洪道，显著降低溃坝风险。溢洪道建设要求精度很高，开挖弃料堆填在堆石坝下游坡，使大坝结构安全性更好。