水电站厂房水淹风险分析及防范措施

2019-02-15谭可奇

水电站设计 2019年1期

谭可奇

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 前言

近十年来，随着国民经济的飞速发展和“低碳环保”理念的深入人心，我国的水电事业得到飞速发展。据最新数据，我国目前已开发和拟开发的水电站达到6 994座，总装机容量达到5.42 kW。然而，随着电站数量的增加、规模的扩大和建成时间的久远，水电站发生的安全事故也逐渐增多。除了水电站厂房内常见的火灾、爆炸、电伤害、机械伤害、坠落伤害等安全事故外，水电站厂房的水淹事故也屡见不鲜。

对于水电站厂房，水淹事故相对于其他事故所造成的危害面更广、持续时间更长，修复重建难度大、恢复投产周期长，造成的人员及财产损失巨大。2009年8月17日在萨杨-舒申斯克水电站发生的水淹厂房，导致变压器发生爆炸，水电站墙体损毁，机房进水，造成75个工作人员伤亡，直接经济损失超过40亿美元。由此可见，水淹厂房事故在水电站中危害性极大。

同时，我国是个自然灾害频发的国家，特别是在西南高山峡谷地区，震后边坡，植被损毁严重，坡面表部松散崩积物稳定性较差，容易造成风沙和小型滚石；在暴雨天气下，容易发生滑坡或泥石流，堵塞河道，形成堰塞湖，导致水淹厂房事故发生，岷江上渔子溪、映秀湾、耿达等电站均是此类型的例证，由此带来较为严重的损失，修复难度巨大。

为了避免水淹水电站厂房事故，本文从水电站厂房的设计和运行角度，分析了建设和运行期水淹厂房的风险源，提出了防止或减小水淹厂房的总体布置措施、细部结构措施和日常运行维护要求，并提出了灾害预警预报及应急预案要求。

1 水电站水淹厂房风险分析

1.1 外部影响

(1)超标准洪水。流域上游有强降水或其它特殊原因，导致洪水超设计(校核)洪水位，造成水电站漫坝(溃坝)、厂房进水、水工建筑损害等，全站停电和跳闸等事故；或下游水位猛涨时，水从厂房进厂交通门、洞，尾水渠交通洞进入厂房。

(2)超标准降雨。厂区短期连续集中强降雨，可能引发山洪暴发，厂房周边山体滑坡，导致洪水大量涌入厂房，全厂排水系统无法满足排水需要；或雨水从顶棚排水沟、门窗、电缆沟、排水沟等部位灌入或倒灌入厂内。

(3)超标准泥石流。厂区附近的超标准泥石流，可能超过排导能力，破坏拦挡结构，导致厂区内建筑物损坏、交通中断和排水结构失效，可能直接破坏厂房结构或导致水淹厂房。

(4)超标准地震情况。超标准地震可能造成厂房挡水结构裂缝或结构局部破坏导致漏水，或厂房挡水结构等水工建筑物发生坍塌，或库区边坡失稳导致涌浪、漫坝等，或电力设备损坏导致泵站失控不能抽水。

(5)外部电源故障。当全厂发生停电事故，内部应急电源也不能正常使用，而外部电力供应也中断时，则可能导致泄洪及排水设备无法正常运行。

1.2 机组或设备故障

(1)厂房内部水轮发电机组故障或零件破损。如：运行或备用机组尾水管进人门、蜗壳进人门损坏、水轮机主轴损坏造成水淹厂房。

(2)厂房供排水设备故障。渗流集水井水泵或阀门故障，或电源设备故障，抽排停止或抽排能力不足，导致水淹厂房；厂房清洁水，消防水系统，因管道接头或阀门破裂造成局部地面及廊道淹没；技术供排水系统因管路及部件损坏,水轮机主轴密封损坏造成局部地面及廊道淹没；公用排水系统(检修、渗漏排水、排污)因地漏堵塞，排水不畅、排水系统故障及逆止阀损坏造成局部地面及廊道淹没。

(3)泄洪启闭设施故障。如：液压启闭机或闸门设备机械故障，电源故障，闸门不能打开或开度不足，导致水库泄洪能力不足；或者因水库漂浮物过多，或泥沙淤积较严重，闸门启闭力余度不够，不能正常开启或开度不够，导致水库泄洪能力不足。

1.3 水工建筑物事故或缺陷

(1)水文地质条件超预期，防渗帷幕失效。厂房地基基础水文地质条件较预期变化较大，厂房防渗帷幕失效、渗漏量超预期，导致集水井和水泵容量不足。

(2)水工结构质量事故。引水隧洞、压力前池、压力钢管、调压室、尾水隧洞和厂房蜗壳、挡水墙等水工结构质量事故，导致结构垮塌、爆裂。

(3)水工结构质量缺陷。防渗帷幕、引水隧洞、压力前池、压力钢管、调压室、尾水隧洞和厂房蜗壳、挡水墙等施工结构质量缺陷，导致较大漏水。

(4)厂内和厂区排水沟渠结构破坏、堵塞。

1.4 电厂运行中的误操作

(1)机组检修中的误操作，机组检修且蜗壳进人门或尾水管进人门开启状态下，误提快速闸门(检修闸门)、尾水闸门、厂内供水阀门，导致水淹厂房。

(2)水情调度错误，洪水来不及开闸宣泄漫坝。

2 水电站水淹厂房防范措施

2.1 厂房防淹总体布置设计

2.1.1 厂址选择及厂区枢纽布置要求

厂区枢纽布置，一方面应按规范要求确保勘察设计深度，增加对各种滑坡体、泥石流沟等地质灾害的风险识别，在厂址选择和厂区枢纽布置时，避开风险等级较高的可能风险源。厂址选择及厂区枢纽布置，一般应遵循以下原则。

(1)地面厂房位置宜避开冲沟及泥石流沟，对可能发生的山洪淤积、泥石流或崩塌体堵江等应采取相应的防御措施，可采用支挡及排导措施。

(2)当地震基本烈度为8度及以上、河谷狭窄、两岸山体边坡陡峻时，宜优先选用地下厂房。

(3)厂房边坡设计应符合《水电水利边坡设计规范》(DL/T5353-2006)的规定。厂房位于高陡坡下时，应设有安全防护措施及排水措施。

(4)压力前池及调压井应布置在牢固基础上，在条件允许的前提下，加大泄水渠的尺寸。

(5)当压力管道采用明管布置时，宜将厂房布置在免受事故水流直接冲击的方向；不可避开时，应采取有效保护措施。管槽下部设置截水沟，将积水引至厂外。

(6)岸边式地面厂房的尾水渠一般应与河道斜交，斜向河道下游，使得水流平顺接入河道；尾水渠出口宜布置于沟口上游，并加强对可能发生淘刷或淤积部位的防护措施；应考虑枢纽泄洪建筑物泄洪及下游梯级回水引起河床变化所造成的影响；尾水渠出口布置应注意减少河道水流和泥沙对尾水的影响，保持水流顺畅，必要时可设置导水墙。

2.1.2 厂区防洪及排水系统设计要求

应根据《水电站厂房设计规范》(NB/T35011-2016)、《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》(DL5180-2018)和《室外排水设计规范》(GB 50014-2016)的要求，进行厂区防洪及排水设计，主要包括以下各项。

(1)应保证主副厂房和主变压器场地及开关站在设防水位条件下不受淹没。

(2)厂区的排水量、管沟布置、排水方式及排水设施，应根据水电站厂房的重要性、本地区气候特征、设计暴雨强度、降雨历时、暴雨设计重现期、汇水地区性质、地形特点及其他核能的集水量综合考虑确定。设计降雨重现期可取3～5 a，设计降雨历时为5～15 min。

(3)应采取可靠措施防止洪水倒灌。

(4)对泄洪、降水和雾化对厂区造成的不利影响，应采取相应的防护措施。

(5)对可能导致水淹厂房的孔洞、管沟、通道、预留缺口等应采取必要的封堵和引排措施。

(6)厂区防渗排水措施应综合应用。岸边地面厂房和河床式厂房，应设置可靠的防渗系统，特别是河床式厂房应注意防渗帷幕的各项参数满足规范的要求，厂区防排系统应以防为主。地下厂房应全面考虑厂外渗水的可能通道，防渗系统应设计成平面上和垂直方上的封闭系统，将厂区主要建筑物包纳其中；同时，应在防渗系统的下游侧(渗水方向)设置若干层排水廊道，尽量使排水廊道汇集的渗水通过自排的方式排入直接排至厂外，以降低渗漏集水井的负荷，厂区防排系统以排为主。

(7)应进行各建筑物边坡地表水和地下水的排水设计。

2.1.3 进厂交通和应急逃生通道布置

对可能发生水淹的厂房，应采取多通道设计，至少应有两个独立的通道。岸边地面厂房可考虑在厂房的两侧均设置出入通道，河床式厂房可考虑从下游尾水平台高程进厂和从上游坝顶垂直进厂；地下厂房可考虑从下游岸边进厂和山顶垂直进厂。

水电站厂房一旦发生水淹事故，通常造成常规交通瘫痪，也极易造成人员伤害。因此，除应设置常规交通通道外，还应按要求设置可靠的应急逃生通道。

逃生通道的总体设计思路为“脱离-转移-等待救援”，即：尽快脱离灾情，转移至地势较高的安全地带并等待后续救援，不推荐独自脱困。通常应依托电站所在地形地质条件，岸边地面厂房多采用后坡压力管道检修便道或设置连接电站最高建筑物至临近地势较高处的索桥(吊桥)等结构作为应急通道，河床式厂房一般选择上游坝顶垂直进厂作为应急通道，地下厂房一般采用出口高程较高的通风洞(竖井)和出线平洞(或出线竖井)作为应急通道。有条件的电站，可在适当位置设置直升机停机坪作为应急交通。

2.2 厂房细部结构防淹设计

2.2.1 增加厂内渗漏集水井容量

目前水电站厂房的渗漏集水井容积，是将降水集雨量、基础渗漏量、水工结构渗漏量及机组渗漏量叠加计算确定的。因降水集雨量设计标准较低，同时基础渗漏量、水工结构渗漏量及机组渗漏量的准确计算较为困难。因此，水电站集水井容积的确定，都是在上述计算量的基础上，再根据工程类比，并考虑一定的余度来确定。

鉴于近年来极端气候频现，地质灾害较多，水淹厂房的事故经常出现的情况，可在条件许可的情况下，尽量增大渗漏集水井容积，以应对各种特殊情况。增大渗漏集水井容积的方法较多，除可在厂内设计较大尺寸的集水井外，还可结合实际地形地质条件，在厂外选择选择废弃的洞、坑，设置附加的渗流集水井；同时，还可考虑将传统的渗漏集水井和检修集水井有条件连通使用，即采用阀门将两个集水井连通，在平时或遇特殊情况时，检修集水井可做渗漏集水井用，以增大渗流集水井的总容量；而在机组检修时，关闭两个井之间的连通阀门，两个集水井又单独使用。

2.2.2 增加厂区抽排能力

增加厂区抽排能力的措施，主要包括增加水泵抽水能力和排水沟渠的排水能力。

厂房的排水沟渠、排水廊道的设计，还应考虑将其作为应急排水通道。一般情况下，厂房蜗壳层及以下各层内电气设备相对较少，电气夹层及以上各层内电气设备较多。在厂房内蜗壳层或以下的尾水管操作廊道层等合适部位可设置排水廊道，以便在厂内发生爆管等突发涌水事故时，涌水得以迅速进入排水廊道，再排入渗漏集水井，以便有效地控制厂房内水位的快速上涨。

2.2.3 加强挡水措施设计

在厂房遭遇超过设计标准的洪水、强降雨、泥石流时，或尾水下游河段发生大型山体滑坡等自然灾害导致河道壅塞形成堰塞湖时，雨水、河水可能会通过进厂通道进入厂区，造成厂房被淹事故。挡水措施设计，主要包括在厂房进厂通道进口设置防洪墙(门)，进厂通道在进口设置一段倾向厂外的斜坡，在泥石流影响区域设置挡排措施，适当加高河床式厂房的防浪墙高度等。

2.2.4 提高结构的防渗等级

对厂房重点部位的混凝土结构，应适当提高其防渗等级。对采用混凝土蜗壳的，可考虑在混凝土蜗壳内设置钢板，以避免蜗壳内水通过蜗壳裂缝或细小通道，渗漏进入厂房。对承受水压力的混凝土结构，除应按规范的要求确定混凝土的防渗等级外，还应考虑到目前施工缺陷通病常见，应在关键部位适当提高混凝土结构的防渗标准，特别是河床式厂房承受水压力的上下游胸墙、闸墩、蜗壳、尾水管等部位。

2.2.5 提高结构的刚强度

对厂房的重点部位，应提高结构的刚强度。一般情况下，岸边地面厂房发电机层以上边墙多采用砌体填充墙，该结构的整体性及防水密闭性较差，在水淹厂房(区)情况下极易破坏和渗水。泥石流、强降雨频发的区域，可将发电机层以上一定高程范围内的砖墙结构改为混凝土结构，增加结构的刚度和强度，可降低泥石流、边坡滚石、掉块和水淹对厂房边墙结构的损坏。

对直接承受水压力的混凝土结构，比如混凝土蜗壳、挡水墙、闸墩等结构，适当提高其刚强度，可有效减小裂缝宽度，便于结构的长期安全运行，同时也能够提高结构应对超标准荷载的承载力。

2.2.6 提高设备的防水等级

出于经济指标考虑，目前厂内各机电设备基本未进行防水设计，一旦遭遇溅水甚至浸泡等事故，损失将较大。考虑到水电站厂房的复杂环境条件，水淹厂房风险等级较大，应对受到水淹影响风险较大的设备，适当提高防水等级，对于短时、轻度的水淹厂房灾情具有一定的抵御能力。例如，将传统的水泵(含配套线路)改为潜水泵，将水厂内低高程的各种设备防水等级提升至IP46等，以便在它们短暂水淹的情况下依然正常运行。

2.3 电站日常运行维护要求

2.3.1 水工建筑物维护要求

加强厂房建筑物的日常巡视和监测，当发现监测数据异常时，及时分析原因，厂房建筑物出现结构破损的，应立即修复，确保厂房结构能够正常使用。加强厂房内渗漏流量的观测，当发现渗漏流量有大幅度增加时应及时反馈，分析其原因，并及时采取应对措施。

对厂区排水沟渠、排水廊道、防洪墙(门)等防排水设施，应加强巡视和维护，对已破损、堵塞的，应及时修复处理。

2.3.2 厂房周围环境维护要求

对厂房周围环境的日常维护，主要包括对厂房周围环境边坡的巡视维护、对泥石流沟的巡视维护，对厂区河道的巡视疏浚等。根据“5·12”汶川特大地震后的修复经验来看，强震区的水电站厂房容易因大型滑坡、泥石流、堰塞湖等次生灾害造成河水大幅上涨而被淹。因此，为了保证电站地下厂房的安全正常运行，除应对大型滑坡、泥石流等地质灾害采取主动治理措施，还应加强日常巡视维护，及时消除隐患。

对厂房周围环境边坡的巡视维护，应重点检查边坡支护结构的运行状况，确保边坡稳定；及时清理边坡中的孤块石，避免强降雨时这些孤块石滑落、掉落，进而影响厂房结构。

对泥石流沟的巡视维护，应注意及时清除泥石流沟内的临时松散堆积体，检查泥石流沟的防排措施。

对厂区河道的巡视疏浚。应定期检查厂区河道的行洪能力，并按需要对电站厂区及上下游一定范围内的河道进行清淤疏浚。

2.3.3 机电设备维护要求

加强防洪机电设备、电源设备的检查维护，确保汛期各项防洪设备运行正常；加强厂区抽排设备的维护，确保各排水泵正常可靠运行及各项信号报警及启动装置正常。

3 灾害预警预报及应急预案

3.1 加强洪水和强降雨预警预报

鉴于水淹厂房可能带来的严重后果，加强洪水和强降雨预报预警系统建设十分必要。洪水和强降雨预报，作为厂房防水淹的一项重要非工程措施，它投资少、见效快和效益高，日渐受到普遍的重视和关注，作为防汛斗争的“耳目”和“参谋”。准确及时的洪水和强降雨预报，为正确做出防汛决策提供了科学依据，可以获得减免洪灾损失的巨大经济效益和社会效益。

传统的洪水和强降雨预报技术多建立在经验相关的基础上，近代随着系统论、信息论、控制论等新理论和计算机技术的渗透，洪水和强降雨预报在信息处理技术以及预报方法上较以往传统的方法都有所突破，明显地提高了预报精度，增长了有效预见期。建立流域统一的洪水和强降雨预报预警系统，能够协调流域各枢纽统一调度，提高调度的有效性。

大中型水电站厂房应依据规范配置有1～2套安全可靠的水情测报或安全预警系统。当灾害来临时，能及时、有效地进行预警，以便于采取合理的应对措施，以确保水工建筑物的工程安全和电厂工作人员及周围群众的生命财产安全。对于新建和已建的小型电站，也应适当提高灾害预警机制，确保建立至少2套(含一套视频)监控预警系统，以应对可能的灾害。对布设有监测设备的部位，尤其是工程区附近的大型滑坡、泥石流沟内的监测设备应定期收集整理和上报监测成果，对重要的工程部位，加强汛期巡视。

建立汛期24 h值班制度、安全巡视制度、定期检查制度，便于及时发现、及时处理各种险情。在汛前应公布防汛值班专用电话，并确保通讯畅通。

当预测到有大洪水和强降雨时，应提前做好水库调度计划，提前降低库水位，避免水库水位超过设计标准，做好厂房建筑物防洪雨水措施，厂房的坝顶、尾水平台和进厂通道等重点部位，准备足够的草袋、沙土、破布、速凝水泥以阻止水流渗入或漫顶。当班运行人员应及时对厂区建筑物各重点部位进行巡视，确保排水沟槽的正常运行，发现问题及时处理。洪水和暴雨过后，仍需加强巡视和检修。

3.2 建立完善的应急预案

在电站的施工期及运行期，应成立多方参与的应急预案小组，积极与地方应急救援部门保持联系，并应根据水淹厂房的风险分级，确定各风险源的应急预案，明确突发事件时职工、群众撤离及应急抢险措施。

制定应急预案后，应全厂传达、定期演练，确保各位工作人员熟悉掌握各种应急预案措施。根据应急预案，电厂应准备应急装备、设施、设备，比如应备用一定数量的应急备用电源和抽、排水设备以及挖掘、装运设备。

当遇到紧急情况时，应按统一指挥、统一协调、统一行动的原则，及时实施各项预案。水淹厂房事故发生后，若发电设备受损，运行值班人员应迅速隔离故障点和受损设备，尽快恢复正常设备，发电设备抢修应急组应迅速组织人力抢修受损设备，以便尽快恢复故障设备。在事故中，如果全公司对外停电、厂用电消失，则立即启动黑启动应急预案，逐步恢复各机组和各线路。

加强灾害救援组织，降低或避免次生灾害。